DE3419125A1

DE3419125A1 - Verfahren zum anloeten einer metallelektrode an einem elektrisch leitenden siliziumkarbid-keramikelement und nach dem verfahren hergestelltes siliziumkarbid-keramikelement

Info

Publication number: DE3419125A1
Application number: DE19843419125
Authority: DE
Inventors: Ove Steen Soenderborg Boe; Peter Johan Mads Nordborg Clausen; Joergen Hartvig Nordborg Petersen; Hilmar Oerum Rasmussen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1985-11-28
Also published as: GB2159082A; SE8502271D0; JPS6110084A; GB2159082B; FR2564827A1; US4749845A; SE8502271L; GB8512845D0; DK219185D0; DK219185A; US4687893A

Description

elektrisch leitenden Siliziumkarbid-Keramikelement und nach dem Verfahren hergestelltes Siliziumkarbid-

Keramikelernent

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anlöten einer Metallelektrode an einem elektrisch leitenden Siliziumkarbid-Keramikelement, insbesondere Heizelement, mittels Silizium, das durch einen Heizvorgang verflüssigt wird, sowie auf ein nach diesem Verfahren hergestelltes Siliziumkarbid-Keramikelement mit durch Silizium angelöteter Metallelektrode.

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Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 32 43 397.2 ist ein Brennstoffaufbereitungselement bekannt, dessen Aufbereitungskammer wenigstens teilweise aus einem Keramikrohr besteht, das gleichzeitig als Heizelement dient. Zu diesem Zweck sind zum Anschluß der Zuleitungen zwei ringförmige Metallelektroden vorgesehen, die aus einem Material bestehen, das annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Siliziumkarbid hat, also beispielsweise aus Wolfram oder Molybdän. Diese ringförmigen Metallelektroden sind entweder auf dem Umfang des Rohres oder auf der Stirnseite eines vom Rohr getragenen Siliziumkarbid-Ringflansches mittels Silizium angelötet.

Durch die Verwendung des Silizium als Lötmittel ergibt sich eine gute elektrische Verbindung zwischen der Metallelektrode und dem Siliziumkarbid-Keramikelement mit einem sehr kleinen Übergangswiderstand. Es können daher auch größere elektrische Leistungen übertragen werden, wie sie bei Heizelementen erforderlich sind. Durch die Angleichung der beiderseitigen Wärmeausdehnungskoeffizienten werden mechanische Belastungen aufgrund von Temperaturänderungen vermieden. 10

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lötverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem die Lebensdauer der Elektrodenanordnung erhöht wird und zwar auch wenn sie im Betrieb einer hohen Temperaturbeanspruchung unterliegt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine nur partielle Beheizung des Keramikelements erfolgt, die kurz nach dem Schmelzen des Silizium beendet wird.

Flüssiges Silizium reagiert mit dem Metall der Elektrode sehr intensiv unter der Bildung von Metallsiliciden. Dieses Material ist spröde und vermag die Haltbarkeit der Lötverbindung zu beeinträchtigen. Gemäß der Erfindung können sich jedoch nur wenig Metallsilicide bilden, da reaktionsfreudiges flüssiges Silizium nur während einer kleinen Zeitspanne vorhanden ist. Denn die Beheizung wird schon kurz nach dem Schmelzen des Silizium wieder beendet. Und da nur eine partielle Beheizung erfolgte, kann sich der beheizte Bereich durch Wärmeabfuhr in den unbeheizten Bereich rasch abkühlen, so daß der Schmelzpunkt des Siliziums sehr schnell wieder unterschritten ist.

Die partielle Beheizung muß so lange andauern, daß ein ausreichender Teil der Kontaktierungsfläche zwi-

sehen Metallelektrode und Keramikelement, vorzugsweise die gesamte Kontaktierungsflache, vom flüssigen Silizium benetzt worden ist. Je größer die vom flüssigen Silizium bedeckte Fläche der Metallelektrode, umso günstiger ist es, weil das Silizium gleichzeitig eine Korrosionsschutzschicht bildet. Es ist aber anzustreben, daß das Silizium nicht sehr viel langer flüssig gehalten wird, als es für den Verteilungsvorgang erforderlich ist. Empfehlenswert sind Heizzeiten von wenigen Sekunden, vorzugsweise unter 10 oder gar unter 5 Sekunden.

