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DE102013009001A1 - Crystallizing, cristobalite-free and electrically well-insulating glass solders with high thermal expansion coefficients for joining metals and / or ceramics - Google Patents

Crystallizing, cristobalite-free and electrically well-insulating glass solders with high thermal expansion coefficients for joining metals and / or ceramics Download PDF

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DE102013009001A1
DE102013009001A1 DE102013009001.6A DE102013009001A DE102013009001A1 DE 102013009001 A1 DE102013009001 A1 DE 102013009001A1 DE 102013009001 A DE102013009001 A DE 102013009001A DE 102013009001 A1 DE102013009001 A1 DE 102013009001A1
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DE
Germany
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glass
free
crystallizing
cristobalite
mol
Prior art date
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Withdrawn
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German (de)
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Christian Rüssel
Christian Thieme
Marita Kerstan
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Kerstan Marita De
Ruessel Christian Prof Dr De
Thieme Christian Dr De
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Publication date
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Abstract

Aufgabe war es, Glaslote bereitzustellen, mit denen Metalle und/oder Keramiken, insbesondere wie sie in Hochtemperatur-Reaktoren, wie der Hochtemperatur-Brennstoffzelle, im Temperaturbereich zwischen 700 und 1000°C Verwendung finden, gefügt werden können. Die Verbunde sollen bei Temperaturen kleiner als 1000°C hergestellt werden und eine hohe Festigkeit sowie chemische Beständigkeit besitzen. Erfindungsgemäß werden Glaslote zum Fügen von Metallen und/oder Keramiken bei Temperaturen < 1000°C vorgeschlagen mit einer Grundzusammensetzung von
50–65 Mol% SiO2
20–34 Mol% RO (R = Mg, Ca, Sr oder Ba oder Mischungen hiervon)
15–25 Mol% MO (M = Zn, Co, Ni oder Cu oder Mischungen hiervon),
wobei die Menge an CoO und/oder NiO und/oder CuO mindestens 5 Mol% beträgt und mindestens eines dieser drei Oxide in eine Kristall- bzw. Mischkristallphase mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebunden ist.
The object was to provide glass solders with which metals and / or ceramics, in particular those used in high-temperature reactors, such as the high-temperature fuel cell, in the temperature range between 700 and 1000 ° C, can be added. The composites should be produced at temperatures below 1000 ° C and have high strength and chemical resistance. According to the invention, glass solders for joining metals and / or ceramics at temperatures <1000 ° C. are proposed with a basic composition of
50-65 mol% SiO 2
20-34 mol% RO (R = Mg, Ca, Sr or Ba or mixtures thereof)
15-25 mol% MO (M = Zn, Co, Ni or Cu or mixtures thereof),
wherein the amount of CoO and / or NiO and / or CuO is at least 5 mol% and at least one of these three oxides is incorporated in a crystal or mixed crystal phase having a high coefficient of thermal expansion.

Figure DE102013009001A1_0001
Figure DE102013009001A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft kristallisierende, cristobalitfreie und elektrisch gut isolierende Glaslote, mit denen Metalle, Metall-Keramik-Verbunde (sog. Cermets) oder Keramiken, wie sie in Hochtemperatur-Reaktoren, beispielsweise Brennstoffzellen, Verwendung finden, fest und dauerhaft verbunden werden können. Die Verbunde werden bei Temperaturen < 1000°C hergestellt und widerstehen dauerhaft Temperaturen zwischen 700 und 1000°C.The invention relates to crystallizing, cristobalite-free and electrically well-insulating glass solders with which metals, metal-ceramic composites (so-called cermets) or ceramics, such as those used in high-temperature reactors, for example fuel cells, can be firmly and permanently connected. The composites are manufactured at temperatures <1000 ° C and permanently withstand temperatures between 700 and 1000 ° C.

Zum Fügen solcher Materialien werden häufig Glaslote eingesetzt. Diese Glaslote werden meist als Pulver, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme geeigneter Hilfsstoffe, wie Öle oder Polymerlösungen, zwischen die zu fügenden Materialien gebracht und auf eine Temperatur erhitzt, die ein Sintern der Glaspartikel ermöglicht. Hierbei tritt dann die Verdichtung der Pulver ein. Der Ausdehnungskoeffizient des Glases muss im Bereich der zu fügenden Materialien liegen und darf im Regelfall nicht mehr als ±1·10–6 K–1 hiervon abweichen. Ist das Glaslot allerdings auch für hohe thermische Belastungen vorgesehen, ergeben sich hierbei vielfach erhebliche Probleme, da Metalle meist einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und Gläser mit hohen Erweichungstemperaturen einen recht niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Dies bedeutet beispielsweise, dass Gläser mit Erweichungstemperaturen > 800°C und thermischen Ausdehnungskoeffizienten > 12·10–6 K–1 nicht zur Verfügung stehen.Glass fillers are often used to join such materials. These glass solders are usually brought as a powder, optionally with the aid of suitable auxiliaries, such as oils or polymer solutions, between the materials to be joined and heated to a temperature which allows sintering of the glass particles. In this case, then enters the compaction of the powder. The coefficient of expansion of the glass must be within the range of the materials to be joined and may not deviate more than ± 1 · 10 -6 K -1 from this. However, if the glass solder is also provided for high thermal loads, this often results in considerable problems, since metals usually have a high coefficient of thermal expansion and glasses with high softening temperatures have a rather low expansion coefficient. This means, for example, that glasses with softening temperatures> 800 ° C and thermal expansion coefficients> 12 · 10 -6 K -1 are not available.

Um entsprechende Fügeprobleme trotzdem lösen zu können, verwendet man kristallisierende Glaslote. Hierbei werden die Lote ebenfalls zwischen die zu fügenden Materialien gebracht und anschließend auf ausreichend hohe Temperatur erhitzt, so dass Verdichtung durch Sintern eintreten kann. Nach erfolgter weitgehender Verdichtung kristallisiert das Glas, wobei gezielt Kristallphasen ausgeschieden werden, die bei dem kristallisierenden Glaslot die erwünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten herbeiführen. Aus der chemischen Zusammensetzung des Glases und der thermischen Behandlung resultieren hierbei die Art der ausgeschiedenen Kristallphase(n) und der thermische Ausdehnungskoeffizient.Nevertheless, in order to be able to solve corresponding joining problems, crystallizing glass solders are used. Here, the solders are also placed between the materials to be joined and then heated to a sufficiently high temperature so that compression can occur by sintering. After extensive densification of the glass crystallizes, with specific crystal phases are excreted, which bring about the desired thermal expansion coefficient in the crystallizing glass solder. From the chemical composition of the glass and the thermal treatment in this case result in the type of precipitated crystal phase (s) and the thermal expansion coefficient.

Da das kristallisierte Glaslot in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle einen zeitlich konstanten Ausdehnungskoeffizienten besitzen soll, ist der Kristallisationsprozess meist so zu führen, dass beim Einsatz keine weitere Kristallisation mehr eintritt.Since the crystallized glass solder in the vast majority of cases should have a time-constant coefficient of expansion, the crystallization process is usually so lead that no further crystallization occurs during use.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Hochtemperaturstählen oder hoch nickelhaltigen Legierungen liegen oft im Bereich von (12–16)·10–6 K–1. Da diese Legierungen meist sehr hochtemperaturbeständig sind, werden sie oft bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1000°C eingesetzt. Stabile, d. h. nichtkristallisierende Glaslote, liegen für diese Temperaturbereiche, wie oben beschrieben, nicht vor. Aber auch mit kristallisierenden Glasloten gibt es bei derartigen Fügeanwendungen erhebliche Probleme, da nur wenige Kristallphasen hierfür in Frage kommen, d. h. einen entsprechend hohen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. In der Literatur sind hierbei speziell Erdalkalisilicate, insbesondere Bariumsilicate, erwähnt.The thermal expansion coefficients of high temperature steels or high nickel alloys are often in the range of (12-16) x 10 -6 K -1 . Since these alloys are usually very high temperature resistant, they are often used at temperatures in the range of 800 to 1000 ° C. Stable, ie non-crystallizing glass solders are not available for these temperature ranges, as described above. But even with crystallizing glass solders there are considerable problems in such joining applications, since only a few crystal phases come into question for this purpose, ie have a correspondingly high expansion coefficient. In the literature, especially alkaline earth silicates, in particular barium silicates, are mentioned here.

Ein weiteres erhebliches Problem bei der Verwendung von Glasloten, insbesondere von kristallisierenden Glasloten, ist die Haftung auf Metallen. Die meisten Untersuchungen hierzu sind an Emails durchgeführt worden. Die Haftung von Glas auf Metall kann mit Hilfe verschiedener Mechanismen und Reaktionen an der Grenzfläche beschrieben werden. Dabei wird häufig zwischen mechanischem Verhaken und chemischer Bindung unterschieden.Another significant problem with the use of glass solders, particularly crystallizing glass solders, is the adhesion to metals. Most investigations have been done on emails. The adhesion of glass to metal can be described by means of various mechanisms and reactions at the interface. A distinction is often made between mechanical entanglement and chemical bonding.

Das mechanische Verhaken oder Verzahnen beruht darauf, dass sich das flüssige Glas an die Metalloberfläche anpasst und in Hohlräume oder Hinterschneidungen eindringen kann. Nach dem Erstarren des Glases sind Metall und Glas fest miteinander verbunden. Eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit des Metalls kann dabei einen positiven Effekt auf die Haftung haben.The mechanical entanglement or gearing is based on the fact that the liquid glass adapts to the metal surface and can penetrate into cavities or undercuts. After solidification of the glass metal and glass are firmly connected. An increased surface roughness of the metal can have a positive effect on the adhesion.

Die Mechanismen der Haftung des Glaslotes an dem Metall sind sehr vielseitig und komplex und sollen hier nicht detailliert erläutert werden. Eines der am weitesten verbreiteten Modelle zur Beschreibung der Haftung von Gläsern bzw. Emails auf Metallen ist das der elektrochemischen Korrosion. Werden Gläser verwendet, welche Haftoxide (z. B. CuO oder NiO) enthalten, so eignet sich dieses Modell zur Beschreibung der Vorgänge an der Grenzfläche. Dies ist im Wesentlichen aus der Emailtechnik bekannt und soll im Folgenden am Beispiel eines kobaltoxidhaltigen Glases und Stahl erläutert werden.The mechanisms of adhesion of the glass solder to the metal are very versatile and complex and will not be discussed in detail here. One of the most widely used models for describing the adhesion of glasses or enamels to metals is that of electrochemical corrosion. If glasses containing adhesive oxides (eg CuO or NiO) are used, this model is suitable for describing the processes at the interface. This is essentially known from the enamel technique and will be explained below using the example of a cobalt oxide-containing glass and steel.

