DE2357231C2 - Verfahren zum Verbinden von magnetisch-keramischen und metallischen Bauteilen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von magnetisch-keramischen und metallischen Bauteilen

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteiles aus einem magnetisch-keramischen Material mit einem Bauteil aus einem nichtmagnetischen Metall durch Löten, bei welchem zunächst auf die gereinigte, zu verbindende Fläche des magnetisch-keramischen Bauteils eine dünne, mindestens ein Schwermetall enthaltende Metallverbindung mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, das durch die US-Patentschrift 35 05 041 bekannt ist, wird ein keramischer Körper, der aus einem Ferrit (MO · FejOj — wobei M ein ein- oder zweiwertiges Metall, wie Ni, Mn, Zn, Mg, Cu, Co usw. bedeutet) bestehen kann, durch Weichlöten mittels eines Zinn-/ Blei-Lotes mit einem Bauteil aus Metall verbunden. Dabei wird auf den magnetisch-keramischen Körper mittels Kathodenzerstäubung zunächst eir.e dünne Schicht aus Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni oder einer Legierung davon, sodann eine dünne Platinschicht und schließlich eine Goldschicht aufgebracht, die von dem Lot gut benetzbar ist
Es ist auch bekannt, ein keramisches Material mit einem Metall durch Hartlöten zu verbinden. Bei einem, durch die US-Patentschrift 33 71 406 bekannten Verfahren wird zunächst auf die Oberfläche des keramischen Materials ein Metall wie Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel durch Kathodenzerstäubung aufgebracht Diese aktive Metallschicht wird sodann mit einem Metall aus der Platingruppe überzogen, um das aktivere Metall vor Oxydation zu schützen und um das Hartlöten mit einem metallischen Bauteil zu ermöglichen. Zusätzlich kann auch eine Schicht aus rostfreiem Stahl durch Kathodenzerstäubung auf die Platinschicht aufgebracht werden.
Dem Herstellen einer hartgelöteten Verbindung eines magnetisch-keramischen Materials mit einem Metall steht die Schwierigkeit entgegen, daß bei dem mit dem Hartlöten verbundenen Erhitzungsprozeß die magnetischen Eigenschaften des keramischen Materials nicht verlorengehen dürfen. Eine weitere Schwierigkeit besieht darin, daß die bekannten Verbindungen zum Hartlöten ein keramisches Ferritmaterial nicht benetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bauteil aus keramischem Material, das magnetisch permeabel ist, mit einem anderen Bauteil aus Metall durch Hartlöten zu verbinden, derart, daß die Verbindung eine hohe Festigkeit aufweist und daß die magnetischen Eigenschaften des keramischen Materials nicht verändert werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Herstellung einer hartgelöteten Verbindung eine Chrom enthaltende Metallverbindung aufgesprüht wird, wobei die Metallverbindung wenigstens teilweise in einer Lötlegierung bei einer Löttemperatur zwischen 600° C und l000°C löslich ist, daß die zu verbindenden Flächen unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötlegierung zusammengefügt werden, und daß die zusammengefügten Teile in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 6000C und 1000° C für eine Zeitdauer von weniger als 5 Minuten erhitzt werden.
Die auf diese Weise hergestellte Verbindung ist stark genug, um den späteren Beanspruchungen, wie Schleifen, Läppen, Reinigen und Zusammenbauen standzuhalten. Tatsächlich können die auf diese Weise hergestellten Verbindungen einen Scherdruck von 40 bis 140At aushalten. Zusätzlich ist die auf diese Weise entstandene Verbindung genügend hitzebeständig, um ein Reinigen durch Erhitzen bei 6000C zu ermöglichen.
Da keramische Ferrite, wie bereits erwähnt, durch die bekannten Lötverbindungen nicht benetzt werden, wird die zu verbindende Oberfläche des magnetisch-keraTitschen Materials zunächst mit einer chromhaltigen Metallschicht überzogen. Diese Metallschicht ist so ausgewählt, daß sie mindestens teilweise in einer silberhaltigen Lötlegierung bei relativ niedrigen Löttemperaturen löslich ist Die Metallschicht hat eine höhere Schmelz- und Verdampfungstemperatur als die Lötlegierung. Die Lötlegierung ihrerseits ist so ausgewählt, daß das mit dem keramischen Ferrit zu verbindende metallische Bauteil ebenfalls wenigstens teilweise in dem Lötmittel löslich ist.