Besonders günstig ist es, wenn die partielle Beheizung mittels Hochfrequenz erfolgt. Hierdurch läßt sich die Beheizung gut auf den gewünschten Bereich konzentrieren, ohne daß das übrige Keramikelement hierdurch beeinträchtigt wird.

Wenn die Metallelektrode an einem Siliziumkarbid-Ringflansch eines rohr- oder stabförmigen Siliziumkarbid-Keramikelements angelötet wird, sollte die Beheizung auf den Bereich des Ringflansches beschränkt werden. So kann zur Beheizung um den Ringflansch eine Hochfrequenzspule angeordnet werden, deren axiale Länge annähernd derjenigen des Ringflansches entspricht.

Empfehlenswert ist es auch, daß das Silizium vor dem Heizvorgang in den Bereich der Lötstelle gebracht wird. Die Heizzeit wird besonders kurz und läßt sich sehr genau einstellen.

Das Silizium kann als Pulver oder als Paste, also mit Wasser, Wachs und/oder einem anderen Mittel versetztes Pulver, zugeführt werden. Damit das Silizium beim Heizvorgang nicht weggeblasen oder auf andere Weise entfernt wird, darf die Heizvorrichtung keine größeren

Kräfte auf das Silizium ausüben. Sie muß also entweder mit ruhender Atmosphäre arbeiten, wie bei der Hochfrequenz-Beheizung, oder es muß eine das aufgebrachte

Silizium schützende Wand vorgesehen werden. 5

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dafür gesorgt, daß im Keramikteil ein Loch vorgesehen wird, in das die Elektrode eingeführt wird, daß im Bereich des Elektrodenaustritts auf die Keramikteil-Oberfläche Silizium aufgebracht wird und daß danach die Beheizung derart erfolgt, daß das geschmolzene Silizium in den Spalt zwischen Loch und Elektrode eindringt. Der Spalt füllt sich sehr rasch mit flüssigem Silizium. Dies gilt auch bei einem engen Spalt, weil die Kapillarwirkung den Transport fördert. Infolgedessen ist die Elektrode wenigstens über den im Loch befindlichen Teil, in den meisten Fällen aber auch noch darüber hinaus mit einer Siliziumschicht umgeben, die eine Korrosion der Elektrode während des Betriebes verhin-

Der aus dem Loch herausragende Teil der Elektrode kann zumindest teilweise mit einer korrosionsbeständigen Schutzhülse abgedeckt werden. Hierdurch wird auch der noch freie Teil der Elektrode gegen Korrosion geschützt.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Lötung unter Schutzgas. Durch das Fernhalten des Sauerstoffs während des Lötvorganges werden alle Oxidationsvorgänge verhindert, so daß sich eine noch bessere Lötverbindung ergibt. Als Schutzgas eignet sich Stickstoff, Wasserstoff, Argon u.dgl.

³^ Ein nach dem Verfahren hergestelltes Siliziumkarbid-Keramikelement ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeich-

net, daß die Metallelektrode zumindest über den größten Teil ihrer außerhalb der Lötstelle befindlichen Oberfläche mit einer korrosionsbeständigen Schutzabdeckung versehen ist. Auf diese Weise ist die Metallelektrode im Bereich der Lötstelle durch die Siliziumschicht und außerhalb davon durch die Schutzabdeckung gegen eine Korrosion, wie sie unter der Einwirkung von Luftsauerstoff bei hohen Betriebstemperaturen auftritt, geschützt.
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Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Elektrode stiftförmig ausgebildet, in ein Loch des Keramikelements eingesetzt und dort mittels Silizium festgelötet ist und daß der herausragende Elektrodenteil mit einer Schutzhülse abgedeckt ist. Innerhalb des Lochs ist daher der Korrosionsschutz durch die Siliziumschicht und außerhalb des Lochs durch die Schutzhülse gegeben.