Zunächst wird angenommen, dass sich zu Beginn des Prozesses die Eisenoxide, die sich auf der Metalloberfläche befinden, im Glas lösen. Daraufhin kann das Kobaltoxid im Glas nach folgender Gleichung zu metallischem Kobalt reduziert werden ( A. H. Dietzel: Emaillierung – Wissenschaftliche Grundlagen und Grundzüge der Technologie. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ): 2Fe2+ + Co2+ → 2Fe3+ + Co. First, it is assumed that at the beginning of the process, the iron oxides, which are located on the metal surface, dissolve in the glass. Then the cobalt oxide in the glass can be reduced to metallic cobalt according to the following equation ( AH Dietzel: Enamelling - Scientific fundamentals and fundamentals of technology. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ): 2Fe 2+ + Co 2+ → 2Fe 3+ + Co.

Nach vollständiger Auflösung des Eisenoxids trifft das Glas direkt auf metallisches Eisen. Dieses wird dann durch das im Glas enthaltene Kobaltoxid reduziert ( D. G. Moore, J. W. Pitts, J. C. Richmond, W. N. Harrison, J. Am. Ceram. Soc. 37, 1954, 1–6 ): Fe + Co2+ → Fe2+ + Co. After complete dissolution of the iron oxide, the glass strikes metal iron directly. This is then reduced by the cobalt oxide contained in the glass ( DG Moore, JW Pitts, JC Richmond, WN Harrison, J. Am. Ceram. Soc. 37, 1954, 1-6 ): Fe + Co 2+ → Fe 2+ + Co.

Es bilden sich Lokalelemente, d. h. kurzgeschlossene galvanische Elemente, mit flüssigem Glas als Elektrolyt ( A. H. Dietzel: Emaillierung – Wissenschaftliche Grundlagen und Grundzüge der Technologie. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ). Das im Vergleich zum Kobalt unedlere Eisen löst sich auf. Dadurch wird die Oberfläche des Eisens aufgeraut und die Haftung infolge mechanischen Verhakens erhöht. Schematisch sind diese Vorgänge in der Zeichnung dargestellt.Local elements, ie short-circuited galvanic elements, form with liquid glass as the electrolyte ( AH Dietzel: Enamelling - Scientific fundamentals and fundamentals of technology. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ). The iron, which is less noble than cobalt, dissolves. As a result, the surface of the iron is roughened and increases the liability due to mechanical entanglement. Schematically, these processes are in the drawing shown.

Dieser Mechanismus kann jedoch nur ablaufen, solange die Temperatur hoch genug und somit das Glas elektrisch leitend (kationenleitend) ist. Die Haftung ist dabei u. a. von der Menge an Haftoxid im Glas abhängig. Sowohl zu geringe als auch zu große Mengen an Kobaltoxid können laut Literatur eine nicht optimale Haftung bewirken ( J. C. Richmond, D. G. Moore, H. B. Kirkpatrick, W. N. Harrison, J. Am. Ceram. Soc. 36, 1953, 410–416 ). Der Theorie der galvanischen Korrosion liegt die elektrochemische Spannungsreihe der Metalle zu Grunde. Im Glas müssen demnach Haftoxide eingesetzt werden, deren Metallkomponenten edler sind als das zu beschichtende Metall. Letzteres wird so im Glas gelöst und es entsteht eine aufgeraute Grenzfläche, welche die Haftung verstärkt.However, this mechanism can only take place as long as the temperature is high enough and thus the glass is electrically conductive (cation-conducting). Among other things, the adhesion depends on the amount of adhesive oxide in the glass. Both too low and too high amounts of cobalt oxide can cause a non-optimal adhesion according to the literature ( JC Richmond, DG Moore, HB Kirkpatrick, WN Harrison, J. Am. Ceram. Soc. 36, 1953, 410-416 ). The theory of galvanic corrosion is based on the electrochemical series of the metals. Accordingly, in the glass, adhesive oxides must be used whose metal components are nobler than the metal to be coated. The latter is thus dissolved in the glass and it creates a roughened interface, which increases the adhesion.

Edelstähle und Nickellegierungen, wie sie für Hochtemperaturanwendungen verwendet werden, haben jedoch höhere elektrochemische Potentiale. Dies erschwert die Reduktion des Kobaltoxids. Bei der Haftung von Gläsern auf Edelstählen und Nickellegierungen sind daher, wie nachfolgend beschrieben, andere Bedingungen an der Grenzfläche gegeben.However, stainless steels and nickel alloys used in high temperature applications have higher electrochemical potentials. This complicates the reduction of cobalt oxide. In the adhesion of glasses to stainless steels and nickel alloys, therefore, as described below, other conditions are given at the interface.

Auf der Oberfläche von Edelstählen bilden sich nur in geringem Maße Oxidschichten. Diese bestehen häufig aus Chromoxiden, welche sich nur langsam im Glas lösen ( A. H. Dietzel: Emaillierung – Wissenschaftliche Grundlagen und Grundzüge der Technologie. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ). Diese Oxide bilden eine Oxidzwischenschicht, welche die Haftung verbessert ( A. Petzold, H. Pöschmann: Email und Emailliertechnik. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1987 ). Bei vollständigem Auflösen der Oxidschicht geht die Haftung jedoch deutlich zurück. Dies wurde in der Literatur beispielsweise für ein Glas mit 38,8%SiO2·44%BaO·6,5%B2O3·4,0%CaO·5,0%ZnO und 1,7%ZrO2 (Angaben in Gew.-%) festgestellt ( T. Shimohira, J. Ceram. Soc. Jpn. 67, 1959, 95–102 ).On the surface of stainless steels form oxide layers only to a small extent. These often consist of chromium oxides, which dissolve only slowly in the glass ( AH Dietzel: Enamelling - Scientific fundamentals and fundamentals of technology. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1981 ). These oxides form an oxide interlayer that improves adhesion ( A. Petzold, H. Pöschmann: Enamel and Enamel Technology. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1987 ). Upon complete dissolution of the oxide layer, however, the adhesion decreases significantly. This has been reported in the literature, for example, for a glass with 38.8% SiO 2 .44% BaO .6.5% B 2 O 3. 4.0% CaO. 5.0% ZnO and 1.7% ZrO 2 in% by weight) ( T. Shimohira, J. Ceram. Soc. Jpn. 67, 1959, 95-102 ).

Klassische Haftoxide, wie CoO oder NiO, können bei der Beschichtung von Edelstählen die Oberfläche nicht so stark aufrauen. Dies ist laut Literaturangaben auf das höhere Standardpotential von Edelstählen im Vergleich zu konventionellen Emaillierstählen zurückzuführen ( L. Hiller: Haftung von Emails auf Sondermetallen und Legierungen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 1995 ). Deshalb wurden hier Haftoxide, deren Metallkomponenten ein höheres elektrochemisches Potential als das zu oxidierende Material besitzen (z. B. Ag2O), eingesetzt, wodurch die Haftung auf Cr/Ni-Stahl verbessert werden konnte.Classic adhesive oxides, such as CoO or NiO, can not roughen the surface when coating stainless steels. According to the literature, this is due to the higher standard potential of stainless steels compared to conventional enamelling steels ( L. Hiller: Adhesion of enamels on special metals and alloys. Dissertation, Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, 1995 ). Therefore, adhesive oxides whose metal components have a higher electrochemical potential than the material to be oxidized (eg, Ag 2 O) were used here, whereby the adhesion to Cr / Ni steel could be improved.

Auch durch Zugabe von CuO zum Glas kann die Haftung auf Edelstahl verbessert werden. Jedoch wird die Haftungsverbesserung laut Moore und Eubanks nicht durch eine Oberflächenaufrauhung, sondern durch die Bildung einer Oxidschicht an der Metalloberfläche bewirkt ( D. G. Moore, A. G. Eubanks, J. Am. Ceram. Soc. 39, 1956, 357–361 ). Generell sind die Mechanismen und das Zustandekommen der Haftung im System Glas-Edelstahl nicht vollständig aufgeklärt ( B. Heid: Emaillierungen für Edelstähle. Dissertation, Technische Universität Clausthal, 2007 ).By adding CuO to the glass, the adhesion to stainless steel can be improved. However, according to Moore and Eubanks, the adhesion improvement is not caused by a surface roughening but by the formation of an oxide layer on the metal surface ( DG Moore, AG Eubanks, J. Am. Ceram. Soc. 39, 1956, 357-361 ). In general, the mechanisms and the formation of adhesion in the glass-stainless steel system are not fully understood ( B. Heid: Enamels for stainless steels. Dissertation, Clausthal University of Technology, 2007 ).

Bei Nickellegierungen besteht ein ähnliches Problem wie bei den Edelstählen. Das elektrochemische Potential ist noch höher als das von Edelstählen ( L. Hiller: Haftung von Emails auf Sondermetallen und Legierungen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 1995 ). Außerdem bilden sich nur in sehr geringem Maße Oxidschichten auf der Oberfläche ( ThyssenKrupp VDM, Werkstoffdatenblatt Nr. 4137, Ausgabe Juli 2007 ). Dabei handelt es sich häufig um Ni-, Cr-, Mo- oder Al-haltige Oxide ( ThyssenKrupp VDM, Werkstoffdatenblatt Nr. 4137, Ausgabe Juli 2007 ; M. Renner, M. Köhler, E. Ernst, M. Spang, Materials and Corrosion 47, 1996, 125–132 ).There is a similar problem with nickel alloys as with stainless steels. The electrochemical potential is even higher than that of stainless steels ( L. Hiller: Adhesion of enamels on special metals and alloys. Dissertation, Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, 1995 ). In addition, oxide layers on the surface are formed only to a very small extent ( ThyssenKrupp VDM, Material Data Sheet No. 4137, July 2007 issue ). These are often Ni, Cr, Mo or Al-containing oxides ( ThyssenKrupp VDM, Material Data Sheet No. 4137, July 2007 issue ; M. Renner, M. Kohler, E. Ernst, M. Spang, Materials and Corrosion 47, 1996, 125-132 ).

