NL9001662A

NL9001662A - Werkwijze voor het verbinden van een keramisch materiaal met een ander materiaal.

Info

Publication number: NL9001662A
Application number: NL9001662A
Authority: NL
Original assignee: Velterop F M Bv
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1992-02-17
Also published as: JPH04300265A; EP0467462A1; DE69104923D1; EP0467462B1; CA2047340A1; AU8112791A; US5139191A; DE69104923T2; AU641788B2; ATE113576T1

Description

Werkwijze voor het verbinden van een keramisch materiaal met een ander materiaal.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbinden van een keramisch materiaal met een ander materiaal.

Dergelijke werkwijzen voor het verbinden van een keramisch materiaal met in het bijzonder metalen zijn reeds bekend. Daarbij kan door aanpassing van de thermische uitzettingscoëffi-cient van het verbindingsmateriaal naar de samenstellende onderdelen naar keramiek en metaal een verbinding worden gerealiseerd met een bepaalde sterkte en thermische bestendigheid.

Als voorbeelden kunnen worden genoemd dicht A1203, dat eerst wordt voorzien van een metaallaagje van Mo-Mn. Hierdoor wordt een goede hechting verkregen aan het Al203. Vervolgens wordt het aldus gemetalliseerde laagje vernikkeld, waardoor naast een goede hechting bovendien een goede ductiliteit wordt bereikt.

Dan wordt het andere materiaal, gewoonlijk een metaal, waarmede het A1203 wordt verbonden, vernikkeld, waardoor een goede hechting en ductiliteit wordt verkregen.

De aldus vernikkelde onderdelen worden aan elkaar gesoldeerd onder vacuum met een geschikt soldeermateriaal. Het type soldeermateriaal dat wordt gebruikt, is afhankelijk van de beoogde toepassing.

Een alternatief is het zogenaamd actief solderen. Bekend is, dat het soldeer in het algemeen in gesmolten toestand het keramiek niet bevochtigt. Teneinde er voor te zorgen, dat het keramiek bevochtigbaar is wordt titaan bijgevoegd, waarna het keramiek zonder te metalliseren kan worden gesoldeerd aan bijvoorbeeld een metaal. Deze techniek wordt actief solderen genoemd. Als soldeermateriaal gebruikt men gewoonlijk een Ag/Cu mengsel 78/22% met een smeltpunt van 780eC.

Gebleken is echter, dat wanneer men in plaats van dicht A1203 een poreus A1203 neemt als keramisch materiaal en dit direct soldeert aan bijvoorbeeld roestvast staal zich problemen voordoen ter plaatse van de verbinding, waar het soldeer ingedrongen is in het poreuze keramiek.

Tengevolge van de intrinsieke slechte mechanische sterkte van het poreuze keramiek en de grote spanningen, die ontstaan op de scheidingslijn van ingedrongen soldeer en het poreuze keramiek kan men geen betrouwbare verbinding verkrijgen, immers door het verschil in de thermische uitzettingscoèfficient blijkt het poreuze keramiek telkens te breken precies op de scheidingslijn van het ingedrongen soldeer en het poreuze keramiek.

De uitvinding beoogt thans een werkwijze te verschaffen, waarbij een betrouwbare verbinding kan worden verkregen tussen een poreus keramisch materiaal en een ander materiaal, bijvoorbeeld roestvast staal, dat een veel hogere thermische uitzettingscoèfficient heeft.

Hiertoe heeft de onderhavige uitvinding het kenmerk, dat als keramisch materiaal poreus materiaal wordt gebruikt, dat voorafgaande aan het verbinden ervan vanaf het contactoppervlak gradueel wordt verdicht met de grootste dichtheid aan het contactoppervlak, waarbij op het contactoppervlak van het poreuze materiaal een mengsel van titaanhydride en kwartsmeel (Si02) wordt aangebracht, waarna het aldus behandelde poreuze keramische materiaal wordt verhit tot 1200-1800'C, gedurende 1-40 uur, waarna het aldus verdichte poreuze keramische materiaal op op zichzelf bekende wijze wordt verbonden met het andere materiaal.

Verrassenderwij ze is gebleken, dat door verdichting van het contactoppervlak van het poreuze keramische materiaal onder toepassing van een mengsel van titaanhydride en kwartsmeel door verhitting het mogelijk is gebleken op deze wijze een zeer betrouwbare verbinding tussen poreuze keramiek en andere materialen, zoals roestvast staal, te verkrijgen, welke verbinding gedurende geruime tijd intact blijft ondanks wisselende hoge temperatuursbelastingen.

Hierdoor opent de onderhavige uitvinding de mogelijkheid voor de toepassing van poreuze keramische materialen op een groot aantal gebieden, zoals filters, die gasdicht kunnen worden verbonden aan een roestvast stalen behuizing voor scheidingsproces-sen bij hoge temperatuur op industriële schaal.