Der zwischen Keramikelement und Schutzhülse freiliegende Oberflächenabschnitt der Elektrode sollte mit einer Silizium-Schutzschicht versehen sein. Diese läßt sich sehr einfach dadurch erzeugen, daß das Silizium vor dem Löten am Locheingang auf das Keramikelement aufgebracht wird.
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Die Schutzhülse besteht zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl. Sie kann insbesondere mittels Hartlot befestigt sein. Dies ergibt eine einfache und billige Ausführung .
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In weiterer Ausgestaltung kann die Schutzabdeckung axial über die Elektrode überstehen und die Zuleitung aufnehmen. Durch diese Doppelfunktion der Schutzabdeckung ergibt sich eine besonders einfache Anbringung der Zuleitung.

Die Zuleitung kann in der Schutzabdeckung ebenfalls mittels Hartlot befestigt werden. Statt des Hartlötens kommen aber auch andere Befestigungsmöglichkeiten, beispielsweise Schweißen, in Betracht. 5

Wenn vorstehend von Siliziumkarbid-Keramikelementen gesprochen wird, so werden hierunter auch solche Siliziumkarbid-Keramikelemente verstanden, die zusätzlich mit Silizium getränkt worden sind. Auch Dotierungen, die dem Keramikmaterial eine temperaturabhängige Widerstandscharakteristik geben, sollen nicht ausgeschlossen sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Siliziumkarbid-Keramikelement gemäß der Erfindung, 20

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch das Keramikelement unmittelbar vor dem Lötvorgang,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch den Lötbereich nach dem Lötvorgang und

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch den Lötbereich nach Aufbringen der Schutzhülse.

In Fig. 1 ist ein rohrförmiges Keramikelement 1 aus Siliziumkarbid veranschaulicht, das an beiden Enden mit je einem Ringflansch 2 und 3 versehen ist, der ebenfalls aus Siliziumkarbid besteht. Die Teile 1 bis 3 werden beispielsweise vor dem Sintern zusammengefügt und durch das Sintern vereinigt. Sie können auch nach dem Sintern zusammengefügt und dann unter Zusatz

von flüssigem Silizium miteinander vereinigt werden. Ein solches Rohr kann, insbesondere unter Einbeziehung noch weiterer Keramikabschnitte als Verdampfungsbrenner benutzt werden, wie es in der älteren Anmeldung P 32 43 397.2 erläutert ist.

Der Ringflansch 2 besitzt ein axiales Loch 4, in welchem eine stiftförmige Metallelektrode 5 befestigt ist. Der Ringflansch 3 besitzt ein axiales Loch 6, in welchem eine stiftförmige Metallelektrode 7 gehalten ist. Die Metallelektroden bestehen aus einem Metall mit etwa dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Siliziumkarbid, also beispielsweise Molybdän oder Wolfram. Beide Metallelektroden tragen außen je eine Schutzhülse 8 bzw. 9 aus rostfreiem Stahl, die auch zur Befestigung einer Zuleitung 10 bzw. dient.

Bei der Herstellung wird in der folgenden Weise vorgegangen: Gemäß Fig. 2 wird die stiftförmige Metallelektrode 7 in das Loch 6 gesteckt. Am Locheingang wird um die Elektrode herum eine Anhäufung 12 aus Silizium, sei es Pulver oder Paste, vorgesehen. Um den Ringflansch 3 wird eine Spule 13 angeordnet, die eine axiale Länge hat, welche annähernd derjenigen des Ringflansches 3 entspricht. Anschließend wird die Spule 13 mit hochfrequentem Strom beschickt, so daß der Bereich des Ringflansches auf eine Temperatur beheizt wird, bei der das Silizium in der Anhäufung schmilzt.

