DE3514320A1

DE3514320A1 - Keramik/metall-verbundgebilde

Info

Publication number: DE3514320A1
Application number: DE19853514320
Authority: DE
Inventors: Noboru Nagoya Aichi Ishida; Masaya Ito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1985-11-21
Anticipated expiration: 2005-04-20
Also published as: DE3514320C2; JPS60226464A; US4723862A; JPH049753B2

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner

35U32Q

Patentanwälte

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NGK SPARK PLUG CO., LTD., Nagoya, Japan

Keramik/Metal1-Verbundgebilde

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Keramik/Metall-Verbundgebilde

Die Erfindung betrifft ein Keramik/Meta11-Verbundgebilde.

Das Verbinden von keramischen Materialien mit Metallen bereitet erhebliche Schwierigkeiten, da das große Mißverhältnis in der Wärmeausdehnung zwischen keramischen Materialien und Metallen für die Entwicklung von Restspannungen aus einer Wärmespannung verantwortlich ist. Diese Restspannungen führen häufig zu einer Fehlerbildung im keramischen Teil. Derzeit gibt es zwei Techniken zum Verbinden von keramischen Materialien mit Metallen, bei denen der keramische Teil nicht beschädigt wird. Eine Technik besteht in der Verwendung von Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Aluminiumoxid und Co-Ni-Fe-Legierungen, die andere besteht in der Einfügung eines Metalls mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des keramischen Materials.

Diese Maßnahmen eignen sich jedoch nicht bei keramisehen Materialien, wie Siliziumnitrid, mit kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wolfram ist eines der Metalle mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wegen seines hohen Preises und seiner Sprödigkeit sowie seiner leichten Oxidierbarkeit eignet sich Wolfram bei eine geringe Wärmeausdehnung aufweisenden keramischen

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Materialien, die in hoher Temperatur und konstanten Schwingungen hoher Größenordnung ausgesetzten Teilen rund um Brennkraftmaschinen zum Einsatz gelangen können, überhaupt nicht als Paßmetall oder Metalleinfügung. Es wäre folglich zweckmäßig, wenn man eine geringe Wärmeausdehnung aufweisende keramische Materialien direkt an Eisen- oder Aluminiumlegierungen binden könnte.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Verbinden von keramischen Materialien und Metallen wird ein Gemisch aus einem keramischen Material und Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sich schrittweise ändert, auf thermische Weise auf die Paßfläche des keramischen Materials aufgesprüht und diese dann durch Reibung, Druck oder in sonstiger geeigneter Weise an das Metall gebunden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht besonders wirksam, da es große Schwierigkeiten bereitet, einen auf thermischem Wege aufgesprühten überzug eines fortlaufenden Profils von Wärmeausdehnungsänderungen herzustellen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Keramik/-Metall-Verbundgebilde mit fester Haftung zwischen einem keramischen Material niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einem üblichen Metall, z.B. einer Eisen- oder Aluminiumlegierung, anzugeben.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Keramik/Metall-Verbundgebilde, bei dem ein keramischer Sinter an ein Metall angelötet ist.

Das Verbundgebilde ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den keramischen Sinter und das Metall eine dünne Lage aus einem gesinterten keramischen Material einer Stärke entsprechend 1,5 - 20% der Breite der einander entsprechenden Flächen bzw. Paßflächen eingefügt ist.

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispiel 1 hergestelltes und getestetes Verbundgebilde;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Schlagtests nach Izod;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispielen 2 und 3 hergestelltes und getestetes Verbundgebilde;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispiel 2 hergestelltes und getestetes Verbundgebilde

und

Fig. 5 und 6 Längsschnitte durch die obere Hälfte von Wellen, in denen ein erfindungsgemäßes Keramik/-Metall-Verbundgebilde zum Einsatz gelangt.

Erfindungsgemäß ist die Stärke oder Dicke der zwischen einen keramischen Sinter und ein Metall eingefügten dünnen Lage aus einem keramischen Material auf 1,5 - 20% der Breite der Keramiksinter- und Metallpaßflächen begrenzt. Wenn die Stärke oder Dicke der Lage unter 1,5% der Breite der Paßflächen liegt, ist die Lage schwach und reißanfällig. Ist dagegen die Dicke oder Stärke der Lage größer als 20% der Breite der Paßflächen, erhöht sich die Steifigkeit der Lage so stark, daß das Ergebnis im wesentlichen einer direkten Verbindung des keramischen Sinters mit dem Metall entspricht. In letzterem Falle bricht der keramische Sinter, selbst wenn er an das Metall angelötet ist, leicht infolge von sich aus der Wärmespannung nach dem Löten entwickelnden Rest-

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spannungen.