Verder kunnen de volgens de uitvinding verdichte poreuze keramische materialen worden gebruikt in brandstofcellen, waarbij de verdichte poreuze keramische platen aan de zijden moeten worden afgedicht.

Een ander voorbeeld van toepassing van de volgens de uitvinding verdichte keramische poreuze materialen is in kataly- tische reactoren, waarbij bijvoorbeeld de poriën van het materiaal zijn voorzien van een katalysator.

Opgemerkt wordt, dat als poreus keramisch materiaal in het algemeen Al203 wordt gebruikt, maar er kan ook Zr203 of Sic worden toegepast als poreus keramisch materiaal.

Het andere materiaal waarmede het verdichte keramische poreuze materiaal wordt verbonden is in het algemeen roestvast staal, maar men kan ook met succes gebruik maken van andere metalen, bijvoorbeeld koper en aluminium, of een speciale legering zoals Vacon®, dan wel verdicht A1203 of een ander materiaal.

De rol van het mengsel van titaanhydride en Si02 bij de verdichting van het poreuze keramische materiaal is vermoedelijk als volgt.

Tijdens de verhitting vindt tussen titaanhydride en Si02 de volgende reactie plaats:

TiH2 + Si02 Ti + SiO + H20 TiH2 + SiO -» Ti + Si + H20 + 2TiH2 + Si02 -* 2Ti + Si + 2H20

Het hierbij gevormde metallisch titaan werkt als bevoch-tigingsmiddel.

Het gevormde SiO en elementaire Si blijken het smeltpunt van het A1203 te verlagen, waardoor daar waar het SiO en Si in aanraking komen met het aluminiumoxyde het keramisch materiaal gaat vervloeien en als gevolg daarvan verdichten. De aanwezigheid van metallische componenten blijkt het vervloeien te verdichten.

Hierdoor ontstaat een gradueel verdicht keramisch materiaal, dat door de aanwezigheid van titaan zelfs zonder soldeer-materiaal kan worden verbonden met bijvoorbeeld roestvast staal.

Gebleken is volgens de onderhavige uitvinding, dat een bijzonder goede verdichting wordt verkregen, wanneer het met titaanhydride en kwartsmeel behandelde poreuze keramische materiaal wordt verhit tot 1300-1500°C gedurende 10-20 uur.

Opgemerkt wordt, dat het op de vereiste temperatuur brengen van het keramische materiaal verkregen kan worden door het materiaal in een oven te verhitten. Het materiaal kan echter ook met behulp van een acetyleenbrander op de vereiste temperatuur worden gebracht.

In het algemeen bedraagt de gewichtsverhouding van TiH2 en Si02 in het mengsel, dat op het contactoppervlak van het poreuze keramische materiaal wordt aangebracht, 95:5 tot 5:95 en bij voorkeur 35:65 tot 65:35.

Met voordeel wordt aan het mengsel van TiH2 en Si02 een geschikt soldeermateriaal toegevoegd, het een en ander afhankelijk van het materiaal, waarmede het keramische materiaal dient te worden verbonden. Hierdoor wordt het met elkaar verbinden van de materialen bevorderd in die zin, dat een betere verdichting wordt bereikt.

Een geschikt soldeermateriaal is bijvoorbeeld Au-Cu-Ni-legering in het geval, dat men het keramische materiaal wil verbinden met roestvast staal, maar er kan ook Ag-Cu worden gebruikt.

Het verdient de voorkeur, wanneer aan het mengsel van titaanhydride en kwartsmeel een bindmiddel wordt toegevoegd. Dit bindmiddel dient in een zodanige hoeveelheid te worden gebruikt, dat het droge mengsel van titaanhydride en kwartsmeel de consistentie van een pasta krijgt. Een dergelijke pasta kan dan met behulp van een kwast, spatel of anderszins op het contactoppervlak van het poreuze keramische materiaal worden opgebracht zodanig, dat deze pasta aan het oppervlak blijft zitten.

Als bindmiddel gebruikt men gewoonlijk water, maar er kunnen ook andere stoffen worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld lijm of andere gebruikelijke bindmiddelen onder voorbehoud, dat deze restloos verdwijnen dan wel verbranden tijdens de verhitting.

In de praktijk wordt het gradueel verdichte poreuze keramische materiaal vaak met roestvast staal verbonden, bijvoorbeeld in het geval van filters, die na gasdicht te zijn verbonden aan een roestvast stalen behuizing, bijzonder geschikt zijn voor scheidingsprocessen bij hoge temperaturen op industriële schaal.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, die een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding weergeeft.

Fig. 1 toont een niet verdichte poreuze keramische buis en een roestvast stalen buis, waarmee het keramische materiaal wordt verbonden.

Fig. 2 toont een poreuze niet verdichte keramische buis, waarvan het contactoppervlak is voorzien van een waterige pasta van TiH2, sio2 en Au-Cu-Ni als soldeeermateriaal.