Das flüssige Silizium benetzt die Elektrode 7 im Bereich der Anhäufung 12 und dringt in den Spalt zwischen Elektrode 7 und Loch 6 ein, wobei die Kapillarwirkung unterstützend wirksam sein kann. Auf diese Weise ergibt sich die in Fig. 3 veranschaulichte Silizium-Schutzschicht 14, welche die Elektrode 7

im gesamten Lochbereich und etwas darüber hinaus umgibt. Der Spulenstrom wird abgeschaltet, kurz nachdem das Silizium flüssig geworden ist. Weil nur eine partielle Beheizung des Keramikelements erfolgt, findet eine sehr schnelle Abkühlung des Lötbereichs statt, so daß das Silizium rasch erstarrt. Da das Silizium nur im flüssigen Zustand mit dem Metall der Elektrode 7 reagiert, können sich nur wenige

störende Metallsilicide bilden.
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Damit auch der übrige Teil der Metallelektrode 7 gegen Korrosion geschützt ist, wird die Schutzhülse 9 aus rostfreiem Stahl aufgesetzt und beispielsweise mittels Hartlot befestigt. Sie ist hierbei so weit

¹^ über die Elektrode 7 geschoben, daß sie bis an den oberen Rand der Silizium-Schutzschicht 14 reicht oder diese sogar übergreift. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Metallelektrode 7 auch unter Hochtemperaturbedingungen, wie sie bei einem Verdampfungsbrenner auftreten, und unter dem Einfluß von Luftsauerstoff nicht korrodiert. Die Schutzhülse 9 besitzt eine Vertiefung 15, in welche eine Zuleitung 11 eingeschoben werden kann. Die Befestigung kann

beispielsweise ebenfalls durch Hartlot erfolgen. 25

Die so hergestellten Lötstellen eignen sich nicht nur für Heizelemente aus Siliziumkarbid sondern auch für andere Anwendungszwecke, beispielsweise als Zündelektroden oder Ionisations-Meßelektroden.
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- Leersei te -

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Anlöten einer Metallelektrode an einem elektrisch leitenden Siliziumkarbid-Keramikelement, insbesondere Heizelement, mittels Silizium, das durch einen Heizvorgang verflüssigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine nur partielle Beheizung des Keramikelements erfolgt, die kurz nach dem Schmelzen des Silizium beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die partielle Beheizung- mittels Hochfrequenz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Metallelektrode an einen Siliziumkarbid-Ringflansch eines rohr- oder stabförmigen Siliziumkarbid-Keramikelements angelötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung auf den Bereich des Ringflansches beschränkt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beheizung um den Ringflansch eine Hochfrequenzspule angeordnet wird, deren axiale Länge annähernd derjenigen des Ringflansches entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium vor dem Heizvorgang in den Bereich der Lötstelle gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium als Pulver zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium als Paste zugeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Keramikteil ein Loch vorgesehen wird, in das die Elektrode eingeführt wird, daß im Bereich des Elektrodenaustritts auf die Keramikteil-Oberfläche Silizium aufgebracht wird und daß danach die Beheizung derart erfolgt, daß das geschmolzene Silizium in den Spalt zwischen Loch und Elektrode eindringt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Loch herausragende Teil der Elektrode zumindest teilweise mit einer korrosionsbeständigen Schutzhülse abgedeckt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötung unter Schutzgas erfolgt.

11. Nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 10 hergestelltes Siliziumkarbid-Keramikelement mit durch Silizium angelöteter Metallelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode (5, 7)

zumindest über den größten Teil ihrer außerhalb der Lötstelle befindlichen Oberfläche mit einer korrosionsbeständigen Schutzabdeckung (8, 9) versehen ist.
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12. Keramikelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (5, 7) stiftförmig aus-

gebildet, in ein Loch (4, 6) des Keramikelements (2, 3) eingesetzt und dort mittels Silizium festgelötet ist und daß der herausragende Elektrodenteil mit einer Schutzhülse (8, 9) abgedeckt ist. 5

13. Keramikelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Keramikelement (2, 3) und Schutzhülse (8, 9) frei liegende Oberflächenabschnitt der Elektrode (5, 7) mit einer Silizium-Schutzschicht (14) versehen ist.

14. Keramikelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülse (8, 9) aus rostfreiem Stahl besteht.

15. Keramikelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülse (8, 9) mittels Hartlot befestigt ist.

16. Keramikelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung (8, 9) axial über die Elektrode (5, 7) übersteht und die Zuleitung (10, 11) aufnimmt.

17. Keramikelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (10, 11) der Schutzabdeckung (8, 9) mittels Hartlot befestigt ist.