DE2213115C3 - Verfahren zum hochfesten Verbinden von Keramiken aus Karbiden, einschließlich des Diamanten, Boriden, Nitriden oder Suiziden mit Metall nach dem Trocken-Lötverfahren - Google Patents

Description

Mit der Patentanmeldung P 20 55 657.4 ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, nach dem Verbindungen zwischen Metallen und Oxidkeramiken durch Trockenlötung hergestellt werden können. Danach wird zwischen die beiden zu verbindenden Teile — die beide aus Oxidkeramik bestehen können, oder auch ein Teil aus Oxidkeramik, das andere aus Metall — ein für die Verbindungstechnik notwendiges dünnes Blech gelegt, welches beispielsweise aus fast reinem Silber, Kupfer oder Gold bestehen kann, wobei diesen Metallen aber kleine Mengen eines Metalles mit hoher Affinität zum Sauerstoff, wie beispielsweise Li, Be, Mg₁ Ti oder Zr, beilegiert sein müssen. Die zu verbindende Kombination wird dann in einer Spannzange fest zusammengepreßt, damit das Lotblech in wirklich satten Kontakt zu den zu verbindenden Teilen kommt. In dieser Spannzange wird die Kombination in den Ofen gebracht und auf eine höhere Temperatur von beispielsweise 800 bis 1000⁰C erhitzt, wobei aber der Schmelzpunkt des Trokkenlotbleches nicht überschritten werden soll. Zur Ausschaltung von Nebenreaktionen — z. B. von Verzunderung — erfolgt diese Erhitzung im Hochvakuum oder in inerter Atmosphäre.

Die sehr reaktionsfreundigen Aktivmetalle, die sich an der Oberfläche des Lotbleches befinden oder dort hindiffundiert sind, reagieren dann bei dieser hohen Temperatur infolge ihrer Affinität zum Sauerstoff mit der Keramikoberfläche, welche sie anreduzieren, wodurch die Bindungsbrücken zwischen Metall und Keramik gebildet werden, welche die Haftung bewirken.

Wie in einer weiteren Anmeldung dargelegt ist, ist es für das Zustandekommen der Bindung unerheblich, daß die die Keramik bildenden Oxide in kristalliner und zusammengesinterter Form vorliegen. Der Bindungsmechanismus ist durch nichts gestört, wenn dieselben Oxide ein Material bilden, welches durch Zusammenschmelzen dieser Oxide und die Überführung in die Glasphase entstanden ist Auch gegen Gläser und natürlich auch gegen Glaskeramiken kann also eine Verbindung nach dem Trockenlötverfahren hergestellt werden, denn in jedem Falle handelt es sich um einen aus Oxiden hergestellten nichtmetallischen Isolator, gegen den die Bindungsbrücken vom Metall aus dadurch hergestellt werden, daß das sauerstoffbegierige Aktivmetall reduzierend auf die Oxide einwirkt.

In der modernen Technik werden jedoch nicht nur Keramiken, Gläser u. dgl. aus Oxiden hergestellt, sondern auch solche aus Karbiden, Nitriden, Boriden und Suiziden. Die daraus hergestellten Werkstoffe können ebenfalls durch-Zusammensintern in keramische Form gebracht sein oder durch Zusammenschmelzen oder von Natur aus in glasähnlicher oder auch in monokristalliner Form vorliegen. Zu den Karbiden muß man hierbei auch den für die moderne Technik sehr wichtigen Diamanten rechnen, den man als »Karbo-Karbid« auffassen kann und der meist monokristallin vorkommt. Aufgabe der Erfindung sollte es also sein, auch diese Gruppe von Materialien mit einer Metallschicht oder über diese mit anderen Materialien hochfest zu verbinden.

Aus der GB-PS 10 71 179 ist bereits ein Verfahren bekannt zum Verbinden eines Graphitteiles mit einem anderen aus Graphit oder aus einem hochschmelzenden Material durch Schweißen oder Hartlöten, bei dem zwischen die Oberflächen der betreffenden Teile eine Verbindungsschicht aus einem Gemisch von einem oder mehreren der hochschmelzenden Metalle Wolfram, Molybdän, Zirkon, Hafnium, Tantal, Titan oder Niob mit Nitrid, Karbid, oder Borid eines oder mehrerer der Metalle Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin eingefügt und gemeinsam in einer Schutzgasatmosphäre auf etwa 2400⁰C — je nach Metallkomponente — erwärmt wird und wobei der Anteil des Metalls 1 bis 50 Gewichtsprozent beträgt.