Zur Gewährleistung einer festen Haftung zwischen dem keramischen Material und dem Metall sollte die als Einfügung verwendete dünne Lage aus einem keramischen Material mindestens eines der folgenden Erfordernisse erfüllen:

1. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient sollte entweder mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters vergleichbar sein oder zwischen öen Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters und des Metalls liegen;

2. sie sollte einen Young-Modul aufweisen, der nicht größer ist als der Young-Modul des keramischen Sinters und

3. sie sollte eine Biege- oder Zugfestigkeit aufweisen, die mindestens 70% der Festigkeit des keramischen Sinters beträgt.

Diese Erfordernisse lassen sich ohne weiteres erfüllen, wenn die dünne Lage aus demselben Material besteht wie der keramische Sinter.

Die dünne Lage und der keramische Sinter können aus den verschiedensten keramischen Materialien, z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumcarbid oder Bornitrid oder einer Keramikmetallmischung, in welcher solche keramische Materialien und Metallphasen im Mikrostrukturmaßstab innig ineinander dispergiert sind, bestehen. Die mit erfindungsgemäßen Verbundgebilden erreichbaren Vorteile sind besonders ausgeprägt, wenn Siliziumnitrid und sonstige keramische Materialien mit

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geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Wie bereits erwähnt, besteht die als Einfügung dienende dünne Lage vorzugsweise aus demselben Material wie der keramische Sinter. Wenn also der keramische Sinter aus Siliziumnitrid besteht, sollte auch die als Einfügung dienende dünne Lage aus Siliziumnitrid bestehen.

Zur Gewährleistung einer noch festeren Haftung zwischen dem keramischen Sinter und dem Metall kann zwischen das Metall und die dünne Lage aus einem keramischen Material eine dünne Metallfolie eingefügt werden. Eine solche dünne Metallfolie kann auch zwischen den keramischen Sinter und die dünne keramische Lage eingefügt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Verbundgebildes gemäß der Erfindung liegen zwischen dem keramischen Sinter und dem Metall abwechselnd dünne Keramiklagen und dünne Metallfolien. Wie auch die als Einfügung dienende dünne keramische Lage, sollte die dünne Metallfolie vorzugsweise aus einem Material bestehen, das zur Entspannung sämtlicher gegebenenfalls aus einer Wärmespannung nach dem Löten entwickelter Restspannungen fähig ist. Zu diesem Zweck geeignete Materialien sind Silber, Kupfer und sonstige Metalle geringen Young-Moduls in der Größenordnung bis zu 1,5 χ 10 kg/mm²

(14,7 χ 10⁴ MPa).

Der keramische Sinter, das Metall und etwaige sonstige Bestandteile eines Verbundgebildes gemäß der Erfindung können mit üblichen bekannten Lötfüllstoffen, z.B. solchen auf der Basis von metallischem Silber, Nickel, Kupfer und Aluminium oder von Legierungen gebunden werden. Der keramische Sinter kann nach einer Metallisierung der Paßflächen des keramischen Sinters und der als Einfügung dienenden dünnen keramischen Lage mit dem durch kräftiges Erwärmen im Vakuum gebildeten Metall-

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dampf an das Metall angelötet werden. Andererseits können die Paßflächen durch Erwärmen eines Gemischs eines aktiven Metalls, wie Titan oder Zirkonium, und eines weiteren Metalls, wie Silber, Kupfer oder Nickel, in nicht-oxidierender Atmosphäre metallisiert oder aneinandergelötet werden.