Auch hier kann durch die Zugabe von edleren Haftoxiden, wie z. B. Ag2O, das Anhaften verbessert werden ( L. Hiller: Haftung von Emails auf Sondermetallen und Legierungen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 1995 ).Again, by the addition of nobler Haftoxiden such. B. Ag 2 O, the adhesion can be improved ( L. Hiller: Adhesion of enamels on special metals and alloys. Dissertation, Martin-Luther-University Halle-Wittenberg, 1995 ).

In der Literatur ist jedoch nur wenig über hochtemperaturresistente, kristallisierende Gläser zum Fügen von Nickellegierungen dokumentiert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass viele Nickellegierungen auch ohne Beschichtung eine sehr hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, selbst bei erhöhten Temperaturen, aufweisen ( ThyssenKrupp VDM, Werkstoffdatenblatt Nr. 4137, Ausgabe Juli 2007 ), d. h. kristallisierende Gläser zum Korrosionsschutz kaum nachgefragt werden. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Nickelbasislegierungen übersteigen die der meisten glaskeramischen Materialien deutlich. Nicht angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten würden somit starke Spannungen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtungsmaterial verursachen.However, little is documented in the literature about high temperature resistant, crystallizing glasses for joining nickel alloys. This is because many nickel alloys, even without a coating, have a very high resistance to corrosion and oxidation, even at elevated temperatures ( ThyssenKrupp VDM, Material Data Sheet No. 4137, July 2007 issue ), ie crystallizing glasses for corrosion protection are hardly in demand. The thermal expansion coefficients of nickel-based alloys significantly exceed those of most glass-ceramic materials. Unadjusted thermal expansion coefficients would thus cause high stresses at the interface between substrate and coating material.

Kristallisierende Glaslote werden für verschiedene Arten von Hochtemperaturreaktoren, wie z. B. der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (HT-Brennstoffzelle) benötigt. In HT-Brennstoffzellen wird elektrische Energie mit Hilfe von Redoxreaktionen erzeugt. Dabei wird über sogenannte Interkonnektoren Luft bzw. Brenngas zu der Kathode bzw. Anode geleitet. Der Sauerstoff aus der Luft wird somit an der Kathode reduziert: O2 + 4e → 4O2–. Crystallizing glass solders are used for various types of high temperature reactors, such as. B. the high-temperature fuel cell (HT fuel cell) is needed. In HT fuel cells, electrical energy is generated by redox reactions. In this case, air or fuel gas is passed to the cathode or anode via so-called interconnectors. The oxygen from the air is thus reduced at the cathode: O 2 + 4e - → 4O 2-.

Die so entstandenen Sauerstoffionen wandern durch den Elektrolyten zur Anode ( M. K. Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65–85 ). Anschließend reagieren sie mit dem Brenngas. Dabei handelt es sich meist um H2, CO oder CH4 ( N. Laosiripojana, S. Assabumrungrat, J. Power Sources 163, 2007, 943–951 ). Im Falle reinen Wasserstoffs läuft folgende Reaktion an der Anode ab ( P. Geasee: Entwicklung von kristallisierenden Glasloten für planare Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Dissertation, RWTH Aachen, 2003 ): 2H2 + 2O2– → 2H2O + 4e. The resulting oxygen ions migrate through the electrolyte to the anode ( MK Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65-85 ). Then they react with the fuel gas. These are usually H 2 , CO or CH 4 ( N. Laosiripojana, S. Assabumrungrat, J. Power Sources 163, 2007, 943-951 ). In the case of pure hydrogen, the following reaction takes place at the anode ( P. Geasee: Development of crystallizing glass solders for planar high-temperature fuel cells. Dissertation, RWTH Aachen, 2003 ): 2H 2 + 2O 2- → 2H 2 O + 4e - .

Anodische und kathodische Reaktion führen zum Fließen von elektrischem Strom. Die hohen Betriebstemperaturen von ca. 700 bis 1000°C sind vor allem durch den Feststoffelektrolyten bedingt. Dieser besitzt bei niedrigeren Temperaturen eine nicht ausreichende Sauerstoffionenleitfähigkeit ( N. Q. Minh, J. Am. Ceram. Soc. 76, 1993, 563–588 ; T. Schwickert, R. Sievering, P. Geasee, R. Conradt, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 33, 2002, 363–366 ).Anodic and cathodic reactions lead to the flow of electric current. The high operating temperatures of about 700 to 1000 ° C are mainly due to the solid electrolyte. This has at lower temperatures insufficient oxygen ion conductivity ( NQ Minh, J. Am. Ceram. Soc. 76, 1993, 563-588 ; T. Schwickert, R. Sievering, P. Geasee, R. Conradt, Materials Science and Engineering 33, 2002, 363-366 ).

Durch die Kontaktierung von Anode und Kathode an die elektrisch leitfähigen Interkonnektoren können mehrere Zellen in Reihe geschaltet werden. Um einen Kurzschluss zu verhindern, muss zwischen die Interkonnektoren eine elektrisch isolierende Schicht eingebracht werden. Diese soll auch ein Vermischen der verwendeten Reaktionsgase verhindern ( T. Schwickert: Fügen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Dissertation, RWTH Aachen, 2002 ). Damit die Lote gasdicht sind, müssen sie vor dem Einsetzen der Kristallisation annähernd dicht sintern (Porosität < 5%).By contacting the anode and cathode to the electrically conductive interconnectors several cells can be connected in series. In order to prevent a short circuit, an electrically insulating layer must be introduced between the interconnectors. This should also prevent mixing of the reaction gases used ( T. Schwickert: Joining of high-temperature fuel cells. Dissertation, RWTH Aachen, 2002 ). In order for the solders to be gas-tight, they must sinter approximately close to the onset of crystallization (porosity <5%).

Um mechanische Spannungen in der Kontaktzone zwischen Lot und Metall gering zu halten, sollte die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten, wie bereits erwähnt, 1·10–6 K–1 nicht übersteigen. In Brennstoffzellen kommen jedoch verschiedenste Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zum Einsatz.To keep mechanical stress in the contact zone between solder and metal low, the difference in the expansion coefficients, as already mentioned, should not exceed 1 · 10 -6 K -1 . In fuel cells, however, a wide variety of materials with different coefficients of expansion are used.

Als Sauerstoffionenleiter dienen u. a. Keramiken aus yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (YSZ). Dieses besitzt im Temperaturbereich von 30–800°C einen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 10,5·10–6 K–1 ( F. Tietz, Ionics 5, 1999, 129–139 ). Die Kathode von HT-Brennstoffzellen wird häufig aus zugleich elektronen- und ionenleitenden Perowskiten hergestellt ( C. Sun, R. Hui, J. Roller, J. Solid State Electrochem. 14, 2010, 1125–1144 ). So besitzt beispielsweise La1-xSrxMnO3 für x = 0,3 einen Ausdehnungskoeffizienten (30–800°C) von 12·10–6 K–1 (F. Tietz, Ionics 5, 1999, 129–139). Als Anodenmaterial für HT-Brennstoffzellen kommen häufig Cermets, bestehend aus Nickel und stabilisiertem Zirkonoxid, zum Einsatz ( A. S. Nesaraj, J. Sci. Ind. Res. 69, 2010, 169–176 ). Für einen Nickelgehalt von 30–45 Vol.-% liegt der Ausdehnungskoeffizient der Cermets (25–1000°C) im Bereich von (12,7–13,3)·10–6 K–1 ( D. Skarmoutsos, A. Tsoga, A. Naoumidis, P. Nikolopoulos, Solid State Ionics 135, 2000, 439–444 ).Ceramics made of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ) serve as oxygen ion conductors. This has in the temperature range of 30-800 ° C an expansion coefficient of about 10.5 · 10 -6 K -1 ( F. Tietz, Ionics 5, 1999, 129-139 ). The cathode of HT fuel cells is often made from electron- and ion-conducting perovskites ( C. Sun, R. Hui, J. Roller, J. Solid State Electrochem. 14, 2010, 1125-1144 ). Thus, for example, La 1-x Sr x MnO 3 has a coefficient of expansion (30-800 ° C.) of 12 × 10 -6 K -1 for x = 0.3 (F. Tietz, Ionics 5, 1999, 129-139). Cermets consisting of nickel and stabilized zirconium oxide are frequently used as the anode material for HT fuel cells ( AS Nesaraj, J. Sci. Ind. Res. 69, 2010, 169-176 ). For a nickel content of 30-45% by volume, the coefficient of thermal expansion of the cermets (25-1000 ° C.) is in the range of (12.7-13.3) × 10 -6 K -1 ( D. Skarmoutsos, A. Tsoga, A. Naoumidis, P. Nikolopoulos, Solid State Ionics 135, 2000, 439-444 ).

Als Interkonnektormaterialien für HT-Brennstoffzellen eignen sich u. a. Nickelbasislegierungen und hochchromhaltige Edelstähle ( J. W. Fergus, Mater. Sci. Eng., A 397, 2005, 271–283 oder Z. Yang, K. S. Weil, D. M. Paxton, J. W. Stevenson, J. Electrochem. Soc. 150, 2003, A1188–A1201 ). Beispielsweise besitzt Crofer 22 APU, einer der meist verwendeten Stähle für Interkonnektoren, im Temperaturbereich von 20–800°C einen Ausdehnungskoeffizienten von 11,9·10–6 K–1 ( M. J. Pascual, A. Guillet, A. Duran, J. Power Sources 169 (2007) 40–46 ; Thyssenkrupp VDM, Werkstoffdatenblatt Nr. 4146, Ausgabe Januar 2010 ). Die Ausdehnungskoeffizienten von Nickelbasislegierungen liegen mit Werten von (14–19)·10–6 K–1 teilweise deutlich darüber ( Z. Yang, K. S. Weil, D. M. Paxton, J. W. Stevenson, J. Electrochem. Soc. 150, 2003, A1188–A1201 ).Interconnector materials for HT fuel cells include nickel-base alloys and high-chromium stainless steels ( JW Fergus, Mater. Sci. Eng., A 397, 2005, 271-283 or Z. Yang, KS Weil, DM Paxton, JW Stevenson, J. Electrochem. Soc. 150, 2003, A1188-A1201 ). For example, Crofer 22 APU, one of the most commonly used steels for interconnectors, has an expansion coefficient of 11.9 · 10 -6 K -1 in the temperature range of 20-800 ° C ( MJ Pascual, A. Guillet, A. Duran, J. Power Sources 169 (2007) 40-46 ; Thyssenkrupp VDM, Material Data Sheet No. 4146, January 2010 edition ). The coefficients of expansion of nickel-based alloys are sometimes significantly higher with values of (14-19) · 10 -6 K -1 ( Z. Yang, KS Weil, DM Paxton, JW Stevenson, J. Electrochem. Soc. 150, 2003, A1188-A1201 ).