Die Aufgabe wird in Weiterbildung des erwähnten vorgeschlagenen Trockenlötverfahrens mit Aktivmetall für Oxidkeramiken bei einem Verfahren zum hochfesten Verbinden von Keramiken aus Karbiden einschließlich des Diamanten, Boriden, Niiriden oder SiIizielen mit Metall nach dem Trocken-Lötverfahren, wobei das Lot-Metall zumindest an seiner Oberfläche mit Aktivmetall oder einer Schicht einer beim Zerfall Aktivmetall ergebenden Verbindung versehen, mit den genannten Stoffen in satten Kontakt gebracht und soweit, insbesondere auf 800 bis 1000⁰C, erhitzt wird, daß chemische Reaktionen eintreten, ohne daß das Lotmetall in den schmelzflüssigen Zustand versetzt wird, nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als Lotmetall ein Aktiv-

lot mit einem solchen Aktivmetall verwendet wird, dessen Bildungsenthalpie zum Karbid einschließlich des Diamanten oder zum Borid oder zum Nitrid oder zum Silizid mindestens 50% der Bildungsenthalpie der betreffenden Keramik derart beträgt, daß es Bindungsbrücken mit dem Karbid einschließlich des Diamanten oder dem Borid oder dem Nitrid oder dem Silizid bildet

Im folgenden wird die Idee des Trockenlötverfahrens, die ursprünglich für die Oxidkeramik entwickelt worden war, auf Werkstoffe übertragen, die aus Karbiden — einschließlich des Diamanten — oder aus Bonden, Nitriden und Suiziden bestehen, oder die solche Stoffe in für die Reaktion genügender Menge enthalten. Besprechen wir zunächst die Verhältnisse für den Diamanten und die Karbide. Das Trockenlötverfahren muß zu diesem Zweck derart abgewandelt werden, daß jetzt als Aktivmetall ein solches zu nehmen ist, welches eine hohe Affinität gegen den Kohlenstoff besitzt, damit es auf die Karbide bzw. den Diamanten einwirken kann, indem es Bindungsbrücken gegen die Kohlenstoffatome bildet Genau wie bei der Trockenlötung der Oxidkeramik ist es zur Ausbildung der Haftvalenzen notwendig, daß der Diamant bzw. die Karbidkeramik mit dem entsprechenden Trockenlotblech in satten Kontakt gebracht wird, beispielsweise durch Anpressen, und daß das Material in diesem Zustand auf eine Temperatur, die unterhalb des Lotschmelzpunktes liegt, erhitzt wird, damit die trägen Karbidreaktionen zustande kommen und die Bindungsbrücken bilden. Aus experimentellen Untersuchungen hat sich ergeben, daß als Aktivmetall zur Bildung von Haftvalenzen gegen den Diamanten solche Metalle geeignet sind, die bei der Karbidbildung mindestens eine Bildungsenthalpie von 10 CaI pro Grammatom Kohlenstoff besitzen. Geeignete Aktivmetalle für diesen Fall sind also die Elemente Hf, Ti, Zr, Nb, Cr usw. Die Temperaturen, die man während des Lötprozesses einhalten sollte, um die tragen Karbidreaktionen in nicht zu langen Standzeiten zu erreichen, wählt man zweckmäßig bei 800⁰C oder etwas höher. Selb'st der Diamant verträgt Temperaturen von 1000⁰C, ohne sich dabei in die stabilere Rußmodifikation zurückzuwandeln. Wenn man hierbei das schon bei 66O⁰C schmelzende Aluminium als Aktivmetall benutzen will und noch den Vorteil der schnelleren Reaktionen bei höheren Temperaturen ausnutzen will, dann muß man das Aluminium zu einer solchen Grundkomponente zulegieren, daß der Schmelzpunkt der Legierung über der Löttemperatur liegt. Geeignet ist beispielsweise eine Legierung von Kupfer mit Al, deren so Schmelzpunkt selbst bei 18 Atomprozent = 8,5 Gewichtsprozent Aluminium noch bei 1037° C liegt. So hohe Anteile an Aktivmetall wie bei der eben erwähnten Cu/Al-Legierung sind für das Trockenlötverfahren, auch für die Bindungen gegen Diamant oder gegen Karbide, nicht erforderlich. Auch hier genügen Aktivmetallanteile in der Größenordnung von 1 Atompromill, d. h. man kann die Trockenlötung mit Loten aus fast reinem Grundmetall durchführen und somit die Vorteile der guten Duktilität und der hohen elektrisehen Leitfähigkeit, wo es wünschenswert ist, ausnutzen.