Erfindungsgexnäß läßt sich ein keramischer Sinter ohne Schwierigkeiten durch bloßes Löten mit einem gewünschten Metall verbinden. Das erfindungsgemäß erhaltene Verbundgebilde erfordert lediglich neben den miteinander zu verbindenden Komponenten eine als Einfügung dienende dünne keramische Lage. Man benötigt keine Metalleinfügung eines Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des keramischen Sinters. Auch ist es nicht erforderlich, ein Paßmetall eines Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem des keramischen Sinters aufzuwählen. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verbundgebildes beruht darauf, daß sogar keramische Sinter aus Materialien niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten leicht und fest ohne Mitverwendung von teurem Wolfram als Einfügung an das Paßmetall gebunden werden können. Die erfindungsgemäß als Einfügung dienende dünne Lage besteht aus einem keramischen Material und nicht aus einem spröden und leicht oxidierbaren Metall, wie Wolfram. Folglich eignen sich erfindungsgemäß erhältliche Keramik/Metall-Verbundgebilde zur Verwendung in Bestandteilen in Brennkraftmaschinen, die erhöhten Temperaturen und starken Vibrationen ausgesetzt sind, z.B. als Teile von Gasturbinen und Wellenverbindungen in Turboladern.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher veranschaulichen .
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-S-

Ao

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Beispiel

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist mit Hilfe eines Lötfüllstoffs 4 ein Keramiksinter 1 zusammen mit einer dünnen keramischen Einfügung 3 an ein Metall 2 gebunden. Durch Ändern entweder der Stärke der keramischen Einfügung oder des Sinterverfahrens zur Herstellung derselben werden fünf verschiedene Verbundgebilde 5 hergestellt.

Der Keramiksinter 1 besteht aus einem Stab eines Durchmessers von 15 mm und einer Länge von 40 mm, der durch Sintern eines Preßlings aus 86%igem Si₃N₄ bei Atmosphärendruck hergestellt wurde. Das Metall 2 besteht aus einem Kovar-Stab (Stab aus einer Co-Ni-Fe-Legierung) derselben Abmessungen (Durchmesser: 15 mm; Länge: 40 mm). Die keramische Einfügung 3 besteht aus Si-N. und wurde entweder durch NormalSinterung oder HIP-Sinterung in den sich aus Tabelle I ergebenden vier Größen hergestellt.

	TABELLE I	Durchmesser (in mm) χ Stärke (in mm)	χ 0,2
Einfügung	Sinterverfahren	15	χ 0,5
(a)	normal	15	χ 2,0
(b)	normal	15	χ 4,0
(C)	normal	15	χ 0,5
(d)	normal	15
(e)	HIP

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Zur Vorbereitung des Lötvorgangs werden die drei Paßflachen, d.h. die Unterseite des Keramiksinters 1 und beide Oberflächen der keramischen Einfügung 3, nach und nach mit den Dämpfen von Zirkonoxidpulver (0,2 μπι) , Chrompulver (0,2 μπι) und Silberpulver (5,0 μπι) metallisiert. Beim nachfolgenden Löten mit einem reinen Silberfüller 4 in einem Wasserstoffofen bei 1000⁰C werden unter Verwendung der keramischen Einfügungen (a) bis (e) fünf Verbundgebilde A bis E hergestellt.

Durch direktes Verlöten eines Keramiksinters 1 mit einem Metall 2 wird ein Vergleichsverbundgebilde F hergestellt. Die beiden Komponenten bestehen aus denselben Materialien mit denselben Abmessungen, wie sie bei der Herstellung der Prüflinge A bis E verwendet wurden. Wiederum wird die Paßfläche des Keramiksinters 1 durch aufeinanderfolgende Ablagerung der Dämpfe von Zirkoniumpulver (0,2 um) , Chrompulver (0,2 μπι) und Silberpulver (5,0 μπι) metallisiert. Danach wird der Keramiksinter mittels eines reinen Silberfüllers in einem Wasserstoffofen bei 1000°C an das Metall gelötet.

Schließlich werden die Prüflinge A bis F einem Schlagzähigkeitstest nach Izod unterworfen, um ihre Bindefestigkeit an der Stoßstelle zu ermitteln. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird dieser Test in der Weise durchgeführt, daß ein Anschlag an einem Punkt P 10 mm oberhalb der Paßfläche des Keramiksinters 1 bei mittels einer Klemme fixiertem Metall 2 erfolgt. Die Testergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle II.

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TABELLE II

Verbund- keramische Schlagzähig- brechender Teil gebilde Einfügung keit nach

Izod kg·cm

A	(a)	4,4	keramischer Sin ter oder Einfügung
B*	(b)	12,8	keramischer Sinter oder Einfügung
C*	(C)	8,6	keramische Einfü gung
D	(d)	5,1	keramische Einfü gung
E*	(e)	14,1	keramischer Sinter oder Einfügung
F		5,3	keramischer Sinter

Sämtliche Schlagzähigkeitswerte nach Izod sind Durchschnittswerte von drei Prüflingen pro Verbundgebilde. Die Prüflinge mit den Sternchen stellen erfindungsgemäße Verbundgebilde dar.

