DE60115099T2

DE60115099T2 - Keramisches Bauteil zum Verbinden, Verfahren zu seiner Herstellung, Vakuumschalter und Vakuumgefäss

Info

Publication number: DE60115099T2
Application number: DE60115099T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Nagoya-shi Makino; Tsuneaki Nagoya-shi Takashima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-01-27
Also published as: EP1120386A1; EP1120386B1; US20010036541A1; KR20010078064A; EP1367039A1; DE60102602D1; DE60115099D1; DE60102602T2; EP1367039B1; US6506481B2; KR100715569B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Elemente, die Haftfestigkeit, Luftundurchlässigkeit und andere Eigenschaften aufweisen müssen, wie in dem Fall des Klebens eines Metalls an eine Keramik. Spezieller betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elements zum Verbinden, und ein keramisches Element zum Verbinden, verbundene Gegenstände, einen Vakuumschalter und einen Vakuumbehälter.
2. Stand der Technik
Normalerweise war das Molybdän-Mangan-Verfahren (Mo-Mn-Verfahren, Telefunken-Verfahren) als Verfahren zum Metallisieren der Oberfläche eines keramischen Trägers bekannt.
Bei diesem Mo-Mn-Verfahren wird auf einen keramischen Träger eine metallisierende Druckfarbe aufgebracht, die hergestellt wird durch Hinzufügen von Bindungshilfen, die das Kleben mit keramischen Werkstoffen unterstützen, wie zum Beispiel Manganpulver, Titanpulver und Glas-Zusatzstoff (SiO₂), zu einem Pulver von Metallen mit einem hohen Schmelzpunkt wie Wolfram und Molybdän, und Mischen der Pulvermischung mit einem organischen Bindemittel, um die Gemischpaste herzustellen (nachstehend manchmal als „Metalldruckfarbe" bezeichnet), wobei die Druckfarbenschicht gebrannt wird (Brennverfahren).
Das oben beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik benötigt zum Aufbringen eines Metallbelags eine Brenntemperatur in der Höhe von 1300°C bis 1500°C und weist daher das Problem auf, dass die Kosten der Sinterung, die den Brennofenaufbau, Zusatzgerte, wärmebeständige Verbrauchsmaterialien, usw. betreffen, hoch sind.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass sich die Keramik beim Hochtemperatur-Brennen verformt, was zu einem Produkt führt, bei dem die Maßgenauigkeit nicht zufrieden stellt.
Obwohl eine Maßnahme zur Überwindung des oben beschriebenen Problems sein kann, eine metallisierende Druckfarbe mit normaler Zusammensetzung bei einer Temperatur unterhalb von 1300°C zu brennen, tritt bei diesem Niedrigtemperatur-Brennen das Problem auf, dass keine ausreichende Haftfestigkeit erzielt werden kann. In dieser Hinsicht wurde eine Verbesserung gewünscht.
Darüber hinaus ist es im Fall, wo eine durch Metallisierung mit dem Mo-Mn-Verfahren hergestellte Metallschicht mit einem anderen Metallelement oder dergleichen durch Hartlöten verbunden werden soll, notwendig, dessen Benetzbarkeit durch ein Hartlot zu verbessern, um eine zufrieden stellende Verbindung zu erhalten. Obwohl es damit unvermeidbar ist, Nachbehandlungen wie Vernickeln und anschließendes Sintern durchzuführen, gab es das Problem, dass diese Nachbehandlungen den Produktionsprozess kompliziert machen.
Die Druckschrift JP-A-1 205 053 offenbart eine Keramik-Metallverbindung, die zum Beispiel ein Si₃ N₄ -Element enthält, das an ein Stahlelement gelötet wird, das dazwischen gelegtes Puffermaterial mit zwei Schichten von 90 Gew.-% W-(Fe, Ni), eine Schicht von 70 Gew.-% W-(Fe, Ni) und eine 12% Kovar enthaltende Metallschicht aufweist.
Abriss der Erfindung
Die Erfindung ist zu Stande gebracht worden, um die oben beschriebenen Probleme zu beseitigen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem ein keramisches Element zum Verbinden, das eine durch Metallisierung aufgetragene, dünne Metallschicht aufweist, mit ausreichender Haftfestigkeit auch durch Niedrigtemperatur-Sinterung erreicht werden kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines keramischen Elements zum Verbinden, von verbundenen Gegenständen, eines Vakuumschalters und eines Vakuumbehälters.
Im Verfahren der Metallisierung nach dem Stand der Technik werden Metalle hauptsächlich durch zwei Vorgänge mit einer Keramik verbunden, d. h. durch das Sintern von Metallteilchen mit hohem Schmelzpunkt sowie Diffusion und Eindringen eines Glas-Zusatzstoffes in Räume zwischen den Teilchen.
Wenn dieses Verfahren der Metallisierung nach dem Stand der Technik bei einer genügend hohen Sintertemperatur durchgeführt wird, geht nicht nur das Sintern der Metalle mit hohem Schmelzpunkt so vor sich, dass eine Metallschicht mit einer verbesserten Festigkeit erhalten wird, sondern auch ein in der Keramik oder Druckfarbe enthaltener glasartiger Zusatzstoff (z. B. SiO₂) in Räume zwischen den Metallteilchen mit hohem Schmelzpunkt eindringt, um die Haftfestigkeit basierend auf einer Verankerungswirkung mechanisch zu verbessern. Damit diese Reaktionen zufrieden stellend vor sich gehen, um diese Wirkungen zustande zu bringen, ist jedoch eine Temperatur von 1300°C oder höher notwendig gewesen.
Im Gegensatz dazu kann das Sintern nach der Erfindung mit einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden, weil Nickel mit Metallen mit hohem Schmelzpunkt reagiert, um das Sintern zu beschleunigen. In dem Fall, wo die Druckfarbe SiO₂ enthält, ist die durch die Metallisierung ausgebildete Metallschicht auf Grund des SiO₂ ausreichend mit einem glasartigen Zusatzstoff gefüllt, so dass das Brennen bei einer niedrigen Temperatur wie z. B. von 1080 bis 1250°C (vorzugsweise von 1100 bis 1250°C, besser von 1100 bis 1200°C) durchgeführt werden kann.
Eine erste Ausführung nach der Erfindung stellt ein keramisches Element zum Verbinden bereit, das einen keramischen Träger, der eine gesinterte Keramik ist, und eine auf dem keramischen Träger durch Metallisieren ausgebildete Metallschicht enthält, bei der die Metallschicht 70 bis 85 Gew.-% wenigstens Wolfram oder Molybdän sowie 0,5 bis 8,5 Gew.-% Nickel enthält, und bei der die Metallschicht des Weiteren mindestens 1 bis 3 Gew.-% Mangan und 0,05 bis 2,5 Gew.-% Titan enthält.
Weil die durch Metallisierung gebildete Metallschicht 0,5 bis 8,5 Gew.-% Nickel enthält, hat sie auch bei einer niedrigen Temperatur wie z. B. 1080 bis 1250°C wegen der Reaktionen des Nickels mit Metallen mit hohem Schmelzpunkt wehrend des Sinterns zur Metallisierung eine ausreichende Sinterung durchgemacht.
Die Folge ist, dass Kosten der Sinterung, die den Brennofenaufbau, Zusatzgeräte, wärmebeständige Verbrauchsmaterialien, usw. betreffen, im Vergleich zu normalen gering sind. Weil sich die Keramik während des Brennens aufgrund der niedrigen Brenntemperatur nur leicht verformt, weist dieses keramische Element zum Verbinden außerdem hohe Maßgenauigkeit auf. Darüber hinaus kann eine hohe Haftfestigkeit gewährleistet werden, auch wenn das Sintern bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird.
Der Bestandteil Mangan und der Bestandteil Titan sind jeweils als Verbindungshilfe wirksam.
Vorzugsweise enthält die Metallschicht des Weiteren von 8 bis 20 Gew.-% SiO₂ als Anteil von Siliziumoxid.
Darüber hinaus ist der Bestandteil Mangan wie glasartiges SiO₂ wirksam. Dieses SiO₂ dringt in Zwischenräume zwischen den Metallteilchen mit hohem Schmelzpunkt ein, so dass die auf einer Verankerungswirkung basierende Haftfestigkeit mechanisch verbessert wird. Insbesondere kann eine hohe Haftfestigkeit auch durch Sintern bei einer niedrigen Temperatur erreicht werden.