Somit müssen die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Lote an die der anderen Komponenten angepasst werden. Je nach eingesetzten Materialien kann dieser Wert in gewissen Grenzen variieren. Generell sollte der Ausdehnungskoeffizient des Lotes jedoch (teilweise deutlich) größer als 10·10–6 K–1 sein.Thus, the expansion coefficients of the solders used must be adapted to those of the other components. Depending on the materials used, this value can vary within certain limits. Generally, however, the expansion coefficient of the solder should be (in some cases significantly) greater than 10 · 10 -6 K -1 .

Zum Verbinden metallischer und keramischer Materialien für HT-Anwendungen stehen verschiedene glaskeramische Materialien zur Verfügung. Dabei werden solche Lote bevorzugt, welche eine feste Verbindung mit den zu fügenden Materialien eingehen ( M. K. Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65–85 ). Es werden häufig Gläser aus dem Grundsystem SiO2-BaO ( M. K. Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65–85 ; M. J. Pascual, A. Guillet, A. Duran, J. Power Sources 169, 2007, 40–46 ; C. Lara, M. J. Pascual, M. O. Prado, A. Duran, Solid State Ionics 170, 2004, 201–208 ; C. Lara, M. J. Pascual, A. Duran, J. Non-Cryst. Solids 348, 2004, 149–155 ) verwendet. Die entsprechenden Glaskeramiken weisen als kristalline Phasen vorrangig Bariumsilicate mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Nachfolgend sind einige Beispiele solcher Gläser bzw. Glaskeramiken aufgeführt.Various glass-ceramic materials are available for joining metallic and ceramic materials for HT applications. In this case, preference is given to solders which form a firm connection with the materials to be joined ( MK Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65-85 ). Glasses from the basic system SiO 2 -BaO ( MK Mahapatra, K. Lu, Mater. Sci. Eng., R 67, 2010, 65-85 ; MJ Pascual, A. Guillet, A. Duran, J. Power Sources 169, 2007, 40-46 ; C. Lara, MJ Pascual, MO Prado, A. Duran, Solid State Ionics 170, 2004, 201-208 ; C. Lara, MJ Pascual, A. Duran, J. Non-Cryst. Solids 348, 2004, 149-155 ) used. The corresponding glass ceramics have as crystalline phases predominantly barium silicates with high coefficients of thermal expansion on. Below are some examples of such glasses or glass ceramics listed.

Die WO 2011/081736 A2 beschreibt ein glaskeramisches Lotmaterial für HT-Brennstoffzellen (SOFCs) aus dem System BaO-Al2O3-SiO2 zum Fügen verschiedener Oxidkeramiken, wie z. B. YSZ. Das molare Verhältnis der Lote von SiO2:BaO liegt dabei zwischen 1:1 und 4:1. Der Al2O3-Gehalt beträgt 3,5–12 Mol%. Die Glaskeramik weist die Kristallphasen Sanbornit (BaO·2SiO2) und Hexacelsian (BaO·Al2O3·2SiO2) sowie eine Restglasphase auf. Die kristallisierten Gläser lassen sich vollständig dicht sintern. Der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Lote ist an den von typischen Keramiken, wie sie in HT-Brennstoffzellen eingesetzt werden, angepasst. Für das Fügen verschiedener HT-Legierungen, wie z. B. Nickellegierungen, ist dieser jedoch meist zu niedrig. Auch kann das entstehende BaO·Al2O3·2SiO2 bei Temperaturen von ca. 300°C Phasenumwandlungen durchlaufen, welche zu Spannungen im Lot selbst führen.The WO 2011/081736 A2 describes a glass-ceramic brazing material for HT fuel cells (SOFCs) from the system BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 for joining various oxide ceramics, such. B. YSZ. The molar ratio of the solders of SiO 2 : BaO lies between 1: 1 and 4: 1. The Al 2 O 3 content is 3.5-12 mol%. The glass ceramic has the crystal phases sanbornite (BaO · 2SiO 2 ) and hexacelsian (BaO · Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) as well as a residual glass phase. The crystallized glasses can be completely dense sintered. The thermal expansion coefficient of these solders is adapted to that of typical ceramics, as used in HT fuel cells. For joining different HT alloys, such as As nickel alloys, but this is usually too low. Also, the resulting BaO · Al 2 O 3 · 2SiO 2 can undergo phase transformations at temperatures of about 300 ° C, which lead to stresses in the solder itself.

Dies gilt auch für Fügelote gemäß US 6,532,769 B1 , in denen Al2O3-haltige Silicat- bzw. Borosilicatgläser verwendet werden. Dabei liegen die Al2O3-Gehalte zwischen 2 und 15 Mol%. Durch Kristallisation bilden sich auch hier verschiedene Bariumsilicate sowie BaO·Al2O3·2SiO2. An Stelle von BaO können erfindungsgemäß auch SrO, CaO und MgO eingesetzt werden. Die Ausdehnungskoeffizienten (25–1000°C) liegen zwischen 7·10–6 K–1 und 15·10–6 K–1. Die teilweise relativ hohen Boroxidgehalte können bei hohen Temperaturen zum Abdampfen von Boroxid aus dem Lot führen. Generell ist die chemische Stabilität B2O3-haltiger Gläser bei erhöhten Temperaturen stark herabgesetzt.This also applies to bonus fees according to US 6,532,769 B1 in which Al 2 O 3 -containing silicate or borosilicate glasses are used. The Al 2 O 3 contents are between 2 and 15 mol%. Crystallization is also different barium silicates and BaO · Al 2 O 3 · 2 SiO 2 form. Instead of BaO according to the invention also SrO, CaO and MgO can be used. The coefficients of expansion (25-1000 ° C) are between 7 · 10 -6 K -1 and 15 · 10 -6 K -1 . The sometimes relatively high Boroxidgehalte can lead at high temperatures to evaporate boron oxide from the solder. In general, the chemical stability of B 2 O 3 -containing glasses is greatly reduced at elevated temperatures.

Ein ähnliches Al2O3-haltiges Glas aus dem System BaO-SiO2 wird in US 6,430,966 B1 beschrieben. Dies soll zum Verbinden keramischer Materialien verwendet werden. Der Ausdehnungskoeffizient liegt hier ebenfalls zwischen 7·10–6 K–1 und 15·10–6 K–1. In einem Ausführungsbeispiel wurden Fügetemperaturen von 1150°C verwendet, was beim Fügen anderer Materialien als Keramiken zu einer Schädigung, beispielsweise in Form von allzu starker Oxidation, führen kann.A similar Al 2 O 3 -containing glass from the system BaO-SiO 2 is in US Pat. No. 6,430,966 B1 described. This should be used to join ceramic materials. The expansion coefficient is also between 7 · 10 -6 K -1 and 15 · 10 -6 K -1 . In one embodiment, joining temperatures of 1150 ° C were used, which can lead to damage when joining other materials than ceramics, for example in the form of excessive oxidation.

Ein B2O3-freies, glaskeramisches Lotmaterial wird in US 7,378,361 B2 beschrieben. Neben SiO2 und BaO werden hier auch CaO und/oder SrO verwendet. Außerdem können bis zu 16 Gew.-% MgO und 10 Gew.-% ZnO enthalten sein. In den Ausführungsbeispielen liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient (25–700°C) bei maximal 11,1·10–6 K–1.A B 2 O 3 -free, glass-ceramic solder material is in US 7,378,361 B2 described. Besides SiO 2 and BaO, CaO and / or SrO are also used here. In addition, up to 16% by weight of MgO and 10% by weight of ZnO may be contained. In the exemplary embodiments, the coefficient of thermal expansion (25-700 ° C.) is a maximum of 11.1 × 10 -6 K -1 .

In DE 10 2010 035 251 A9 werden Glaslote bzw. glaskeramische Lote für HT-Anwendungen beschrieben, wobei der Anteil an kristallinen Phasen nach dem Lötvorgang 50 Gew.-% nicht übersteigt. Die Gläser bestehen hauptsächlich aus BaO, SrO und SiO2 sowie aus verschiedensten anderen Oxiden. Zur Verbesserung von Eigenschaften, beispielsweise der Benetzung, können die Lote jeweils zusätzlich bis zu 2 Gew.-% Cr2O3, PbO, V2O5, WO, SnO, CuO, MnO, CoO oder Sb2O3 enthalten. Der Ausdehnungskoeffizient der Lote wird mit (8–11)·10–6 K–1 angegeben.In DE 10 2010 035 251 A9 glass solders or glass-ceramic solders for HT applications are described, wherein the proportion of crystalline phases after the soldering process does not exceed 50 wt .-%. The glasses consist mainly of BaO, SrO and SiO 2 as well as various other oxides. In order to improve properties, for example wetting, the solders may each additionally contain up to 2% by weight of Cr 2 O 3 , PbO, V 2 O 5 , WO, SnO, CuO, MnO, CoO or Sb 2 O 3 . The expansion coefficient of the solders is given as (8-11) · 10 -6 K -1 .

In DE 10 2010 050 867 A1 werden kristallisierbare Gläser für Höchsttemperaturanwendungen aus dem System SrO-SiO2 beschrieben. Der Ausdehnungskoeffizient (20–300°C) ist größer als 8·10–6 K–1. Als kristalline Phasen bilden sich vorrangig verschiedene Strontiumsilicate. Dabei beginnen die Gläser erst oberhalb von 750°C mit dem Sintern.In DE 10 2010 050 867 A1 describes crystallizable glasses for high temperature applications from the system SrO-SiO 2 . The coefficient of expansion (20-300 ° C) is greater than 8 · 10 -6 K -1 . The crystalline phases are predominantly different strontium silicates. The glasses only start to sinter above 750 ° C.

Gegenstand der DE 198 57 057 C1 sind Glaskeramiken für HT-Brennstoffzellen auf Basis von MgO-haltigen Silicatgläsern. In den Ausführungsbeispielen ist ein maximaler thermischer Ausdehnungskoeffizient von 12,4·10–6 K–1 angegeben.Subject of the DE 198 57 057 C1 are glass-ceramics for HT fuel cells based on MgO-containing silicate glasses. In the embodiments, a maximum thermal expansion coefficient of 12.4 · 10 -6 K -1 is given.