Der Prüfling A enthält eine keramische Einfügung 3, deren Stärke lediglich 1,33% seines Durchmessers beträgt. Die Schlagzähigkeit dieses Prüflings beträgt lediglich 4,4 kg«cm und ist damit noch niedriger als die Schlagzähigkeit des Vergleichsprüflings F ohne keramische Einfügung. Der Prüfling B enthält eine keramische Einfügung, deren Stärke 3,3% seines Durchmessers ausmacht. Die Schlagzähigkeit nach Izod des Prüflings B beträgt

12,8 kg'cm. Eine zu dünne keramische Einfügung kann die Restspannungen, die aus einer Wärmespannung nach dem Löten herrührt, nicht entspannen. Die Stärke der keramischen Einfügung muß mindestens 1,5% des Prüflingsdurchmessers bzw. der Breite der Paßflächen betragen.

Der Prüfling D mit einer 4 mm dicken keramischen Einfügung besitzt ebenfalls nur einen niedrigen Schlagzähigkeitswert nach Izod (5,1 kg·cm) und ist damit ebenfalls schwächer als der Vergleichsprüfling F. Andererseits besitzt der Prüfling C mit einer 2 mm dicken keramischen Einfügung einen Schlagzähigkeitswert nach Izod von 8,6 kg«cm. Daraus geht hervor, daß auch eine zu dicke keramische Einfügung keine ausreichende Bindefestigkeit zu gewährleisten vermag. Demzufolge sollte also die Stärke der Einfügung nicht mehr als 20% der Breite der Paßfläche betragen. Eine übermäßig dicke keramische Einfügung ist so starr, daß das Verbundgebilde praktisch einem durch direkte Verbindung des Keramiksinters mit dem Metall erhaltenen Verbundgebilde entspricht. Der Keramiksinter ist in diesem Falle rißanfällig, was auf die Restspannungen aus einem Wärmeausdehnungsmißverhältnis nach dem Löten zurückzuführen ist.

Von den sechs getesteten Prüflingen besitzt der Prüfling E die höchste Schlagzähigkeit nach Izod, nämlich 14,1 kg«cm. Die bei diesem Prüfling verwendete keramische Einfügung besitzt dieselben Abmessungen wie sie auch die beim Prüfling B verwendete Einfügung aufweist, erst,ere wurde jedoch durch HIP-Sinterung, letztere dagegen durch normale Sinterung hergestellt. Von den beiden Sinterverfahren liefert das HIP-Verfahren eine größere Biegefestigkeit. Folglich sollte man bei der Herstellung eines Verbundgebildes größerer Bindefestig-

keit eine stärkere keramische Einfügung verwenden. Beispiel 2

Es werden zwei verschiedene Verbundgebilde hergestellt. Eines derselben - in Fig. 3 mit 16 bezeichnet - besteht aus einem keramischen Sinter 11 und einem Metall 12, die zusammen mit einer dünnen keramischen Einfügung 13 und einer dünnen Metalleinfügung 14 mittels eines Lötfüllstoffs 15 miteinander verbunden sind. Das andere in Fig. 4 mit 27 bezeichnet - besteht aus einem keramischen Sinter 21 und einem Metall 22, die unter Verwendung eines Lötfüllstoffs 26 zusammen mit einer zwisehen zwei dünnen Metalleinfügungen 24 und 25 befindlichen dünnen keramischen Einfügung 23 miteinander verbunden sind.

Die beiden keramischen Sinter 11 und 21 bestehen aus Stäben eines Durchmessers von 15 mm und einer Länge von 40 mm, die durch normale Sinterung aus einem keramischen Pulver (86% Si-N.) hergestellt wurden. Die beiden Metalle 12 und 22 bestehen aus Kohlenstoffstahl-(JIS-S 45C)-Stäben der angegebenen Abmessungen. Aus den in der folgenden Tabelle III angegebenen Materialien werden vier als Einfügungen dienende Lagen der ebenfalls in der Tabelle angegebenen Abmessungen hergestellt und bei der Herstellung der Verbundgebilde 16 bzw. 27 zum Einsatz gebracht.
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	TABELLE III	Durchmesser (mm) χ Stärke (mm)
Einfügung	Material	15 χ 0,5
(b)*	Si₃N₄ (normale Sinterung)	15 χ 0,5
(f)	Al₂O₃	15 χ 0,3
(g)	Cu	15 χ 0,5
(h)	Keramikmetallmischung (TiC-Ni)