Die Metallisierung wird durch Kathodenzerstäubung einer dünnen chromhaltigen Metallschicht auf dem keramischen Substrat erreicht Dabei hat das aufzustäubende Metall einen höheren Schmelzpunkt als das Lötmittel. Durch höheren Gehalt an Chrom wird ein gutes Haften an dem keramischen Ferrit erreicht Dieser Chromgehalt und seine Affinität zu Sauerstoff bewirken, daß da* Haften mittels des Lötmittels geschwächt wird. £s werden deshalb Metalle wie rostfreier Stahl Nr. 304 (10 Gewichtsteile Nickel, 19 Gewichtsteile Chrom, 71 Gewichtsteile Eisen) bevorzugt
Durch das Verfahren der Kathodenzerstäubung gelangt das Chrom mit höherer Energie auf das keramische Material als bei den üblichen Verfahren wie Elektroplattieren oder Vakuumabsckeidung. Dadurch bildet das Metall an der Oberfläche des keramischen Materials eine starke oxidische Bindung und trägt auf diese Weise zur Festigkeit der anschließend hergestellten Lötverbindung bei.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht demnach darin, Jaß die auf das keramische Material aufgesprük'e Schicht in Gewichts· anteilen aus je 50 Teilen Chrom und Ticket, oder aus 10 Teilen Nickel, 19 Teilen Chrom und 71 Teilen Eisen oder anderen nichtrostenden Stählen gebildet wird.
In vorteilhafter Weise besteht die Lötlegierung in Gewichtsanteilen aus 95 Teilen Silber und 5 Teilen Aluminium oder aus 72 Teilen Silber und 28 Teilen Kupfer oder aus 71,5 Teilen Silber, 274 Teilen Kupfer und 1 Teil Nickel.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in vorteilhafter Weise so durchgeführt, daß die zusammengefügten Teile während etwa 30 Min. auf eine Temperatur von etwa 6000C vorgewärmt werden. Danach werden die zusammengefügten, vorgewärmten Teile vorzugsweise I oder 2 Min, jedoch nicht langer als 5 Min. auf 825° C erhitzt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, daß das keramisch-magnetische Material durch ein Nickel-Zink-Ferrit und das nichtmagnetische Metall durch Titan oder eine Titanlegierung gebildet wird, und daß das nichtmagnetische Metall im wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das keramische Material aufweist
Vorteilhaft ist es, daß die auf das magnetisch-keramische Material durch Kathodenzerstäubung aufgesprühte Schicht bis zu einer Dicke zwischen 0,25 μπι und ω 1,27 μπι aufgebracht wird.
Die Erfindung wird in Vorteilhafter Weise angewendet zur Verbindung des magnetisch-keramischen Teils eines Magnetkopfes mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem Metall.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.
Zunächst werden die zu verbindenden Seiten des
magnetisch-keramischen Bauteiles und des metallischen Bauteiles chemisch und durch Erhitzen gereinigt Danach wird eine Schicht eines Chrom enthaltenden Metalls durch Kathodenzerstäubung auf die zu verbindende Oberfläche des magnetisch-keramischen Materials aufgebracht Diese Schiebt wird mindestens 0,25 um und höchstens 1,27 μπι dick gemacht Eine dickere durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Schicht vergrößert die Festigkeit der Verbindung nicht mehr wesentlich, während die Auftragungszeit ver'ängert wird.
Das nunmehr metallisierte keramische Bauteil wird mechanisch, beispielsweise durch Zusammenklammern, mit dem metallischen Bauteil unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötverbindung, beispielsweise in Form einer Folie verbunden. Die zusammengefügten Teile werden in einer inerten Atmosphäre, z. B. bei einem Vakuum von 10~3 bis 10-6Torr, während etwa einer halben Stunde bei 600° C vorgewärmt und danach während 1 oder 2 Min, aber nicht mehr als 5 Min. auf eine Temperatur von ungefähr 825° C bis 840° C erhitzt Eine kritische Temperatur des Verfahrens ist dadurch gegeben, daß die Löttemperatur mindestens 600° C betragen muß, um späteres thermisches Reinigen zu ermöglichen und daß diese Temperatur nicht 10000C erreichen darf, um eine Beschädigung der magnetischen Eigenschaften des keramischen Bauteils zu vermeiden.