WO 2010/099939 A4 beschreibt ein Lot aus dem System BaO-B2O3-SiO2. Der Boroxidgehalt beträgt 5–15 Gew.-%. Das kristallisierte Glaslot besitzt einen maximalen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 13·10–6 K–1. Dabei kann das Lot 0,5 Gew.-% von V2O5 und/oder Sb2O3 und/oder CoO zur Verbesserung der Haftung auf Metallen enthalten. Ein ähnliches Material, jedoch mit geringeren Anteilen an BaO, wird in EP 2 053 026 A1 beschrieben. Hierbei liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient jedoch bei lediglich ca. 10·10–6 K–1. WO 2010/099939 A4 describes a solder from the system BaO-B 2 O 3 -SiO 2 . The boron oxide content is 5-15 wt .-%. The crystallized glass solder has a maximum thermal expansion coefficient of 13 × 10 -6 K -1 . In this case, the solder 0.5 wt .-% of V 2 O 5 and / or Sb 2 O 3 and / or CoO to improve the adhesion to metals. A similar material, but with lower levels of BaO, is found in EP 2 053 026 A1 described. However, the thermal expansion coefficient is only about 10 · 10 -6 K -1 .

Die DE 10 2005 002 435 A1 beschreibt ein Glaslot, welches zumeist die Bestandteile SiO2, CaO, MgO, BaO, Al2O3 und B2O3 enthält. Dieses wird als Verbundwerkstoff mit zusätzlichen keramischen Bestandteilen eingesetzt und besitzt Ausdehnungskoeffizienten zwischen 9·10–6 K–1 und 13·10–6 K–1. Zur Verbesserung von Benetzung und Fließfähigkeit werden Anteile an V2O5, Li2O und Co2O3 hinzugefügt. Das Problem der Lote, welche Li2O enthalten, liegt oft darin, dass durch Li2O die elektrische Leitfähigkeit des Lotes erheblich erhöht wird. In den Ausführungsbeispielen wurden den Gläsern 3 Gew.-% Co2O3 zugegeben.The DE 10 2005 002 435 A1 describes a glass solder, which usually contains the constituents SiO 2 , CaO, MgO, BaO, Al 2 O 3 and B 2 O 3 . This is used as a composite material with additional ceramic components and has expansion coefficients between 9 · 10 -6 K -1 and 13 · 10 -6 K -1 . To improve wetting and flowability, portions of V 2 O 5 , Li 2 O and Co 2 O 3 are added. The problem of solders containing Li 2 O is often that Li 2 O significantly increases the electrical conductivity of the solder. In the exemplary embodiments, 3% by weight of Co 2 O 3 were added to the glasses.

Aus DE 101 22 327 A1 sind Al2O3-haltige Glaslote des Systems BaO-CaO-SiO2 mit Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 11·10–6 K–1 bekannt. Dabei wurden die Einflüsse verschiedenster oxidischer Zusätze untersucht. Beispielsweise ist CoO in einem Konzentrationsbereich von 1–3 Gew.-% für eine Erniedrigung der Oberflächenspannung verantwortlich. Auswirkungen der Zusätze auf die Haftung auf typischen HT-Materialien sind nicht angegeben.Out DE 101 22 327 A1 Al 2 O 3 -containing glass solders of the system BaO-CaO-SiO 2 with expansion coefficients of more than 11 · 10 -6 K -1 are known. The effects of various oxidic additives were investigated. For example, CoO is responsible for lowering the surface tension in a concentration range of 1-3% by weight. Effects of additives on adhesion to typical HT materials are not indicated.

In der US 4,385,127 A werden glaskeramische Beschichtungsmaterialien für Metallsubstrate aus dem System BaO-MgO-B2O3-SiO2 mit Ausdehnungskoeffizienten zwischen 7,5·10–6 K–1 und 15·10–6 K–1 (25–600°C) beschrieben. Erfindungsgemäß können Zusätze von Al2O3, CaO und ZnO von 0–15 bzw. 0–16 Gew.-% zugegeben werden. B2O3 ist in Mengen von 5–30 bzw. 6–25 Gew.-% enthalten. Barium-Zink-Magnesium-Silicate sind für ihre hohen Ausdehnungskoeffizienten bekannt. Jedoch zeigen diese, je nach Zusammensetzung, Phasenumwandlungen mit hoher Volumenzunahme bei Temperaturen ab ca. 300°C ( M. Kerstan, M. Müller, C. Rüssel, J. Solid State Chem. 188, 2012, 84–91 ). In the US 4,385,127 A Glass-ceramic coating materials for metal substrates from the system BaO-MgO-B 2 O 3 -SiO 2 with expansion coefficients between 7.5 · 10 -6 K -1 and 15 · 10 -6 K -1 (25-600 ° C) are described. Additions of Al 2 O 3 , CaO and ZnO of 0-15 or 0-16% by weight can be added according to the invention. B 2 O 3 is contained in amounts of 5-30 and 6-25 wt .-%. Barium zinc magnesium silicates are known for their high expansion coefficients. However, these show, depending on the composition, phase transformations with high volume increase at temperatures from about 300 ° C ( M. Kerstan, M. Muller, C. Russel, J. Solid State Chem. 188, 2012, 84-91 ).

Auch in der WO 98/46540 A1 werden MgO-haltige Bariumsilicat-Glaskeramiken mit verschiedenen Zusätzen, wie z. B. ZnO, beschrieben.Also in the WO 98/46540 A1 are MgO-containing barium silicate glass-ceramics with various additives, such. B. ZnO described.

US 3,467,534 A beschreibt Bariumsilicate mit Zusätzen verschiedenster Oxide, u. a. 0–5 Gew.-% ZnO und 0–3 Gew.-% CoO oder NiO. Außerdem können auch 0–10 Gew.-% an Alkalioxiden enthalten sein. Diese setzen jedoch die elektrischen Isolationseigenschaften deutlich herab. US 3,467,534 A describes barium silicates with additions of various oxides, including 0-5 wt .-% ZnO and 0-3 wt .-% CoO or NiO. In addition, 0-10 wt .-% of alkali oxides may be included. However, these significantly reduce the electrical insulation properties.

Aus den vorangegangenen Ausführungen wird ersichtlich, dass eine Vielzahl an glaskeramischen Lotmaterialien, insbesondere auf BaO-SiO2-Basis, existiert. Viele der beschriebenen Lote zeigen für das Fügen von hochtemperaturresistenten Legierungen jedoch zu niedrige Ausdehnungskoeffizienten oder sind wegen anderer Nachteile, insbesondere in Hinsicht auf die angestrebten Füge- und Einsatztemperaturen, nicht oder nur wenig geeignet. Vor allem für Nickellegierungen sollte der Ausdehnungskoeffizient auch in einem Bereich oberhalb von 13·10–6 K–1 mit Hilfe von Zusammensetzungsvariationen eingestellt werden können. Auch werden diese Ausdehnungskoeffizienten häufig für einen Temperaturbereich von beispielsweise 20–300°C angegeben, welcher für HT-Anwendungen eine eher untergeordnete Rolle spielt.From the foregoing, it will be seen that a variety of glass-ceramic brazing materials, in particular BaO-SiO 2 -based, exists. However, many of the solders described for the joining of high temperature resistant alloys to low expansion coefficients or are due to other disadvantages, especially with regard to the desired joining and use temperatures, not or only slightly suitable. Especially for nickel alloys, the coefficient of expansion should also be adjustable in a range above 13 × 10 -6 K -1 by means of composition variations. Also, these expansion coefficients are often given for a temperature range of, for example, 20-300 ° C, which plays a minor role for HT applications.

Da das Ausdehnungsverhalten nicht immer linear ist, können sich z. B. zwischen 20°C und 850°C ganz andere Ausdehnungskoeffizienten ergeben. Auch ist das Wärmedehnungsverhalten nur eine von vielen Eigenschaften, welche die Eignung als Lotmaterial bestimmen.Since the expansion behavior is not always linear, z. B. between 20 ° C and 850 ° C yield completely different coefficients of expansion. Also, the thermal expansion behavior is only one of many properties that determine the suitability as a solder material.

Weiterhin besitzen einige der beschriebenen Gläser hohe Konzentrationen an B2O3, was die chemische Beständigkeit deutlich herabsetzt. Auch wird meist keinerlei Aussage zum Sinterverhalten sowie zu der nach dem Fügeprozess erhaltenen Restporosität gemacht. Dabei ist eine möglichst hohe, am besten drucklose, Verdichtung essentiell für die Anwendung als Lot. Dieses muss schließlich ein Vermischen der beteiligten Reaktionsgase und eine damit verbundene Verminderung des Wirkungsgrades verhindern.Furthermore, some of the glasses described have high concentrations of B 2 O 3 , which significantly reduces the chemical resistance. Also, no statement is made on the sintering behavior and on the residual porosity obtained after the joining process. The highest possible, most pressureless, compaction is essential for the application as solder. This must eventually prevent mixing of the reaction gases involved and an associated reduction in the efficiency.

Auch sind eine gute Haftung sowie eine möglichst vollständige Benetzung der verschiedenen zu fügenden Materialien von größter Wichtigkeit.Good adhesion as well as complete wetting of the various materials to be joined are of utmost importance.

Des Weiteren sei noch erwähnt, dass aus dem Glas kein Cristobalit auskristallisieren darf. Cristobalit durchläuft bei ca. 270°C eine Phasenumwandlung, die mit einer beträchtlichen Volumenänderung verbunden ist. Dadurch können sowohl in dem glaskeramischen Lotmaterial selbst als auch an der Grenzfläche zu den Fügepartnern beträchtliche Spannungen auftreten, welche bei Temperaturwechsel zu einer Zerstörung der Fügeverbindung führen können.Furthermore, it should be mentioned that no cristobalite may crystallize out of the glass. Cristobalite undergoes a phase transformation at about 270 ° C, which is associated with a significant volume change. As a result, considerable stresses can occur both in the glass-ceramic solder material itself and at the interface with the joining partners, which can lead to destruction of the joint connection when the temperature changes.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, kristallisierende, cristobalitfreie und elektrisch gut isolierende, d. h. alkalifreie, Glaslote mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bereitzustellen, mit denen Metalle und/oder Keramiken, insbesondere wie sie in Hochtemperatur-Reaktoren, wie der Brennstoffzelle, im Temperaturbereich zwischen 700°C und 1000°C Verwendung finden, gefügt werden können.The invention is therefore based on the object, crystallizing, cristobalite and electrically good insulating, d. H. alkali-free, to provide glass solders with high thermal expansion coefficients, with which metals and / or ceramics, especially as they are used in high-temperature reactors, such as the fuel cell, in the temperature range between 700 ° C and 1000 ° C, can be added.