*entspricht (b) gemäß Beispiel 1. 15

Die vier als Einfügung dienende Lagen (b), (f), (g) und

(h) werden zur Herstellung von vier Verbundgebilden G bis J in einem Wasserstoffofen (900°C) durch Verbinden mit Hilfe eines Lötfüllstoffs 15 bzw. 26 aus einem eutektischen Gemisch aus 72% Ag und 28% Cu in verschiedener Weise miteinander kombiniert. Wie in Beispiel 1 beschrieben, werden die Paßflächen von (b) und (f) bzw. die Unterseite des keramischen Sinters 11 (oder 21) durch schrittweises Bedampfen mit den Dämpfen eines Zirkonpulvers (0,2 μΐη) , Chrompulvers (0,2 μπι) und Silberpulvers (5,0 μπι) vor dem Lötvorgang metallisiert. Die Lage aus der Keramikmetallmischung (h) besteht aus Titancarbid und Nickel.

Die Verbundgebilde G und H entsprechen dem Verbundgebilde 16 (vgl. Fig. 3) mit zwei Einfügungen 13 und 14. Beim Verbundgebilde G besteht die Einfügung 13 aus der Lage (b), die Einfügung 14 aus der Lage (g) . Beim Verbundgebilde H besteht die Einfügung 13 aus der Lage (f), die

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Einfügung 14 aus der Lage (g). Die Verbundgebilde I und J entsprechen dem Verbundgebilde 27 (vgl. Fig. 4) mit drei Einfügungen. Beim Verbundgebilde I bestehen die Einfügungen 24 und 25 aus der Lage (g), die Einfügung 23 aus der Lage (b). Beim Verbundgebilde J bestehen die Einfügungen 24 und 25 aus der Lage (g), die Einfügung 23 aus der Lage (h). Wie in Beispiel 1 wird in entsprechender Weise ein Vergleichsverbundgebilde K hergestellt, bei dem jedoch der keramische Sinter 11 (bzw. 21) direkt an das Metall 12 (bzw. 22) gebunden ist.

Die erhaltenen Verbundgebilde G bis K werden entsprechend Beispiel 1 im Rahmen des Schlagzähigkeitstests nach Izod auf ihre Bindefestigkeit hin untersucht. Die 5 hierbei erhaltenen Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle IV.

TABELLE IV

Verbundgebilde Schlagzähigkeit brechender Teil

nach Izod kg·cm

G 13,9 Keramiksinter oder

Si-jN.-Einfügung

H 3,7 Al₂O₃-Einfügung

I 14,7 Si₃N₄-Einfügung

J 11,9 Keramiksinter

K 0 Lötfüllstoff 30

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Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt folgendes:

Vergleicht man die Verbundgebilde B und G, so zeigt es sich, daß man im Falle, daß das Material der keramisehen Einfügung dasselbe ist, eine größere Bindefestigkeit erreicht, wenn man die keramische Einfügung mit einer dünnen Metalleinfügung kombiniert. Die Ergebnisse bei dem Verbundgebilde I zeigen die Wirksamkeit einer Erhöhung der Zahl der mit der keramischen Einfügung zu kombinierenden Metalleinfügungen.

Beim Verbundgebilde H wird eine Aluminiumoxideinfügung verwendet. Deren Biegefestigkeit beträgt nur etwa die Hälfte der Biegefestigkeit des Keramiksinters auf Si₃N₄-BaSiS, weswegen auch die Schlagzähigkeit nach Izod dieses Verbundgebildes lediglich 3,7 kg«cm beträgt. Wie bereits in Beispiel 1 ausgeführt, erreicht man bessere Ergebnisse bei Verwendung einer dünnen Keramikeinfügung größerer Biegefestigkeit. Vorzugsweise sollte die als Einfügung verwendete dünne Lage eine Biegefestigkeit von mindestens 70% der Biegefestigkeit des Keramiksinters aufweisen.

Die beim Verbundgebilde J verwendete Keramikeinfügung besteht aus einer Keramikmetallmischung, die durch Sintern eines Gemische aus Titancarbid und Nickel hergestellt wurde. Da dieses Verbundgebilde eine Schlagzähigkeit nach Izod von 11,9 kg»cm aufweist, kann die eine wesentliche Komponente erfindungsgemäßer Verbundgebilde bildende Keramikeinfügung auch aus einem Keramikmetallgemisch bestehen, bei dem keramische und metallische Phasen im Mikrostrukturmaßstab innig ineinander dispergiert sind.