Fig. 3 toont de aan het contactoppervlak verdichte keramische buis.

Fig. 4 toont de met elkaar verbonden keramische buis en roestvast stalen buis.

In fig. 1 is een van een poreus keramisch materiaal vervaardigde buis 1 weergegeven, waarin de poriën 2 zichtbaar zijn. Het keramische materiaal is vervaardigd uit A1203. In plaats van A1203 kan men echter ook Zr203 of SiC nemen.

Het materiaal waarmee het keramische materiaal wordt verbonden is een roestvast stalen buis 3. In plaats van roestvast staal kan men ook andere metalen nemen, zoals bijvoorbeeld koper of aluminium, of een speciale legering, maar ook bijvoorbeeld dicht A1203.

In fig. 2 is de in de vorm van een pasta aangebrachte laag van TiH2, Si02 en Au-Cu-Ni als soldeermateriaal door het verwijzingscijfer 4 aangegeven. Deze laag is aangebracht in de vorm van een waterige pasta met behulp van een kwast, penseel of een spatel.

In fig. 3 is de verdichte laag 5 weergegeven, welke laag is verkregen door verhitting van het behandelde keramische materiaal volgens fig. 2. De graduele verdichting vanaf het contactoppervlak tot in het poreuze keramiek is duidelijk zichtbaar, waardoor de spanning van de verbinding wordt verdeeld over het verdichte deel van het poreuze keramische materiaal.

In fig. 4 is de verbinding 6 tussen de verdichte poreuze keramische buis 2 en de roestvast stalen buis 3 duidelijk zichtbaar. De verbinding tussen de verdichte poreuze keramische buis en de roestvast stalen buis kan ook indirect plaatsvinden door middel van een tussenring van bijvoorbeeld dicht A1203.

Wanneer bij het verbinden van beide buizen gebruik wordt gemaakt van een soldeermateriaal vindt er geen doordringing van soldeer in de poriën plaats en de spanning wordt over de gradueel verdichte bovenlaag verdeeld over enige tienden van millimeters. Omdat nu het verdichte materiaal veel sterker is dan het poreuze materiaal kan de nieuwe hechtingslaag de tengevolge van de temperatuurswisselingen optredende spanningen zonder problemen gedurende lange tijd verdragen. Van bijzonder voordeel is nog het feit, dat de nieuwe hechtingslaag titaan bevat, dat tevens als bevochtigingsmiddel dient bij het solderen.

Het zal duidelijk zijn, dat de onderhavige uitvinding niet beperkt is tot de in de tekening weergegeven uitvoeringsvorm. Zo kan bijvoorbeeld de verdichte laag van het poreuze keramische materiaal zich aan de buitenkant van de buis bevinden, in welk geval de verbinding van het verdichte keramische materiaal en het roestvast staal aan de binnenkant van de stalen buis plaatsvindt. De buizen kunnen ook kops aan elkaar verbonden worden. Voorts zal het duidelijk zijn, dat in plaats van buizen ook platen kunnen worden toegepast.

Claims

1. Werkwijze voor het verbinden van een keramisch materiaal met een ander materiaal, met het kenmerk, dat als keramisch materiaal poreus materiaal wordt gebruikt, dat voorafgaande aan het verbinden ervan vanaf het contactoppervlak gradueel wordt verdicht met de grootste dichtheid aan het contactoppervlak, waarbij op het contactoppervlak van het poreuze materiaal een mengsel van titaanhydride en kwartsmeel (Si02) wordt aangebracht, waarna het aldus behandelde poreuze keramische materiaal wordt verhit tot 1200-1800'C, gedurende 1-40 uur, waarna het aldus verdichte poreuze keramische materiaal op op zichzelf bekende wijze wordt verbonden met het andere materiaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het behandelde poreuze keramische materiaal wordt verhit tot 1300-1500°C, gedurende 10-20 uur.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de gewichtsverhouding van TiH2 en Si02 in het mengsel 95:5 tot 5:95 is.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de gewichtsverhouding TiH2 en Si02 35:65 tot 65:35 is.

5. Werkwijze volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat aan het mengsel van TiH2 en Si02 een geschikt soldeermateriaal wordt toegevoegd.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat als soldeermateriaal Au-Cu-Ni-legering wordt gebruikt.

7. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat als soldeermateriaal Ag-Cu-legering wordt gebruikt.

8. Werkwijze volgens conclusies 1-7, met het kenmerk, dat aan het mengsel van titaanhydride en kwartsmeel en/of soldeermateriaal een bindmiddel wordt toegevoegd.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat als bindmiddel water wordt gebruikt.

10. Werkwijze volgens conclusies 1-9, met het kenmerk, dat het andere materiaal, waarmee het gradueel verdichte keramische materiaal wordt gebonden, roestvast staal is.