Die Verbunde sollen bei Temperaturen kleiner als 1000°C hergestellt werden und eine hohe mechanische Festigkeit sowie chemische Beständigkeit besitzen.The composites should be produced at temperatures of less than 1000 ° C and have a high mechanical strength and chemical resistance.

Diese Aufgabe wurde durch kristallisierende Glaslote mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich (11–16)·10–6 K–1 zum Fügen von Metallen und/oder Keramiken bei Temperaturen < 1000°C mit einer Grundzusammensetzung von
50–65 Mol% SiO2
20–34 Mol% RO (R = Mg, Ca, Sr oder Ba oder Mischungen hiervon)
15–25 Mol% MO (M = Zn, Co, Ni oder Cu oder Mischungen hiervon),
gelöst, wobei die Menge an CoO und/oder NiO und/oder CuO mindestens 5 Mol% beträgt und mindestens eines dieser drei Oxide in eine Kristall- bzw. Mischkristallphase mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebunden ist.
This object was achieved by crystallizing glass solders with high coefficients of thermal expansion in the range (11-16) · 10 -6 K -1 for joining metals and / or ceramics at temperatures <1000 ° C with a basic composition of
50-65 mol% SiO 2
20-34 mol% RO (R = Mg, Ca, Sr or Ba or mixtures thereof)
15-25 mol% MO (M = Zn, Co, Ni or Cu or mixtures thereof),
dissolved, wherein the amount of CoO and / or NiO and / or CuO is at least 5 mol% and at least one of these three oxides is incorporated in a crystal or mixed crystal phase having a high coefficient of thermal expansion.

Aus den beschriebenen Glaszusammensetzungen lassen sich Kristall- bzw. Mischkristallphasen mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auskristallisieren, sodass die entstehende Glaskeramik einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von (11–16)·10–6 K–1 besitzt. Nähere Ausgestaltungen zu diesen besagten Phasen der vorgeschlagenen Glaslote sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Crystalline or mixed crystal phases with high coefficients of thermal expansion can be crystallized out of the glass compositions described so that the resulting glass ceramic has an expansion coefficient in the range of (11-16) · 10 -6 K -1 . Further embodiments of these said phases of the proposed glass solders are listed in the subclaims.

Der Ausdehnungskoeffizient ist demzufolge sehr gut an den typischer HT-Materialien, wie sie z. B. in der HT-Brennstoffzelle im Temperaturbereich zwischen 700 und 1000°C Anwendung finden, angepasst. Daraus resultiert eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit der Fügeverbindung. Außerdem können die Glaslote zusätzliche Komponenten enthalten, beispielsweise zum Zweck einer kristallisationshemmenden Wirkung jeweils maximal 2 Mol% ZrO2, HfO2, Y2O3, La2O3, B2O3 und/oder Al2O3, begrenzt auf die Gesamtkonzentration von 5 Mol% dieser Komponenten.The coefficient of expansion is therefore very good on the typical HT materials, as z. B. in the HT fuel cell in the temperature range between 700 and 1000 ° C application adapted. This results in a very high thermal shock resistance of the joint. In addition, the glass solders may contain additional components, for example, for the purpose of crystallization-inhibiting effect in each case a maximum of 2 mol% ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , B 2 O 3 and / or Al 2 O 3 , limited to Total concentration of 5 mol% of these components.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt:The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. The drawing shows:

: Es sind die elektrochemischen Vorgänge an der Grenzfläche zwischen Glas und Metall am Beispiel eines Co2+-haltigen Glases zu sehen. Dabei laufen die bereits in der Beschreibung zum Stand der Technik genannten Vorgänge ab. Die Oberfläche des Metalls wird aufgeraut und infolge mechanischen Verhakens wird die Haftung zwischen Glas und Metall beträchtlich erhöht. : The electrochemical processes at the interface between glass and metal can be seen using the example of a Co 2+ -containing glass. In doing so, the processes already mentioned in the description of the state of the art expire. The surface of the metal is roughened and due to mechanical entanglement, the adhesion between glass and metal is considerably increased.

: Zu sehen ist das Wärmedehnungsverhalten von für 1 h bei 840°C kristallisierten Gläsern A und B, der hochdehnenden Phase BaCo2Si2O7 sowie der HT-Materialien Crofer 22 APU (ThyssenKrupp VDM) und Nicrofer 6025 HT (Thyssenkrupp VDM). Das Wärmedehnungsverhalten wurde jeweils mittels Dilatometrie bestimmt. : The thermal expansion behavior of glasses A and B crystallized at 840 ° C for 1 h, the BaCo 2 Si 2 O 7 high-expansion phase and the HT materials Crofer 22 APU (ThyssenKrupp VDM) and Nicrofer 6025 HT (Thyssenkrupp VDM) can be seen. The thermal expansion behavior was determined by dilatometry.

Die Grundzusammensetzungen der vorgeschlagenen Glaslote bestehen aus 50–65 Mol% SiO2, 20–34 Mol% RO (R = Mg, Ca, Sr oder Ba oder Mischungen hiervon), 15–25 Mol% MO (M = Zn, Co, Ni oder Cu oder Mischungen hiervon). Dabei darf die Summe der Komponenten CoO, NiO und CuO 5 Mol% nicht unterschreiten. Der hohe Ausdehnungskoeffizient wird durch die aus den Gläsern auskristallisierenden Phasen bestimmt. Dabei bilden sich verschiedene Bariumsilicate, vorrangig jedoch Sanbornit (BaSi2O5). Neben den Bariumsilicaten sind zusätzlich Mischkristalle u. a. der Form BaZn2-xCoxSi2O7 (0 ≤ x ≤ 2) für die hohe Wärmedehnung verantwortlich. Hierbei ist es von großer Bedeutung, dass die Haftoxide CoO, NiO oder CuO in Kristallphasen mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebaut werden, weil nur dann hohe Konzentrationen dieser Haftoxide verwendet werden können, ohne dass der thermische Ausdehnungskoeffizient abnimmt.The basic compositions of the proposed glass solders consist of 50-65 mol% SiO 2 , 20-34 mol% RO (R = Mg, Ca, Sr or Ba or mixtures thereof), 15-25 mol% MO (M = Zn, Co, Ni or Cu or mixtures thereof). The sum of the components CoO, NiO and CuO must not be less than 5 mol%. The high expansion coefficient is determined by the phases crystallizing out of the glasses. Various barium silicates are formed, but primarily sanbornite (BaSi 2 O 5 ). In addition to barium silicates, mixed crystals of the form BaZn 2-x Co x Si 2 O 7 (0 ≤ x ≤ 2) are additionally responsible for the high thermal expansion. Here, it is of great importance that the adhesive oxides CoO, NiO or CuO be incorporated in crystal phases with high thermal expansion coefficients, because only then high concentrations of these adhesive oxides can be used without the coefficient of thermal expansion decreases.

Die Ergebnisse der Dilatometrie sind in zu sehen. Dabei sind zwei verschiedene jeweils bei 840°C für 1 h kristallisierte Gläser mit folgenden Zusammensetzungen aufgeführt (Angaben in Mol%): Glas A: 8,5CoO·8,5ZnO·26BaO·57SiO2 Glas B: 17CoO·26BaO·57SiO2 The results of dilatometry are in to see. In this case, two different glasses each crystallized at 840 ° C. for 1 h are listed with the following compositions (data in mol%): Glass A: 8.5CoO · 8.5ZnO · 26BaO · 57SiO 2 Glass B: 17CoO · 26BaO · 57SiO 2

Außerdem sind in die Kurvenverläufe von reinem BaCo2Si2O7 sowie die von zwei typischen HT-resistenten Metalllegierungen (Nicrofer 6025 HT und Crofer 22 APU, jeweils von Thyssenkrupp VDM) dargestellt. Eine sehr gute Übereinstimmung des Ausdehnungsverhaltens der Materialien über annähernd den gesamten dargestellten Temperaturbereich ist erkennbar. Für die angegebenen Glaszusammensetzungen beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 100 bis 800°C 13,6·10–6 K–1 (Glas A) und 12,8·10–6 K–1 (Glas B). Für ein Glas mit ähnlicher Zusammensetzung wie Glas B (17CoO·26BaO·54SiO2·1ZrO2·1B2O3·1La2O3) wurde für den gleichen Temperaturbereich sogar ein Ausdehnungskoeffizient von 14,6·10–6 K–1 ermittelt. Die Ausdehnungskoeffizienten sind demnach so hoch, dass sie sich sogar für das Fügen hochdehnender Nickelbasislegierungen eignen. Durch Zusammensetzungsvariation kann der Ausdehnungskoeffizient auch gezielt eingestellt werden, beispielsweise durch den Anteil an CoO bzw. ZnO im Glas. So kristallisieren aus Gläsern mit geringeren CoO- und ZnO-Gehalten weniger hochdehnende Phasen der Form BaZn2-xCoxSi2O7 aus, was den Ausdehnungskoeffizienten der Glaskeramik erniedrigt.Also, in the curves of pure BaCo 2 Si 2 O 7 as well as those of two typical HT-resistant metal alloys (Nicrofer 6025 HT and Crofer 22 APU, each from ThyssenKrupp VDM) are shown. A very good agreement of the expansion behavior of the materials over almost the entire temperature range shown can be seen. For the given glass compositions, the coefficient of thermal expansion in the temperature range of 100 to 800 ° C is 13.6 · 10 -6 K -1 (glass A) and 12.8 · 10 -6 K -1 (glass B). For a glass of similar composition as glass B (17CoO 26BaO · · 54SiO 2 · 2 · 1ZrO 1B 2 O 3 · 1La 2 O 3) was determined for the same temperature range even an expansion coefficient of 14.6 × 10 -6 K -1 , The coefficients of expansion are therefore so high that they are even suitable for the joining of high-expansion nickel-based alloys. By composition variation, the expansion coefficient can also be adjusted selectively, for example by the proportion of CoO or ZnO in the glass. Thus, glasses with lower CoO and ZnO contents crystallize less highly expanding phases of the form BaZn 2-x Co x Si 2 O 7 , which lowers the expansion coefficient of the glass-ceramic.