Die Ausbildung der Haftvalenzen gegen Karbide gelingt natürlich immer, wenn das Aktivmetall zum Keh- !enstoff eine größere Bildungsenthalpie besitzt als der Metallpartner des Keramikkarbides. Genau wie bei den Oxidkeramiken (Patentanmeldung P 21 35 827.0) reichen aber auch solche Karbidbildner aus, deren Bildungsenthalpie kleiner ist als die des Keramikkarbides, weil bei letzterem — genau wie bei der Oxidkeramik — nicht die voll abgesättigten Valenzen im Inneren der Substanz aufgebrochen werden müssen, sondern nur Bindungen gegen die unvollständig abgesättigten Oberflächenvalenzen gebildet werden müssen — also gegen Kohlenstoffatome, denen nach außen hin der Partner fehlt. Hierzu reichen genau wie bei den Oxidkeramiken bereits solche Elemente als Aktivmetalle, deren Bildungsenthalpie zum Kohlenstoff höher liegt als 50% der Bildungsenthalpie des Keramikkarbides. Auf Grund dieser Lehre kann man sich die als Aktivmetalle geeigneten Elemente leicht aus Tabellen auswählen, in denen die Bindungsenthalpien tabelliert sind, z. B. aus High Temperature Material, Lax D'ans usw. Danach eignen sich die schon oben bei dem Diamanten genannten Elemente, deresj Brauchbarkeit wir bei der Trockenlötung von Borkarbidkeramik experimentell bestätigt fanden.

Völlig analog lassen sich natürlich auch die anderen, zu den modernen Keramiken zählenden Werkstoffe löten, also beispielsweise Boride, Nitride oder Suizide. Für die Trockenlötung von Bonden müssen also die gegengepreßten Lotringe bzw. Metallpartner als Aktivmetall Elemente mit hoher Bindungsenthalpie zum Bor enthalten, also beispielsweise Zirkon. Zur Bindung von Nitridkeramiken braucht man dementsprechend Aktivmetalle mit hoher Nitrierungsenthalpie, also beispielsweise Barium, Hafnium, Zirkon und für Suizide solche mii hoher Bindungsenthalpie zum Silizium, z. B. Cer, Molybdän, Niob, Nickel, Tantal, Zirkon. Da bei den Boriden, Suiziden und Nitriden die Bindungsbrücken immer nur gegen die in der Oberfläche der Keramikkristallite liegenden Bor- bzw. Silizium- bzw. Stickstoffatome zu bilden sind, also gegen Atome, die im Kristall nicht voll abgesättigt sind, so genügen auch hier schon solche Elemente als Aktivmetall, deren Bildungsenthalpie kleiner ist als die der betreffenden Keramikverbindung, wenn sie nur den Mindestwert von 50% deren Bildungsenthalpie überschreiten.

Im vorstehenden ist die Idee der Trockenlötung von den oxidkeramischen Werkstoffen auf Karbide, einschließlich des Diamanten, auf Boride, Nitride oder SiIizide übertragen worden, die polykristallin, monokristallin oder auch als Mischkörper vorliegen können. Hier wie dort ist das Verfahren nicht nur dann anwendbar, wenn das Aktivmetall als Legierung in der Hauptkomponente eines Lotes eingelagert ist. Das Aktivmetall kann nach bekannten Techniken auch in Form von Folien, Aufdampfschichten oder in Form von sich zersetzenden chemischen Verbindungen auf bzw. in der Oberfläche der Keramik oder des Diamanten zur Reaktion gebracht werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum hochfesten Verbinden von Keramiken aus Karbiden einschließlich des Diamanten, Bonden, Nitriden oder Suiziden mit Metall nach dem Trocken-Lötverfahren, wobei das Lot-Metall zumindest an seiner Oberfläche mit Aktivmetall oder einer Schicht einer beim Zerfall Aktivmetall ergebenden Verbindung versehen, mit den genannten Stoffen in sauen Kontakt gebracht und so weit, insbesondere auf 800 bis 1000⁰C, erhitzt wird, daß chemische Reaktionen eintreten, ohne daß das Lot-Metall in den schmelzflüssigen Zustand versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot-Metall ein Aktivlot mit einem solchen Aktivmetall verwendet wird, dessen Bildungsenthalpie zum Karbid einschließlich des Diamanten oder zum Borid oder zum Nitrid oder zum Silizid mindestens 50% der Bildungsenthalpie der betreffenden Keramik derart beträgt, daß es Bindungsbrükken mit dem Karbid einschließlich des Diamanten oder dem Borid oder dem Nitrid oder dem Silizid bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktivlot in Form einer Legierung, einer Folie oder einer Aufdampfschicht oder auch in Form einer chemischen Verbindung, die beim Erwärmen in das Aktivmetall und einen nicht stören-, den Rest zerfällt, zwischen die zu verbindenden Teile gebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivlote Legierungen mit nur 1 Atomprozent, vorzugsweise mit nur 1 Atompromill an Aktivmetall benutzt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptkomponente des Aktivlotes Kupfer, Silber oder Gold verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Diamanten solche Metalle als Aktivmetalle wirken, deren Bildungsenthalpie zum Kohlenstoff größer ist als 10 Cal/Grammatom Kohlenstoff.