Eine weitere Ausführung nach der Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elements zum Verbinden nach der ersten Ausführung der Erfindung bereit, wobei das Verfahren umfasst: das Vermischen eines Gemisches, das Nickelteilchen und mindestens Wolframteilchen oder Molybdänteilchen enthält, mit einem organischen Bindemittel, um eine Paste zu erzeugen, wobei die Paste des Weiteren mindestens 5 bis 10 Gew.-% Manganteilchen oder 0,5 bis 2 Gew.-% mindestens Titanteilchen oder TiH₂-Teilchen enthält; das Aufbringen der Paste auf einen keramischen Träger, der eine gesinterte Keramik ist, um eine Schicht zu bilden; und das Brennen der Schicht, um eine Metallschicht zu bilden.
In dieser Erfindung reagiert Nickel mit Metallen mit hohem Schmelzpunkt, da die metallisierende Druckfarbe (d. h. die Paste) Nickel enthält, um das Sintern der Schicht, die durch Metallisierung wie oben erwähnt gebildet wird, zu beschleunigen. Hierdurch können die Metallteilchen auch bei einer niedrigen Temperatur, z. B. von 1080 bis 1250°C ausreichend gesintert werden.
Die Folge ist, dass Kosten der Sinterung, die den Brennofenaufbau, Zusatzgeräte, wärmebeständige Verbrauchsmaterialien, usw. betreffen, im Vergleich zu normalen reduziert werden. Außerdem erzeugt das mit niedriger Temperatur geführte Brennen die ausgesprochene Wirkung, dass sich die Keramik leicht verformt und eine hohe Maßgenauigkeit erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine hohe Haftfestigkeit gewährleistet werden kann, da die Metallteilchen auch bei einer solchen niedrigen Temperatur ausreichend gesintert werden können.
In dieser metallisierenden Druckfarbe wird der als eine Bindungshilfe dienende Bestandteil von Mangan durch die in der Sinterungsumgebung enthaltene Feuchtigkeit oxidiert, so dass die Benetzbarkeit und die Fließfähigkeit eines Glas-Zusatzstoffes verbessert werden.
Der Titan-Bestandteil, der ebenfalls als Bindungshilfe dient, wird äußerst aktiv und trägt damit zur chemischen Bindung an dem keramischen Träger bei.
Während das organische Bindemittel zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung nicht einschränkend ist, kann ein organisches Bindemittel, bei dem das feste Bindemittel (z. B. Äthylzellulose) in einem Lösungsmittel (z. B. Terpentinöl, Butylglycol) aufgelöst ist, verwendet werden. Das organische Bindemittel kann in einer Menge von etwa 10 bis 35 Gew.-% basierend auf 100 Gew.-% der Gesamtmenge des organischen Bindemittels und des Teilchengemisches verwendet werden. Das feste Bindemittel kann in einer Menge von etwa 2 bis 4,5 Gew.-% basierend auf 100 Gew.-% der Gesamtmenge von festem Binder und Teilchengemisch verwendet werden.
Vorzugsweise enthält das Gemisch im Verfahren nach einer weiteren Ausführung der Erfindung 1 bis 10 Gew.-% Nickel und 70 bis 97 Gew.-% wenigstens Wolframteilchen oder Molybdänteilchen.
Da die metallisierende Druckfarbe zur Verwendung in dieser Erfindung Nickel in einer Größe von 1 bis 10 Gew.-% enthält, reagiert Nickel mit Metallen mit hohem Schmelzpunkt, um das Sintern in der durch Metallisierung gebildeten Schicht zu beschleunigen wie es oben angegeben ist. Hierdurch können die Metallteilchen auch bei einer niedrigen Temperatur, wie z. B. von 1080 bis 1250°C, ausreichend gesintert werden.
Vorzugsweise enthält die Paste in dem Verfahren nach der weiteren Ausführung der Erfindung des Weiteren von 2 bis 15 Gew.-% Teilchen von SiO₂.
Darüber hinaus dringt SiO₂, das glasartig ist, in Räume zwischen Teilchen mit hohem Schmelzpunkt ein, so dass die Haftfestigkeit basierend auf einer Verankerungswirkung mechanisch verbessert wird. Insbesondere wenn das Sintern bei einer niedrigen Temperatur durchgeführt wird, lässt sich SiO₂ leicht aus dem keramischen Element zum Verbinden zuführen. Jedoch kann auch durch dieses Niedrigtemperatur-Sintern eine hohe Haftfestigkeit erreicht werden, indem eine metallisierende Druckfarbe verwendet wird, der SiO₂ hinzugefügt wurde.
Eine weitere Ausführung nach der Erfindung stellt einen verbundenen Gegenstand bereit, der ein keramisches Element zum Verbinden nach der ersten Ausführung der Erfindung und ein Metallelement umfasst, das mit dem keramischen Element durch die Metallschicht des keramischen Elements verbunden wird.
Der verbundene Gegenstand nach dieser Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein keramisches Element zum Verbinden mit einem Metallelement mit der oben beschriebenen Metallschicht, die Bestandteile einschließlich Nickel enthält, verbunden wird.
Folglich kann dieser verbundene Gegenstand, der ein keramisches Element zum Verbinden und ein damit verbundenes Metallelement enthält, mit verringerten Kosten produziert werden, wobei der erhaltene verbundene Gegenstand eine hohe Haftfestigkeit und eine hohe Maßgenauigkeit aufweist.
Eine noch weitere Ausführung der Erfindung sieht einen verbundenen Gegenstand vor, der ein keramisches Element zum Verbinden nach der ersten Ausführung der Erfindung und ein weiteres keramisches Element zum Verbinden umfasst, das durch die Metallschicht des keramischen Elements mit dem keramischen Element verbunden wird.
Der verbundene Gegenstand nach dieser Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei keramische Elemente zum Verbinden mit den oben beschriebenen Metallschichten, die Bestandteile einschließlich Nickel enthalten, miteinander verbunden werden. Diese Verbindungsfläche jeder Metallschicht wird vorzugsweise vor dem Verbinden mit einem galvanischen Überzug versehen. Ein bevorzugtes Verfahren für das Verbinden ist das Hartlöten.
Folglich kann dieser verbundene Gegenstand, der zwei miteinander verbundene, keramische Elemente aufweist, mit verringerten Kosten hergestellt werden, wobei der erhaltene verbundene Gegenstand eine hohe Haftfestigkeit und eine hohe Maßgenauigkeit aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen Vakuumschalter bereit, der den verbundenen Gegenstand, wie in jeder vorhergehenden Ausführung definiert, aufweist.
Der Vakuumschalter nach dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er jeden der oben beschriebenen verbundenen Gegenstände aufweist. Ein Beispiel dieses Vakuumschalters ist ein Schalter im Stromkreis, der eine keramische isolierende Kammer nutzt, insbesondere eine, die zum Schalten von Starkstrom hoher Spannung geeignet ist.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem einen Vakuumbehälter bereit, der den verbundenen Gegenstand, wie in jeder vorhergehenden Ausführung definiert, umfasst.
Der Vakuumbehälter nach dieser Erfindung (z. B. eine isolierende Kammer) wird zum Beispiel in dem oben beschriebenen Vakuumschalter verwendet. Ein Vakuumschalter (Schalter im Stromkreis) kann hergestellt werden, indem Elektroden und andere notwendige Elemente in diesem Vakuumbehälter angeordnet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die einen wichtigen Teil eines im Beispiel 1 gezeigten verbundenen Gegenstandes darstellt;
2 ist eine schräge Ansicht, die einen im Beispiel 1 erhaltenen, verbundenen Gegenstand darstellt;
3 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Messen der Haftfestigkeit des im Beispiel 1 erhaltenen, verbundenen Gegenstandes darstellt;
4 ist eine Schnittansicht, die einen wichtigen Teil eines im Beispiel 2 gezeigten verbundenen Gegenstandes darstellt;
5 ist eine teilweise weg geschnittene Ansicht, die den im Beispiel 3 dargestellten Vakuumschalter veranschaulicht;
6 ist eine Schnittansicht, die einen wichtigen Teil des im Beispiel 3 gezeigten Vakuumschalters darstellt;
7 ist eine Schnittansicht, die einen im Beispiel 4 gezeigten wichtigen Teil des Vakuumschalters darstellt.
Die Bezugszeichen in der Zeichnung stellen folgendes dar:

1: keramisches Element zum Verbinden
3: Metallelement
5, 35, 162, 219, 221: Hartlot
7, 37: verbundener Gegenstand
9: keramischer Träger
11: durch Metallisierung ausgebildete Metallschicht
13: durch galvanischen Überzug ausgebildete Auftragschicht
31: erstes keramisches Element zum Verbinden
33: zweites keramisches Element zum Verbinden
39: erster keramischer Träger
41: durch Metallisierung ausgebildete erste Metallschicht
45: zweiter keramischer Träger
47: durch Metallisierung ausgebildete zweite Metallschicht
161, 207: Lichtbogen-Abschirmung
101: isolierende Kammer
100, 200: Vakuumschalter (Hochlast-Schalter)
171, 211, 213: durch Metallisierung ausgebildete Metallschicht
201: obere isolierende Kammer
203: untere isolierende Kammer
205: Verbindungselement

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Ausführungen (Beispiele) des Verfahrens zum Herstellen eines keramischen Elementes zum Verbinden, das keramische Element zum Verbinden, die verbundenen Gegenstände, der Vakuumschalter und der Vakuumsbehälter nach der Erfindung werden nachstehend durch Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
(BEISPIEL 1)
Ein verbundener Gegenstand, der ein keramisches Element zum Verbinden und ein Metallelement enthält, wird als Ausführung beschrieben.

a) 1 stellt diese Ausführung schematisch dar, die ein verbundener Gegenstand 7 mit einem keramischen Element zum Verbinden 1 und ein damit verbundenes Metallelement 3 ist, das an diesem mit einem Hartlot 5 verbunden wird.

1

9

11

13

11

13

3

5

1

3

b) Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Prüfstücks als ein Beispiel dieses verbundenen Gegenstandes zusammen mit einem Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elements zum Verbinden erläutert. (1) Zuerst wurden aus Einzelteilen bestehende Bestandteile von metallisierender Druckfarbe, die in der Tabelle 1 dargestellt sind und später angegeben werden, pulverisiert und zusammen vermischt, wobei dieses Pulvergemisch (z. B. 87 Gew.-%) mit einem organischen Bindemittel (z. B. 13 Gew.-%) wie z. B. Äthylenzellulose gemischt wurde, um eine Paste zu erhalten. Auf diese Weise wurde eine metallisierende Druckfarbe hergestellt. (2) Die so hergestellte metallisierende Druckfarbe wurde auf einer Oberfläche des keramischen Trägers 9 auf der Basis von Aluminiumoxid (z. B. 92 Gew.-% Aluminiumoxid), das Sinterkeramik war (z. B. ein ringförmiges Teststück mit einer Dicke von 5 mm, einem Außendurchmesser von 30 mm und einem Innendurchmesser von 8,5 mm) in einer Dicke von etwa 10 bis 20 μm aufgebracht. (3) Anschließend wurde der mit der metallisierenden Druckfarbe beschichtete keramische Träger 9 in einen Brennofen gelegt und bei den in Tabelle 2 unten dargestellten Temperaturen von 1150 bis 1350°C in einer Umgebung von H₂/N₂ (1:1), die ein Gas mit einer Benetzungstemperatur von 50°C bildet, gesintert (metallisiert). Somit wurde ein keramisches Element zum Verbinden 1 erhalten, das aus dem keramischen Träger 9 und einer darauf durch Metallisierung ausgebildeten Metallschicht 11 bestand. (4) Die Oberfläche der Metallschicht 11 (metallisierte Seite) wurde mit Nickel galvanisiert, um eine Auftragsschicht 13 zu bilden. Diese Auftragsschicht 13 wurde in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 830°C gesintert (gesintert). (5) Anschließend wurde das keramische Element zum Verbinden 1 und ein aus Kovar (Fe-Ni-Co) bestehendes Metallelement 3 miteinander hartgelötet.

