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Spannungsspitzen abgebaut

Metall/Keramik-Verbundbauteile für komplexe Anforderungen
Spannungsspitzen abgebaut

Metall/Keramik-Verbundbauteile gewinnen immer größere Bedeutung, da bei diesen Bauteilen die spezifischen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe und der metallischen Werkstoffe in einem Bauteil genutzt werden können. Im Rahmen dieses Beitrages sollen vor allem konstruktiv allgemeine Hinweise beschrieben werden.

Der Autor Andreas Wolf ist Geschäftsführer der Wolf Fertigungs- und Fügetechnik GmbH, A-Wildermierning

Stoffschlüssiges Fügen
Den vorzüglichen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe wie hohe Härte, gute Verschleißeigenschaften, geringe Dichte und gute elektrische Isolationseigenschaften (Al2O3-Keramik) stehen die nachteiligen Eigenschaften der hohen Sprödigkeit, der aufwendigen Fertigung und des geringen Bruchwiderstandes und der daraus resultierenden hohen Schadenswahrscheinlichkeit gegenüber.
Die Anforderungen an die Konstruktionen können durch den Einsatz der keramischen Werkstoffe an exponierten Stellen oft besser erfüllt werden. Somit kommt der Verbindungstechnik von Keramiken mit Metallen eine besondere Bedeutung zu.
Stoffschlüssigen Fügetechniken – wie die Löttechnik – erweisen sich gerade bei keramischen Werkstoffen als besonders günstig, da durch die gleichmäßige Kraftübertragung das Auftreten von Spannungsspitzen vermieden wird. Weitere Vorteile bieten die gasdichte und konstruktiv günstige Verbindungsform.
Aufgrund der stärksten Verbreitung der oxidkeramischen Werkstoffe im Bereich der Verbindungstechnik werden hier schwerpunktmäßig nur die oxidkeramischen Werkstoffe behandelt.
Löttechnik – Grund-lagen und konstruktive Hinweise
Zum Fügen mechanisch und thermisch belastbarer Verbindungen bzw. gasdichter Verbindungen hat das Löten die weiteste Verbreitung erlangt.
Die Verbindung erfolgt beim Löten durch eine flüssige Phase, wobei überwiegend metalllische Lote zu Einsatz kommen. Metallische Lote bieten die Vorteile, daß thermisch induzierte Spannungen durch plastische Deformation abgebaut werden. Um mit metallischen Loten eine Benetzung der Keramik mit hoher Haftfestigkeit zu erreichen, werden die Verfahren Löten von metallisierter Keramik und das Ak-tivlöten eingesetzt.
Das flußmittelfreie Hartlöten von metallisierter Keramik findet bisher die weiteste Verbreitung. Hier werden Alumi-niumoxidkeramiken mittels einer Molybdän-Manganpaste bestrichen und eingebrannt. Nachfolgend wird die Metallisierung zur Verbesserung des Benetzungsverhaltens noch vernickelt. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die aufwendigen Arbeitsschritte und die problematische Herstellung bei hochreinen Keramiken mit geringen Glasphasenanteilen. Als Lotwerkstoffe werden in der Regel hochsilberhaltige Lote eingesetzt, welche im Vakuum oder unter Schutzgas verarbeitet werden.
Aktivlöten
Eine Alternative bietet die in zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten ausgereifte Technologie des Aktivlötens. Hier wird durch Zulegieren von sauerstoffaffinen Elementen wie Ti, Zr oder Hf eine direkte Benetzung der Keramik ermöglicht.
Bei genauer Einhaltung der Prozeßparameter kann mit Aktivlöttechnik einfacher und kostengünstiger produziert werden. Zudem besteht die Möglichkeit der Verarbeitung hochreiner Aluminiumoxidkeramik und auch nichtoxidischer Keramikwerkstoffe.
Metallische Verbundpartner
Sowohl beim Löten von metallisierter Keramik als auch beim Aktivlöten ist vor allem zu berücksichtigen, daß sich nur ausgewählte metallische Werkstoffe zum Löten mit Keramiken eignen. Es ist hier vorallem das thermische Ausdehnungsverhalten zu beachten. In der Regel werden sogenannte Ausdehnungslegierungen eingesetzt. Diese Werkstoffe – FeNi- und FeNiCo-Legierungen oder ähnliche – haben vorallem im unteren Temperaturbereich bis ca. 450°C ein angepaßtes Ausdehnungsverhalten zur Keramik. Im oberen Temperaturbereich treten bei diesen Werkstoffen zwar Ausdehnungsunterschiede auf, welche aber bei konstruktiv richtiger Auslegung durch plastische Verformung der Lote abgebaut werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Werkstoffen mit angepaßtem linearen Ausdehnungsverhalten wie Mo, Ta oder Nb. Da diese Werkstoffe sehr teuer und schwierig zu bearbeiten sind, werden sie jedoch selten angewandt. Bei verschiedenen Anwendungen erhöhen diese Werkstoffe deutlich den thermischen Einsatzbereich.
Bei verschiedenen Konstruktionen wird auch Cu als Verbundpartner eingesetzt, in der Regel aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit. Obwohl Cu ca. die doppelt so große thermische Ausdehnung wie Aluminiumoxid aufweist, kann dieser Werkstoff in dünnwandiger Ausführung gefügt werden. Die Ausdehungsunterschiede werden hier sowohl in der Lotschicht als auch durch den Grundwerkstoff durch plastische Deformation abgebaut.
Konstruktive Hinweise
Nach Möglichkeit soll das Auftreten von Zugspannungen vermieden werden, da die Zug- und Biegefestigkeit im Gegensatz zur Druckfestigkeit bei der Keramik sehr nieder ist. In vielen Fällen sind reine Druckspannungen nicht zu erzielen, hier wird der metallische Bereich möglichst dünnwandig ausgeführt. Somit kann der Spannungszustand in der Lötstelle möglichst gering gehalten werden. Dies ist bei Bauteilen, welche thermischen Belastungen ausgesetzt sind, notwendig. Bei großflächigen Verbindungsstellen ist darauf zu achten, daß die metallischen Bauteilkomponenten so ausgeführt sind, daß durch die thermischen Ausdehnungsunterschiede keine Biegemomente entstehen.
Metall/Keramik-
Verbundbauteile
KEM 562
Vorteile im Verbund
Metall/Keramik-Verbundbauteile werden zunehmend eingesetzt, da bei diesen Bauteilen die spezifischen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe und der metallischen Werkstoffe in einem Bauteil vereint werden. Bei konstruktiver Ausführung ist besonders auf die Wahl der Verbundpartner zu achten und in weiterer Folge sind die auftretenden Spannungen zu berücksichtigen.
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