Das Verfahren ist dean besonders gut anwendbar, wenn das keramische Bauteil ein keramischer Ferrit beispielsweise ein Nickel-Zink-Ferrit ist, und wenn dzs metallische Bauteil aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, die im wesendichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Ferrit besitzt
Mit den beschriebenen typischen Verfahrensschritten können zahlreiche Parameter variiert werden. Zum Beispiel kann das keramische Bauteil mit je 50 Gewichtsprozent Nickel und Chrom, mit rostfreiem Stahl Nr. 304, der aus 10 Gewichtsteilen Nickel, 19 Gewichtsteilen Chrom und 71 Gewichtsteilen Eisen besteht, oder mit anderen rostfreien Stählen metallisiert werden. Nickel und/oder Eisenverbindungen, die Tantal, Molybdän oder Wolfram enthalten, sind mit den Chrom enthaltenden Legierungen als äquivalent anzusehen. Ein kritischer Punkt besteht jedoch darin, daß die Metallisierung des keramischen Materials unter Bedingungen stattfindet bei denen das keramische Material nicht mechanisch beschädigt wird und bei denen seine magnetischen Eigenschaften nicht verschlechtert werden. Die Silber enthaltende Lötlegierung kann z. B. aus 95 Gewichtsteilen Silbe; und 5 Gewichtsteilen Aluminium, oder aus 72 Gewichtsteilen Silber und 28 Gewichtsteilen Kupfer (eutektische Legierung), aus 71,5 Gewichtsteilen Silber, 27,5 Gewichtsteilen Kupfer und 1 Gewichtsteil Nickel oder aus anderen Silber enthaltenden Stoffen bestehen, die mit der relativ niedrigeren Hartlöttemperatur im Bereich von 6000C bis 9000C verträglich sind. Bei höheren Temperaturen werden die magnetischen Eigenschaften des keramischen Materials verschlechtert, während niedrigere Temperaturen das nachfolgende thermische Reinigen erschweren.
Das Metall, mit dem das keramische Ferrit-Material zu verbinden ist, kann beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung, oder aus rostfreiem Stahl bestehen. Das kritische Merkmal dieses Metalls besteht darin, daß es eine genügend hohe Schmelz- und Verdampfungstemperatur aufweisen muß, um die Lötverbindung in dem definierten Temperaturbereich des Hartlötens leicht anzunehmen. Selbstverständlich wird verlangt.
daß die verbleibenden inneren Spannungen gering sind, da eine mechanische Beanspruchung des keramischen Materials seine magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Dieses Metall sollte daher einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der demjenigen des keramischen Materials nahezu entspricht. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Titan ist nahezu derselbe wie derjenige von mehreren keramischen Ferriten.
Anstatt in einem e/akuierten Raum kann das Hartlöten auch in einer Argonatmosphäre oder in einer Atmosphäre eines anderen, gereinigten inerten Gases durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird eine Lötverbindung verwendet, die aus in Gewichtsteilen 71,5 Teilen Silber, 27,5 Teilen Kupfer und 1 Teil Nickel besteht und die auf eine durch Kathodenzerstäubung erhaltene Metallisierungsschicht von 10Teilen Nickel, 19Teilen Chrom und 71 Teilen Eisen aufgebracht wird.

Claims (8)

1 Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verbinden eines Bauteiles aus magnetisch-keramischem Material mit einem Bauteil aus einem nicht-magnetischen Metall durch s Löten, bei welchem zunächst auf die gereinigte, zu verbindende Fläche des magnetisch-keramischen Bauteils eine dünne, mindestens ein Schwermetall enthaltende Metallverbindung mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, dadurch gekenn- to zeichnet,
daß zur Herstellung einer hartgelöteten Verbindung eine Chrom enthaltende Metallverbindung aufgesprüht wird, wobei die Metallverbindung wenigstens teilweise in einer Lötlegierung bei einer Löttempe- is ratur zwischen 600° C und 10000C löslich ist,
daß die zu verbindenden Flächen unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötlegierung zusammengefügt werden, und
daß die zusammengefügten Teile in einer inerten Atmosph" '·*. auf eine Temperatur zwischen 600°C und !Q(KV ·_- für eine Zeitdauer von weniger als 5 Minuten erhitzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das magnetisch-keramische 2s Material aufgesprühte Schicht in Gewichtsanteilen aus je 50 Teilen Chrom und Nickel oder aus 10 Teilen Nickel, 19 Teilen Chrom und 71 Teilen Eisen oder anderen nichtrostenden Stählen gebildet wird
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötlegierung in Gewichtsanteilen aus 95 Teilen Silber und 5 Teilen Aluminium, oder aus 72 Teilen Silber und 28 Teilen Kupfer, oder aus 71,5 Teilen Silber, 27,5 Teilen Kupfer und 1 Teil Nickel gebildet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Teile während 30 Minuten auf eine Temperatur von 600°C vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten, vorgewärmten Teile vorzugsweise 1 oder 2 Min, jedoch nicht länger als 5 Min auf 825°C erhitzt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das keramisch-magnetische Material durch ein Nickel-Zink-Ferrit und das nichtmagnetische Metall durch Titan oder eine Titanlegierung gebildet wird und daß das nichtmagnetische Metall im wesentlichen denselben thermi- so sehen Ausdehnungskoeffizienten wie das keramischmagnetische Material aufweist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das magnetisch-keramische Material durch Kathodenzerstäubung aufgesprühte Schicht bis zu einer Dicke zwischen 0,25 μπι und 1.27 μηι aufgebracht wird.
8. Verwendung des nach den Ansprüchen I bis 7, hergestellten Materials zur Verbindung des magnetisch-keramischen Teils eines Magnetkopfes mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem Metall.
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