5

13

3

1

3

7

Unter Verwendung der metallisierenden Druckfarben, die wie in Tabelle 1 dargestellt, unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wurden ringförmige Teststücke (Proben) Nr. 3–5, 7, 8, 10–14, 16 und 17 als zu prüfende, verbundene Gegenstände 7 durch die oben beschriebenen Schritte (1) bis (5) hergestellt. Des Weiteren wurde die Probe Nr. 1 als ein Vergleichsbeispiel mit einer metallisierenden Druckfarbe, die eine andere Zusammensetzung aufweist (kein Nickel enthaltend), hergestellt.
TABELLE 1 Anteile in metallisierender Druckfarbe (Gew.-%)
Darüber hinaus wurde die Metallschicht 11 jedes hergestellten keramischen Elements zum Verbinden 1 während des oben beschriebenen Produktionsprozesses mengenmäßig analysiert, um die Anteile von Bestandteilen zu bestimmen. Diese Mengenanalyse wurde mit einem Elektronensonden-Mikroanalysiergerät (Beschleunigungsspannung 20 kV, Lichtpunktdurchmesser 5 μm) vorgenommen. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 2 unten dargestellt.
In Bezug auf jede Probe wurde die Analyse an fünf Punkten vorgenommen, um die Einflüsse von Ausscheidung zu reduzieren, wobei aus den für jede Komponente erzielten fünf Werten ein Mittelwert gebildet wurde. In der Tabelle 2 sind die Anteile von Silizium, Aluminium, Kalzium und Magnesium als Oxidanteil gegeben.
TABELLE 2 Gefundene Werte nach dem Sintern (durchschnittlich) [Gew.-%]
Bei der Herstellung von Probe Nr. 10 wurde Wolfram anstelle von Molybdän verwendet.

c) Die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten Proben von verbundenen Gegenständen wurden auf Haftfestigkeit geprüft.

Diese Prüfung wurde auf folgende Art und Weise durchgeführt.
Wie in 3 gezeigt ist, wurde jeder verbundene Gegenstand 7 so angeordnet, dass das Metallelement 3 nach unten zeigte und die untere Seite eines Umfangsteils des keramischen Trägers 9 auf einem zylindrischen Eisensockel 21 getragen wurde. Ein aus rostfreiem Stahl hergestellter zylindrischer Stanzstab 25 wurde von der Oberseite in die mittlere Durchgangsbohrung 23 des in diesem Zustand gehaltenen keramischen Trägers 9 eingesetzt. Anschließend wurde der Stanzstab 25 mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/min nach unten bewegt.
Die Festigkeit (Bruchfestigkeit) zu dem Zeitpunkt, als das metallische Element 3 von dem keramischen Träger 9 getrennt war, wurde mit einer über dem Stanzstab 25 angeordneten Kraftmessdose (nicht gezeigt) gemessen. Diese Festigkeit wurde als Lötfestigkeit genommen. In Bezug auf jede Probe sind die Lötfestigkeiten für die jeweiligen Temperaturen in der folgenden Tabelle 3 dargestellt.
TABELLE 3 Lötfestigkeit (MPa)
In der Spalte „Bewertung" in Tabelle 3 gibt Oan, dass die Probe einen Spitzenwert von nicht kleiner als 17 MPa im Bereich von 1150 bis 1250°C hatte, Δ gibt an, dass die Probe einen Spitzenwert von 10 bis 17 MPa in diesem Temperaturbereich hatte, und x gibt an, dass die Probe keinen Spitzenwert von 10 MPa oder höher in diesem Temperaturbereich hatte.
Tabelle 3 zeigt folgendes. Die Proben Nr. 3 bis 15, 7, 8, 10 bis 14, 16 und 17, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, weisen zum Vorteil hohe Lötfestigkeiten auf, weil die durch Metallisierung gebildeten Metallschichten auch durch Niedrigtemperatur-Sintern ausreichend gesintert wurden. Zum Beispiel hat jede dieser durch Sintern bei 1150°C erzielten Proben eine Festigkeit von 6,9 MPa oder höher. Diese verbundenen Gegenstände besitzen den Vorteil, dass die Kosten des Sinterns gering sind, weil das Sintern bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Da die Metallschichten in diesen Proben bei niedrigen Temperaturen ausreichend gesintert werden können, gibt es außerdem den Vorteil, dass die keramischen Elemente zum Verbinden eine hohe Maßgenauigkeit einhalten können im Vergleich zu dem Fall, wo das Sintern bei hohen Temperaturen durchgeführt wird.
Im Gegensatz dazu besitzt die Probe Nr. 1 als Vergleichsbeispiel, die durch Sintern bei niedrigen Temperaturen erhalten wurde, zum Nachteil geringe Lötfestigkeiten, weil die durch Metallisierung gebildete Metallschicht durch Niedrigtemperatur-Sintern nicht ausreichend gesintert wurde.
(BEISPIEL 2)
Im Beispiel 2 werden Erläuterungen hinsichtlich der gleichen Punkte wie im Beispiel 1 weggelassen.
In diesem Beispiel ist ein verbundener Gegenstand mit zwei keramischen Elementen, die miteinander verbunden sind, als eine Ausführung beschrieben.

a) 4 zeigt diese Ausführung schematisch, die ein verbundener Gegenstand 37 mit einem ersten keramischen Element zum Verbinden 31 aus Aluminiumoxid ist, und mit dem ein Hartlot 35 verbunden ist, ein zweites keramisches Element zum Verbinden 33 aus Aluminiumoxid, das dem ersten keramischen Element 31 ähnlich ist.