Beispiel 3

Es wird ein Verbundgebilde entsprechend dem Verbundgebilde G von Beispiel 2 hergestellt. Hierbei bedient man sich praktisch desselben Herstellungsverfahrens mit Ausnahme des Lötens des Keramiksinters an eine keramische Einfügung.

Titan-, Silber- und Kupferpulver einer Teilchengröße bis zu 0,055 mm und einer Reinheit von&99% werden in Mengen von 5, 70 und 25 Gew.-% gründlich miteinander gemischt, worauf die erhaltene Mischung mit einer geeigneten Menge eines Bindemittels (Diethylenglykolbutylether) und 5 Gew.-% Ethylcellulose versetzt wird. Die einzelnen Bestandteile werden 1 h lang in einem Aluminiumoxidtopf unter Verwendung von Aceton als Lösungsmittel mit Hilfe von Aluminiumoxidkugeln naß gemischt. Der hierbei erhaltene Lötfüllstoff wird durch Siebdruck auf die Paßfläche des Keramiksinters aufgedruckt, wobei auf dieser ein FüllstoffÜberzug einer Stärke von nicht mehr als 100 μΐη gebildet wird.

Mit dem derart behandelten Keramiksinter wird eine Keramikeinfügung entsprechend der Lage (b) verbunden.

Nach Entfernen des Bindemittels bei einer Temperatur von 500°C wird das Ganze 3 min lang bei einem Druck in der Größenordnung von 133,3 χ 10 Pa (10 Torr) auf 93O°C erhitzt. Hierbei wird das Titan derartig aktiviert, daß die beiden Keramikteile miteinander verlötet werden. Die Metalleinfügung wird in der bei der Herstellung des Verbundgebildes G (in Beispiel 2) geschilderten Weise an den Stahl angelötet. Das erhaltene Verbundgebilde besitzt eine Schlagzähigkeit nach Izod von 13,4 kg·cm.

Die Ergebnisse zeigen, daß ein unter Verlöten des Keramiksinters an die Keramikeinf(igung durch Metallaktivierung, bei der praktisch keine Oberflächenpräparation erfolgt, erhaltenes Verbundgebilde eine Bindefestigkeit aufweist, die mit der Bindefestigkeit eines Verbundgebildes, das in üblicher bekannter Weise unter Metallisierung der Paßflächen der Keramikteile durch Bedampfen mit Zirkonoxid, Chrom oder Silber hergestellt wurde, vergleichbar ist.

Die bei der Herstellung der Verbundgebilde gemäß Beispielen 1 bis 3 verwendeten Keramiksinter bestehen aus Siliziumnitrid. Gleich gute Ergebnisse erzielt man jedoch bei Verwendung von Sintern aus üblichen keramischen Materialien, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, SiIiziumcarbid und Bornitrid.

Die mit der Keramikeinfügung in Beispiel 2 kombinierte Metalleinfügung besteht aus Kupfer. Diese Metalleinfügung kann auch aus einem anderen Metall mit niedrigem Young-Modul, z.B. Silber, bestehen. Der Zweck der Verwendung von Materialien niedrigen Young-Moduls besteht darin, die möglicherweise nach dem Lötvorgang aus einer Wärmespannung entstehende Restspannung zu vermindern. Dasselbe gilt auch für das Material für die Keramikeinfügung.

Folglich sollte die Keramikeinfügung vorzugsweise einen Young-Modul gleich dem oder geringer als der Young-Modul des Keramiksinters aufweisen. Um die mögliche Wärmespannung auf ein Mindestmaß zu senken, sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient der Keramikeinfügung vorzugsweise gleich dem oder geringfügig höher als der Wärmeausdehnungskoeffizent des Keramiksinters sein. Den Wärmeausdehnungskoeffizienten der keramischen Einfügung kann man je nach dem verwendeten Keramikmaterial durch

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Einarbeiten eines geeigneten Zusatzes modifizieren. So kann man beispielsweise durch Zusatz von Aluminiumoxid den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid modifizieren. Zur Modifizierung des Young-Moduls der Keramikeinfügung kann man das Porenvolumen des keramischen Materials durch geeignete überwachung des Sintervorgangs steuern.