Durch die Zugabe von geringen Mengen (1–2 Mol%) an B2O3, ZrO2, HfO2, Al2O3, Y2O3 oder La2O3 kann die Kristallisationstemperatur zu deutlich höheren Werten verschoben werden. Es können auch mehrere dieser Additive gleichzeitig verwendet werden. So kristallisiert Glas B ohne diese Zusätze bei 800°C, während durch Zugabe von jeweils 1 Mol% B2O3, ZrO2 und La2O3 die Kristallisationstemperatur auf 860°C ansteigt.By adding small amounts (1-2 mol%) of B 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 or La 2 O 3 , the crystallization temperature can be shifted to significantly higher values. It is also possible to use several of these additives at the same time. Thus crystallizes glass B without these additives at 800 ° C, while by addition of 1 mol% B 2 O 3 , ZrO 2 and La 2 O 3, the crystallization temperature rises to 860 ° C.

Bei allen Gläsern setzt die Kristallisation erst bei Temperaturen oberhalb der Sintertemperatur ein. Dadurch lassen sich die Gläser in einem Prozessschritt verdichten, fingen und kristallisieren. Trotz druckloser Verdichtung liegt die Restporosität bei unter 5%.For all glasses crystallization starts only at temperatures above the sintering temperature. As a result, the glasses can be compacted, caught and crystallized in one process step. Despite pressure-free compression, the residual porosity is less than 5%.

Das sehr gute Anhaften der Gläser auf metallischen Substraten beruht auf dem bereits erwähnten und aus der Emailtechnologie bekannten Effekt der CoO-Reduktion. Dabei bildet sich an der Grenzfläche metallisches Co. Diese metallischen Partikel konnten an den Grenzflächen zwischen Glaskeramik und Metall mit Hilfe von EDX-Analysen detektiert werden. Sie wurden sowohl an der Grenzfläche zu einem typischen SOFC-Edelstahl („Crofer 22 APU”) sowie an der einer HT-resistenten Ni-Cr-Fe-Legierung („Nicrofer 6025 HT”) gefunden. Des Weiteren kann durch die Zugabe von geringen Mengen an z. B. Ag2O und/oder CuO die Haftung verbessert werden.The very good adhesion of the glasses on metallic substrates is based on the already mentioned and known from the enamel technology effect of CoO reduction. In the process, metallic Co. is formed at the interface. These metallic particles could be detected at the interfaces between glass-ceramic and metal with the aid of EDX analyzes. They were found both at the interface to a typical SOFC stainless steel ("Crofer 22 APU") and an HT-resistant Ni-Cr-Fe alloy ("Nicrofer 6025 HT"). Furthermore, by the addition of small amounts of z. B. Ag 2 O and / or CuO adhesion can be improved.

Um eine fest haftende Fügeverbindung herzustellen, kann der Fügeprozess der BaO-haltigen Gläser unter vermindertem Sauerstoffpartialdruck stattfinden. Hierfür können die Proben während der Wärmebehandlung beispielsweise mit Argon gespült werden. Nach Beendigung des Fügeprozesses kann die Fügeverbindung auch sauerstoffhaltigen Atmosphären ausgesetzt werden. Weiterhin können die zu fügenden Metalle auch vor dem eigentlichen Fügeprozess einer thermischen Behandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, z. B. in Luft, unterzogen werden, was zu einer Oxidation an der Oberfläche (Voroxidation) führt. Wie bei allen Gläsern aus dem System BaO-SiO2 kann es bei erhöhten Temperaturen auch hier zur Bildung von BaCrO4 kommen. Eine Festigkeitsabnahme der Fügeverbindung infolge der Bildung von BaCrO4 konnte jedoch nicht festgestellt werden. In order to produce a firmly adhering joint, the joining process of the BaO-containing glasses can take place under reduced oxygen partial pressure. For this purpose, the samples can be rinsed during the heat treatment, for example with argon. After completion of the joining process, the joint connection can also be exposed to oxygen-containing atmospheres. Furthermore, the metals to be joined before the actual joining process of a thermal treatment in an oxygen-containing atmosphere, for. B. in air, which leads to an oxidation on the surface (pre-oxidation). As with all glasses from the BaO-SiO 2 system , BaCrO 4 may also be formed at elevated temperatures. However, a decrease in the strength of the joint due to the formation of BaCrO 4 could not be determined.

Die Gläser können in einem Temperaturbereich von 800 bis 1000°C gefügt und kristallisiert werden. Damit liegen die Fügetemperaturen unterhalb der Einsatztemperatur von HT-Reaktoren, wie z. B. der HT-Brennstoffzelle. Auch sind die Fügetemperaturen niedrig genug, dass es zu keiner Schädigung des metallischen Substratmaterials infolge zu starker Oxidation kommt.The glasses can be added in a temperature range of 800 to 1000 ° C and crystallized. Thus, the joining temperatures are below the operating temperature of HT reactors, such. B. the HT fuel cell. Also, the joining temperatures are low enough that there is no damage to the metallic substrate material due to excessive oxidation.

Überraschenderweise zeigen die erfindungsgemäß hergestellten Glaskeramiken nicht nur eine starke Anbindung an das Metall, sondern auch an Keramiken. Hierbei sollen insbesondere kubisch oder tetragonal stabilisiertes ZrO2 sowie elektronenleitende Keramiken mit perowskitähnlicher Struktur, beispielsweise der Zusammensetzungen (La, Sr)(Co, Mn, Cr)O3, hervorgehoben werden.Surprisingly, the glass ceramics produced according to the invention not only show a strong bond to the metal, but also to ceramics. In particular cubic or tetragonal stabilized ZrO 2 as well as electron-conducting ceramics with a perovskite-like structure, for example the compositions (La, Sr) (Co, Mn, Cr) O 3 , are to be emphasized here.

Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1

Ein Glas mit der Zusammensetzung 17CoO·26BaO·57SiO2 wird zerkleinert und auf eine Kornfraktion 25–100 μm gesiebt. Anschließend wird eine Korundform mit den Abmessungen 7 × 8 × 24 mm3 vollständig mit Glas gefüllt. Die Proben werden mit 5 K/min auf 840°C für 1 h aufgeheizt und anschließend mit 5 K/min abgekühlt. Dabei sintert das Glas ohne Einwirkung eines äußeren Druckes auf eine geschlossene Restporosität von 4,6% zusammen. Die Kristallphasen sind BaSi2O5 und BaCo2Si2O7. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient (100–800°C) beträgt 12,8·10–6 K–1.A glass having the composition 17CoO.26BaO.55SiO 2 is comminuted and sieved to a particle size of 25-100 μm. Subsequently, a corundum mold with the dimensions 7 × 8 × 24 mm 3 is completely filled with glass. The samples are heated at 5 K / min to 840 ° C for 1 h and then cooled at 5 K / min. The glass sinters together without external pressure to a closed residual porosity of 4.6%. The crystal phases are BaSi 2 O 5 and BaCo 2 Si 2 O 7 . The linear thermal expansion coefficient (100-800 ° C) is 12.8 × 10 -6 K -1 .

Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:

Ein Glas der Zusammensetzung 8,5ZnO·8,5CoO·26BaO·57SiO2 wird zerkleinert und auf eine Kornfraktion 25–100 μm gesiebt. Das Glaspulver wird auf ein Blech, bestehend aus Nicrofer 6025 HT, aufgebracht und anschließend mit 5 K/min auf 950°C für 1 h erhitzt. Während der Temperaturbehandlung befindet sich die Probe in einem Quarzrohr, welches mit Argon (10 l/h) gespült wird. Der Sauerstoffpartialdruck im Inneren des Rohres beträgt ca. 10–3 bar. Die entstandene Glaskeramik besitzt eine geschlossene Restporosität von unter 5%. Das Glas ist zu über 85% kristallisiert. Die Kristallphasen sind BaSi2O5 und ein Mischkristall der Form BaZn2-xCoxSi2O7 (0 ≤ x ≤ 2).A glass of the composition 8,5ZnO · 8,5CoO · 26BaO · 57SiO 2 is comminuted and sieved to a particle size of 25-100 μm. The glass powder is applied to a sheet consisting of Nicrofer 6025 HT, and then heated at 5 K / min to 950 ° C for 1 h. During the temperature treatment, the sample is in a quartz tube, which is purged with argon (10 l / h). The oxygen partial pressure inside the tube is about 10 -3 bar. The resulting glass ceramic has a closed residual porosity of less than 5%. The glass is crystallized to over 85%. The crystal phases are BaSi 2 O 5 and a mixed crystal of the form BaZn 2-x Co x Si 2 O 7 (0 ≦ x ≦ 2).

Ausführungsbeispiel 3:Embodiment 3

Ein Glas der Zusammensetzung 17COO·26BaO·54SiO2·1B2O3·1ZrO2·1La2O3 wird zerkleinert und auf eine Partikelgröße < 71 μm gesiebt. Eine 1 mm dicke Schicht des Glases wird auf ein Blech, bestehend aus Nicrofer 6025 HT, aufgebracht. Ein zweites Nicrofer-Blech wird auf die Glasschicht aufgelegt (Sandwich-Aufbau). Der Aufbau wird mit einem 100 g Gewicht beschwert und mit 5 K/min auf 865°C aufgeheizt. Die Temperatur wird 40 min gehalten. Während der Temperaturbehandlung befindet sich die Probe in einem Quarzrohr, welches mit Argon (10 l/h) gespült wird. Der Sauerstoffpartialdruck im Inneren des Rohres beträgt ca. 10–3 bar. Nach der Temperaturbehandlung beträgt die Schichtdicke der Glasschicht 0,35 mm. Das Lot besitzt eine Restporosität von 4,0%. Die Kristallphasen sind BaSi2O5 und BaCo2Si2O7. Die Prüfung mittels Scherzugversuch ergibt eine Scherfestigkeit von 2,65 MPa. Die Grenzfläche zwischen Metall und Lot bleibt dabei intakt.A glass composition 17COO 26BaO · · 54SiO 2 · 1B 2 O 3 · 2 · 1ZrO 1La 2 O 3 is crushed and sieved to a particle size of <71 microns. A 1 mm thick layer of the glass is applied to a sheet consisting of Nicrofer 6025 HT. A second Nicrofer sheet is placed on the glass layer (sandwich construction). The structure is weighted with a 100 g weight and heated at 5 K / min to 865 ° C. The temperature is maintained for 40 minutes. During the temperature treatment, the sample is in a quartz tube, which is purged with argon (10 l / h). The oxygen partial pressure inside the tube is about 10 -3 bar. After the temperature treatment, the layer thickness of the glass layer is 0.35 mm. The solder has a residual porosity of 4.0%. The crystal phases are BaSi 2 O 5 and BaCo 2 Si 2 O 7 . The shear tensile test results in a shear strength of 2.65 MPa. The interface between metal and solder remains intact.