31

39

41

43

33

45

47

49

31

33

43

49

35

b) Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen eines ringförmigen Prüfstücks als Beispiel dieses verbundenen Gegenstands zusammen mit einem Verfahren zum Herstellen von keramischen Elementen zum Verbinden erläutert. (1) Unter Verwendung von aus Einzelteilen bestehenden Bestandteilen metallisierender Druckfarben, die in der oben angegebenen Tabelle 1 dargestellt sind, wurden metallisierende Druckfarben in der gleichen Art und Weise wie im Beispiel 1 hergestellt (im Folgenden sind die Punkte, für die eine Erläuterung hier weggelassen ist, die gleichen wie im Beispiel 1). (2) Jede der so hergestellten metallisierenden Druckfarben wurde auf eine Oberfläche des ersten keramischen Trägers 39 und auf eine Oberfläche des zweiten keramischen Trägers 45 aufgebracht. (3) Anschließend wurde der mit metallisierender Druckfarbe beschichtete erste keramische Träger 39 und der zweite keramische Träger 45 in einen Brennofen gelegt und bei Temperaturen im Bereich von 1150 bis 1350°C gesintert, um erste und zweite keramische Elemente zum Verbinden 31 und 33 zu erhalten. (4) Die Oberflächen der durch Metallisierung so ausgebildeten ersten und zweiten Metallschichten 41 und 47 wurden vernickelt, um eine erste Auftragsschicht 43 und eine zweite Auftragsschicht 49 zu bilden. (5) Anschließend wurde ein Silberlot 35 zwischen den beiden Auftragsschichten 43 und 49 gelegt, um die keramischen Elemente zum Verbinden 31 und 33 miteinander hartzulöten. So wurden die keramischen Elemente 31 und 33 miteinander vereinigt, um einen verbundenen Gegenstand 37 fertig zu stellen.
c) Die Proben verbundener Gegenstände (Prüfstücke der Proben Nr. 1 bis 17), die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wurden, wurden durch das gleiche Verfahren wie im Beispiel 1 auf Haftfestigkeit geprüft.

Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 4 unten dargestellt.
TABELLE 4 Lötfestigkeit (MPa)
In der Spalte „Bewertung" in Tabelle 4 gibt O an, dass die Probe einen Spitzenwert von nicht weniger als 60 MPa im Bereich von 1150 bis 1250°C hatte, Δ gibt an, dass die Probe einen Spitzenwert von 40 bis 60 MPa in diesem Temperaturbereich hatte, und X gibt an, dass die Probe in diesem Temperaturbereich keinen Spitzenwert von 40 MPa oder höher hatte.
Tabelle 4 zeigt folgendes. Die Proben Nr. 3 bis 5, 7, 8, 10 bis 14, 16 und 17, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen, weisen zum Vorteil hohe Lötfestigkeiten auf, weil die durch Metallisierung ausgebildeten Metallschichten auch durch Niedrig temperatur-Sintern ausreichend gesintert wurden. Diese verbundenen Gegenstände haben den Vorteil, dass die Kosten der Sinterung niedrig sind, weil das Sintern bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Da die Metallschichten in diesen Proben bei niedrigen Temperaturen gesintert werden können, gibt es außerdem den Vorteil, dass die keramischen Elemente zum Verbinden im Vergleich zu dem Fall, wo das Sintern bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, eine hohe Maßgenauigkeit einhalten können.
Im Gegensatz dazu besitzt die Probe Nr. 1 als ein Vergleichsbeispiel, die durch Sintern bei niedrigen Temperaturen erzielt wird, zum Nachteil geringe Lötfestigkeiten, weil die durch Metallisierung gebildete Metallschicht durch das Niedrigtemperatur-Sintern nicht ausreichend gesintert wurde.
(BEISPIEL 3)
Im Beispiel 3 werden Erläuterungen hinsichtlich der gleichen Punkte wie in den Beispielen 1 und 2 weggelassen.
Dieses Beispiel beschreibt die Anwendung eines verbundenen Gegenstandes, der ein keramisches Element zum Verbinden und ein Metallelement wie das im Beispiel 1 dargestellte umfasst, auf einen Vakuumschalter als eine Ausführung.
Dieser Vakuumschalter ist einen Hochlast-Schalter, der einen Vakuumbehälter mit eingebauten Elektroden und anderen Bauteilen umfasst und zum Schalten von Starkstrom hoher Spannung geeignet ist.
Wie in 15 gezeigt ist, umfasst dieser Hochlast-Vakuumschalter 101 eine isolierende Kammer 101, einen ersten Stirndeckel 102 und einen zweiten Stirndeckel 103, die an der isolierenden Kammer 101 befestigt sind, um deren entsprechende Enden zu bedecken, eine feste Elektrode 104, die an dem ersten Stirndeckel 102 befestigt ist und in die isolierende Kammer 101 hervorsteht sowie eine bewegliche Elektrode 105, die so angeordnet ist, dass sie durch den zweiten Stirndeckel 103 ungehindert verschiebbar ist. Die feststehende Elektrode 104 und die bewegliche Elektrode 105 bilden einen Kontaktpunkt 106.
Die isolierende Kammer 101 ist eine gesinterte Keramik, die einen Anteil von Aluminiumoxid von 92 Gew.-% hat und eine nahezu zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 80 mm, eine Wanddicke von etwa 5 mm und eine Länge von 100 mm aufweist. Die isolierende Kammer 101 umfasst ein gerades Zylinderteil 110 mit einem konstanten Innendurchmesser und ein Stegteil 112, das von der inneren Umfangswand 111 hervorsteht und sich durchweg im Umfang entlang eines Kreises, der zwischen beiden Enden des Zylinderteils 110 dazwischen liegend angeordnet ist, erstreckt. Die isolierende Kammer 101 umfasst auf deren äußeren Umfangsfläche eine Glasurschicht 115.
Der erste Stirndeckel 102 und der zweite Stirndeckel 103 bestehen aus scheibenförmigen Platten aus Kovar (Fe-Ni-Co), die jeweils in deren Mittelpunkten die Löcher 121 und 132 aufweisen, um die feste Elektrode 104 und eine Führung 131 daran zu befestigen. Diese Führung 131 ist so angeordnet worden, dass die bewegliche Welle 151 der beweglichen Elektrode 105 ohne weiteres verschiebbar ist.
Die feste Elektrode 104 besteht aus einer festen Welle 141 als einem Ende davon, die fest in dem Loch 121 sitzt, und einer scheibenförmigen Elektrode 142 als deren anderes Ende, die in die isolierende Kammer 101 hervorsteht.
Die bewegliche Elektrode 105 besteht aus der beweglichen Welle 151 als deren hinteres Endteil, die sich innerhalb der Führung 131 verschiebt, und der Elektrode 152 als deren vorderes Endteil, die mit der Elektrode 142 der festen Elektrode 104 in Kontakt kommt. Diese bewegliche Elektrode 105 ist mit einem metallischen Faltenbalg 153 ausgerüstet, der sich von dem der Elektrode 152 näher liegenden Teil der beweglichen Welle 151 zu dem zweiten Stirndeckel 103 erstreckt. Der Faltenbalg 153 ermöglicht es, dass die Elektrode 105 ihre Schaltfunktion ausführt, während ein Vakuum aufrechterhalten wird.
Der metallische Faltenbalg 153 ist von einer Faltenbalg-Abdeckung 154 umgeben, damit verhindert wird, dass dieser beim Einschalten des Stroms mit einem Metalldampf in direkten Kontakt kommt, der von den Elektroden 142 und 152 erzeugt wird (d. h. die an deren vorderen Enden angeordneten Kontakte 143 und 155).
Der Kontaktpunkt 106 hat einen solchen Aufbau, dass eine Verschmelzung, die durch einen Vakuumlichtbogen bewirkt wird, leichter auftreten wird. Dies ist erreicht worden, indem ein Sintermetall mit einem hohen Schmelzpunkt auf der Basis von Wolfram als das Material der Kontakte 143 und 155 eingesetzt wird, wobei sich die Elektroden 142 und 152 miteinander in Kontakt befinden.