Wie bereits erwähnt, wird mit zunehmender Biegefestigkeit der Keramikeinfügung die Bindefestigkeit des Verbundgebildes höher. Dies erreicht man bei Verwendung eines Materials, das sich vom Material des Keramiksinters unterscheidet. Im Hinblick auf den Young-Modul und den Wärmeausdehnungskoeffizienten wird jedoch vorzugsweise für die Keramikeinfügung und den Keramiksinter dasselbe Material verwendet. Eine größere Biegefestigkeit erreicht man dann durch Anwendung einer unterschiedlichen Sintertechnik, beispielsweise des HIP-Verfahrens.
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Als Lötfüllstoffe kann man außer den in Beispielen 1 bis 3 verwendeten Lötfüllstoffen auch noch Füllstoffe auf Nickel-, Kupfer- und Aluminiumbasis verwenden.

Ein Verbundgebilde gemäß der Erfindung läßt sich, wie die Fig. 5 und 6 zeigen, bei einer Turbinenwelle verwenden. Die in Fig. 5 dargestellte Turbinenwelle besteht aus einer Keramikwelle 32 aus einem 86%igen Si₃N.-Sinter, die auf der Kompressorseite mit einer aus einem Chrommolybdänstahl (JIS-SCM 435) bestehenden Metallwelle 33 verbunden ist. Die beiden Wellen sind miteinander mit Hilfe eines Verbundgebildes, das - wie im Falle des Verbundgebildes G von Beispiel 2 - aus einer zwischen zwei dünnen Cu-Einfügungen 35 und 36 eingefügten Si^N.-Einfügung 34 besteht, verbunden.

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Die Turbinenwelle gemäß Fig. 6 entspricht der Turbinenwelle gemäß Fig. 5 mit der Ausnahme, daß sowohl in der Keramikwelle 32 als auch im Verbundgebilde ein Hohlteil 38 ausgespart ist. Der Zweck dieses Hohlteils ist ein dreifacher:

1. er vermindert das Gewicht der Turbinenwelle;

2. er gewährleistet eine erhöhte Wärmeisolierung und

3. er gewährleistet eine größere Wellenfestigkeit durch Verminderung der nach dem Lötvorgang auftretenden Restspannung.

Zusammenfassend ergibt sich, daß ein Verbundgebilde gemäß der Erfindung in höchst wirksamer Weise bei einer hohen Temperaturen und konstanten starken Schwingungen ausgesetzten Turbinenwelle Verwendung finden kann. Eine ein erfindungsgemäßes Verbundgebilde enthaltende Turbinenwelle zeichnet sich durch eine hohe Haltbarkeit aus, da die verwendete Stoßverbindung (in Form eines erfindungsgemäßen Verbundgebildes) eine hohe Festigkeit aufweist und gegen Bruch infolge Restspannungen ausreichend geschützt ist.

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Claims

•3-5Η320 PATENTANSPRÜCHE

1. Keramik/Metall-Verbundgebilde, bei welchem ein Keramiksinter an ein Metall angelötet ist, dadurch

,Q gekennzeichnet, daß zwischen den Keramiksinter und das Metall eine dünne Lage aus einem gesinterten keramischen Material einer Stärke entsprechend 1,5 - 20% der Breite der einander entsprechenden Flächen eingefügt ist.

2. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramiksinter und die dünne Lage aus demselben keramischen Material bestehen.

3. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.

4. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material der dünnen Lage aus einem Keramikmetallgemisch aus Titannitrid, Titancarbid und/oder Wolframcarbid (als keramisches Material) und Nickel, Kobalt,

Molybdän und/oder Titan (als Metall) besteht. 30

5. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, der entweder dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters ver-

35H320 gleichbar ist oder zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters und des Metalls liegt.

6. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage einen Young-Modul aufweist, der nicht größer ist als der Young-Modul des keramischen Sinters.
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7. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Lage eine Biege- oder Druckfestigkeit entsprechend mindestens 70% der Biege- oder Zugfestigkeit des keramischen Sinters aufweist.

8. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die dünne keramische Lage und das Metall eine dünne Metallfolie eingefügt ist.

9. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den keramischen Sinter und die dünne keramische Lage eine dünne Metallfolie eingefügt ist.

10. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Metallfolie aus einem Metall eines Young-Moduls von bis zu 1,5 χ 10⁴ kg/mm² (14,7 χ 10⁴ MPa) besteht.