Darüber hinaus ist eine Lichtbogen-Abschirmung 161 so angeordnet, dass der Kontaktpunkt 106 umgeben wird. Diese Lichtbogen-Abschirmung 161 wurde durch Hartlöten mit dem Stegteil 112 der isolierenden Kammer 101 verbunden, um zu verhindern, dass sich auf der inneren Umfangswand 111 der isolierenden Kammer 101 Metalldampf niederschlägt, so dass die Isolierung verringert wird.
Wie der verbundene Gegenstand von Beispiel 1, enthält der Hochlast-Schalter 100 dieses Beispiels nämlich die isolierende Kammer 101, die ein keramisches Element zum Verbinden ist, und die Lichtbogen-Abschirmung 161, die ein Metallelement ist, das durch Hartlöten mit einem Hartlot 162 mit dem Stegteil 112 der isolierenden Kammer 101 verbunden wird.
6 veranschaulicht schematisch einen wichtigen Teil des Schalters 100. Speziell umfasst das Stegteil 112 der isolierenden Kammer 101 eine Metallschicht 171, die an dessen Oberseite in der gleichen Art und Weise wie in dem Beispiel 1 durch Niedrigtemperatur-Metallisierung ausgebildet wird. Diese Metallschicht 171 ist mit einer durch Vernickeln ausgebildeten Auftragsschicht 173 überzogen. Diese Auftragsschicht 173 wurde mit der Lichtbogen-Abschirmung 161 durch Hartlöten mit dem Hartlot 162 verbunden.
So kann die mit der Lichtbogen-Abschirmung 161 ausgerüstete isolierende Kammer 101 (und damit der Hochlast-Schalter 100) mit geringen Kosten hergestellt werden und eine hohe Maßgenauigkeit sowie eine hohe Haftfestigkeit realisiert werden.
(BEISPIEL 4)
Im Beispiel 4 werden Erläuterungen hinsichtlich der gleichen Punkte wie im Beispiel 3 weggelassen.
Dieses Beispiel beschreibt die Anwendung eines verbundenen Gegenstandes, der ein keramisches Element zum Verbinden und ein Metallelement enthält, auf einen Vakuumschalter wie im Beispiel 3. Dieser Vakuumschalter weicht jedoch von dem des Beispiels 3 in den Strukturen der Lichtbogen-Abschirmung und der isolierenden Kammer ab.
Ein wichtiger Teil des Vakuumschalters ist in 7 schematisch dargestellt. Dieser Vakuumschalter (Hochlast-Schalter) 200 besitzt ein Verbindungselement 205, das aus sauerstofffreiem Kupfer besteht und durch Hartlöten zwischen eine obere isolierende Kammer 201 und eine untere isolierende Kammer 203 eingelegt wird, und hat des Weiteren eine Lichtbogen-Abschirmung 207, die durch Hartlöten mit dem vorderen Ende des Verbindungselements 205 verbunden wird.
Insbesondere weisen die obere isolierende Kammer 201 bzw. die untere isolierende Kammer 203 in dem Teil (fester Teil 209), wo die obere isolierende Kammer 201 und die untere isolierende Kammer 203 an dem Verbindungselement 205 befestigt sind, die Metallschichten 211 und 213 auf, die daran durch Metallisierung in der gleichen Art und Weise wie in dem Beispiel 1 ausgebildet werden. Diese metallischen Schichten 211 und 213 werden mit den Auftragsschichten 215 bzw. 217 beschichtet, die durch Vernickeln ausgebildet sind.
Diese Auftragsschichten 215 und 217 wurden mit dem Verbindungselement 205 durch die Hartlote 219 bzw. 221 verbunden. Somit wurden die beiden isolierenden Kammern 201 und 203 mit dem Verbindungselement 205 vereinigt.
An ihren äußeren Umfangsflächen weisen die beiden isolierenden Kammern 201 und 203 die Glasurschichten 223 bzw. 225 auf, die die gleichen sind wie die Glasurschicht im Beispiel 3.
Dieses Beispiel bringt die gleichen Wirkungen wie das Beispiel 3 zustande.
Die Erfindung soll so aufgefasst werden, dass sie in keiner Weise auf die Beispiele, die oben angegeben sind, beschränkt ist. Es geht natürlich darum, dass die Erfindung auf verschiedene Art und Weise umgesetzt werden kann, es sei denn, dass diese Art und Weise vom Umfang der durch die Patentansprüche definierten Erfindung abweicht.
Wie oben ausführlich beschrieben ist, kann in dem im Anspruch 3 definierten Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen keramischen Elements zum Verbinden eine durch Metallisierung ausgebildete Metallschicht bei niedrigen Temperaturen ausreichend gesintert werden. Folglich können die Kosten der Sinterung, die den Brennofenaufbau, Zusatzgeräte, wärmebeständige Verbrauchsmaterialien, usw. betreffen, im Vergleich zu normalen reduziert werden. Darüber hinaus kann eine hohe Maßgenauigkeit und eine hohe Haftfestigkeit realisiert werden.
Das im Patentanspruch 1 definierte, erfindungsgemäße keramische Element zum Verbinden besitzt eine durch Metallisierung ausgebildete Metallschicht, die auch durch Niedrigtemperatur-Sinterung genügendem Sintern unterzogen wurde. Folglich ist dieses keramische Element so wirksam, dass die Kosten der Sinterung reduziert werden und es eine hohe Maßgenauigkeit und hohe Haftfestigkeit aufweist.
Darüber hinaus besitzen die verbundenen Gegenstände nach den Ansprüchen 7 und 8 ebenso Vorteile der Kostenreduzierung, hohen Haftfestigkeit und hohen Maß genauigkeit, weil sie das oben beschriebene keramische Element zum Verbinden aufweisen.
Außerdem haben der Vakuumschalter nach Anspruch 9 gemäß der Erfindung und der Vakuumbehälter nach Anspruch 10 gemäß der Erfindung ebenso Vorteile der Kostenreduzierung, hohen Haftfestigkeit und hohen Maßgenauigkeit, weil sie einen verbundenen Gegenstand mit dem oben beschriebenen keramischen Element zum Verbinden enthalten.

Claims

Keramisches Element zum Verbinden, das umfasst: einen keramischen Träger, der gesinterte Keramik ist; und eine Metallschicht, die durch Metallisieren auf dem keramischen Träger ausgebildet wird, wobei die Metallschicht 70 bis 85 Gew.-% wenigstens Wolfram oder Molybdän und 0,5 bis 8,5 Gew.-% Nickel umfasst und wobei die Metallschicht wenigstens 1 bis 3 Gew.-% Mangan oder 0,05 bis 2,5 Gew.-% Titan umfasst.
Keramisches Element zum Verbinden nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht des Weiteren 8 bis 20 Gew.-% SiO₂ umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines keramisches Elementes zum Verbinden nach Anspruch 1, das umfasst: Mischen eines Gemischs, das Nickelteilchen und wenigstens Wolframteilchen oder Molybdänteilchen umfasst, mit einem organischen Bindemittel, um eine Paste herzustellen, wobei die Paste des Weiteren wenigstens 5 bis 10 Gew.-% Manganteilchen oder 0,5 bis 2 Gew.-% wenigstens Titanteilchen oder TiH₂-Teilchen umfasst; Auftragen der Paste auf einen keramischen Träger, der gesinterte Keramik ist, um eine Schicht auszubilden; und Brennen der Schicht, um die Metallschicht auszubilden.
Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elementes zum Verbinden nach Anspruch 3, wobei das Gemisch 1 bis 10 Gew.-% Nickel und 70 bis 97 Gew.-% wenigstens Wolframteilchen oder Molybdänteilchen umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elementes zum Verbinden nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Paste des Weiteren 2 bis 15 Gew.-% SiO₂-Teilchen umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines keramischen Elementes zum Verbinden nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Brennen bei einer Temperatur zwischen 1080°C und 1250°C ausgeführt wird.
Verbundener Gegenstand, der ein keramisches Element zum Verbinden nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und ein Metallelement umfasst, das mit dem keramischen Element über die Metallschicht des keramischen Elementes verbunden ist.
Verbundener Gegenstand, der ein keramisches Element zum Verbinden nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und ein weiteres keramisches Element zum Verbinden umfasst, das mit dem keramischen Element über die Metallschicht des keramischen Elementes verbunden ist.
Vakuumschalter, der einen verbundenen Gegenstand nach einem der Ansprüche 7 oder 8 umfasst.
Vakuumbehälter, der einen verbundenen Gegenstand nach einem der Ansprüche 7 oder 8 umfasst.