Ein solcher Sandwich-Aufbau mit Crofer 22 APU erreicht bei gleichen Fügeparametern eine Scherfestigkeit von 2,04 MPa. Werden die Proben nach dem Fügen bei erhöhten Temperaturen unter Luft ausgelagert, wird die Festigkeit gesteigert. Eine 50-stündige Auslagerung bei 800°C führt zu einer Festigkeitssteigerung auf 2,91 MPa.Such a sandwich construction with Crofer 22 APU achieves a shear strength of 2.04 MPa for the same joining parameters. If the samples are removed after joining at elevated temperatures under air, the strength is increased. A 50-hour aging at 800 ° C leads to an increase in strength to 2.91 MPa.

Ausführungsbeispiel 4:Embodiment 4

Ein Glas der Zusammensetzung 6CoO·6NiO·6ZnO·22BaO·60SiO2 wird pulverisiert und eine Kornfraktion 25–100 μm abgetrennt. Das pulverisierte Glas wird mit Öl angerührt und auf eine Platte aus dem Edelstahl Crofer 22 APU aufgetragen.A glass of the composition 6CoO · 6NiO · 6ZnO · 22BaO · 60SiO 2 is pulverized and a grain fraction 25-100 microns separated. The powdered glass is mixed with oil and applied to a plate made of stainless steel Crofer 22 APU.

Eine Fläche von ca. 1 × 1 cm2 wird mit der Öl-Glas-Suspension bestrichen. Dann wird dieser Verbund langsam mit einer Rate von 2 K/min auf eine Temperatur von 880°C aufgeheizt. Diese Temperatur wird für eine Stunde gehalten. Während der Temperaturbehandlung befindet sich die Probe in einem Quarzrohr, welches mit Argon (10 l/h) gespült wird. Dieses Temperatur/Zeitprogramm führt zu einer Verdichtung von 97%, d. h. zu einer Restporosität von nur 3%. Das Glas ist zu ca. 86% kristallisiert. Es kristallisieren Sanbornit sowie Mischkristalle der Form BaZn2-x-zCoyNizSi2O7 (0 ≤ (x + z) ≤ 2).An area of about 1 × 1 cm 2 is coated with the oil-glass suspension. Then this composite is heated slowly at a rate of 2 K / min to a temperature of 880 ° C. This temperature is maintained for one hour. During the temperature treatment, the sample is in a quartz tube, which is purged with argon (10 l / h). This temperature / time program leads to a compression of 97%, ie to a residual porosity of only 3%. The glass is crystallized to about 86%. Sanbornite and mixed crystals of the form BaZn 2-xz Co y Ni z Si 2 O 7 crystallize (0 ≤ (x + z) ≤ 2).

Ausführungsbeispiel 5: Embodiment 5:

Ein Glas der Zusammensetzung 8,5ZnO·8,5CoO·26BaO·54SiO2·1La2O3·1ZrO2·1B2O3 wird auf eine Partikelgröße < 71 μm gesiebt. Eine 1 mm dicke Schicht des Glases wird auf ein Blech, bestehend aus Nicrofer 6025 HT, aufgebracht. Auf das Glaspulver wird eine Keramikplatte aus Perowskit aufgelegt. Auf diesen Sandwichaufbau wird ein 100 g schweres Gewicht aufgelegt. Anschließend wird mit 2 K/min auf 865°C aufgeheizt. Die Temperatur wird 40 min gehalten. Eine besonders feste Verbindung zwischen Glas und Metall wird erreicht, wenn der Fügeprozess unter Argon stattfindet. Das Lot haftet dabei sehr gut an beiden Materialien.A glass composition 8,5ZnO 8,5CoO · · · 54SiO 2 · 26BaO 1La 2 O 3 · 2 · 1ZrO 1B 2 O 3 is sieved to a particle size <71 microns. A 1 mm thick layer of the glass is applied to a sheet consisting of Nicrofer 6025 HT. On the glass powder, a ceramic plate made of perovskite is applied. On this sandwich construction, a 100 g weight is applied. The mixture is then heated at 2 K / min to 865 ° C. The temperature is maintained for 40 minutes. A particularly strong bond between glass and metal is achieved when the joining process takes place under argon. The solder adheres very well to both materials.

Ein solcher Sandwichaufbau, bestehend aus Metall, kristallisierendem Glaslot und Keramik, mit gleicher Glaszusammensetzung zeigt unter Verwendung der Materialien Crofer 22 APU und ZrO2 ähnlich gute Hafteigenschaften.Such a sandwich construction consisting of metal, crystallizing glass solder and ceramic, with the same glass composition shows similarly good adhesion properties using the materials Crofer 22 APU and ZrO 2 .

Ausführungsbeispiel 6:Embodiment 6:

In eine 5 mm dicke Platte aus Nicrofer 6025 HT wird eine 2 mm tiefe kegelförmige Vertiefung eingebracht. Der Durchmesser an der Probenoberfläche beträgt 10 mm. In diese Vertiefung wird ein Glas (Kornfraktion 25–100 μm) der Zusammensetzung 14NiO·2ZnO·28BaO·54SiO2·1La2O3·1ZrO2 eingebracht. Hierzu wird zuerst ein gießfähiger Schlicker mit einer für die Herstellung keramischer Folien üblichen Zusammensetzung hergestellt. Nach Aufheizen mit 2 K/min auf 900°C für 1 h besitzt das Lot eine Restporosität von unter %. Neben Bariumsilicaten bilden sich hierbei feste Lösungen der Form BaZn2-xNixSi2O7 (0 ≤ x ≤ 2).A 2 mm deep conical recess is placed in a 5 mm thick Nicrofer 6025 HT plate. The diameter at the sample surface is 10 mm. In this recess a glass (particle size fraction 25-100 .mu.m) is introduced to the composition 14NiO · 2ZnO · 28BaO · 54SiO 2 · 1La 2 O 3 · 1ZrO. 2 For this purpose, a pourable slurry with a composition customary for the production of ceramic films is first produced. After heating at 2 K / min to 900 ° C for 1 h, the solder has a residual porosity of less than%. In addition to barium silicates, solid solutions of the form BaZn 2-x Ni x Si 2 O 7 (0 ≦ x ≦ 2) are formed.

Ausführungsbeispiel 7:Embodiment 7:

Ein Glas der Zusammensetzung 6Cu0·10NiO·2ZnO·24BaO·58SiO2 wird auf eine Kornfraktion 25–100 μm gesiebt. Das mit 1%-iger wässriger Polyvinylalkohollösung angerührte Glas wird auf ein Blech aus der Nickellegierung Nicrofer 6025 HT aufgebracht. Anschließend wird mit 2 K/min auf 880°C aufgeheizt. Diese Temperatur wird 40 min gehalten. Das Abkühlen erfolgt ebenfalls mit 2 K/min. Während des Fügeprozesses wird der Probenraum mit 10 l/h Argon gespült. Das Lot zeigt sehr gute Haftung an dem Metallsubstrat. Die entstehenden Hauptkristallphasen sind Sanbornit und feste Lösungen der Form BaZn2-x-zCuxNizSi2O7 (0 ≤ (x + z) ≤ 2).A glass of the composition 6CuO.10NiO.2ZnO.24BaO.58SiO 2 is sieved to a particle size of 25-100 μm. The glass, which has been stirred with 1% strength aqueous polyvinyl alcohol solution, is applied to a sheet of the nickel alloy Nicrofer 6025 HT. The mixture is then heated at 2 K / min to 880 ° C. This temperature is maintained for 40 minutes. The cooling also takes place at 2 K / min. During the joining process, the sample chamber is rinsed with 10 l / h argon. The solder shows very good adhesion to the metal substrate. The resulting main crystal phases are Sanbornite and solid solutions of the form BaZn 2-xz Cu x Ni z Si 2 O 7 (0 ≤ (x + z) ≤ 2).

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  • M. Kerstan, M. Müller, C. Rüssel, J. Solid State Chem. 188, 2012, 84–91 [0039] M. Kerstan, M. Muller, C. Russel, J. Solid State Chem. 188, 2012, 84-91 [0039]

Claims (8)

Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich (11–16)·10–6 K–1 zum Fügen von Metallen und/oder Keramiken bei Temperaturen < 1000°C mit einer Grundzusammensetzung von 50–65 Mol% SiO2 20–34 Mol% RO (R = Mg, Ca, Sr oder Ba oder Mischungen hiervon) 15–25 Mol% MO (M = Zn, Co, Ni oder Cu oder Mischungen hiervon), wobei die Menge an CoO und/oder NiO und/oder CuO mindestens 5 Mol% beträgt und mindestens eines dieser drei Oxide in eine Kristall- bzw. Mischkristallphase mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingebunden ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders with high coefficients of thermal expansion in the range (11-16) × 10 -6 K -1 for joining metals and / or ceramics at temperatures <1000 ° C. with a basic composition of 50-65 mol% SiO 2 20 -34 mol% RO (R = Mg, Ca, Sr or Ba or mixtures thereof) 15-25 mol% MO (M = Zn, Co, Ni or Cu or mixtures thereof), the amount of CoO and / or NiO and / or CuO is at least 5 mol% and at least one of these three oxides is incorporated into a crystal or mixed crystal phase having a high coefficient of thermal expansion. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck einer kristallisationshemmenden Wirkung jeweils maximal 2 Mol% ZrO2 und/oder HfO2 und/oder Y2O3 und/oder La2O3 und/oder B2O3 und/oder Al2O3, begrenzt auf die Gesamtkonzentration von 5 Mol% dieser Komponenten, enthalten sind.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to Claim 1, characterized in that, for the purpose of a crystallization-inhibiting effect, in each case a maximum of 2 mol% ZrO 2 and / or HfO 2 and / or Y 2 O 3 and / or La 2 O 3 and / or B 2 O 3 and / or Al 2 O 3 , limited to the total concentration of 5 mol% of these components are included. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei thermischer Behandlung des Glaslotes mindestens eine Kristallphase mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten ≥ 12·10–6 K–1 auskristallisiert ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1, characterized in that upon thermal treatment of the glass solder at least one crystal phase having a thermal expansion coefficient ≥ 12 · 10 -6 K -1 is crystallized out. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase ein Erdalkalisilicat (RO mit R = Calcium, Strontium oder Barium) ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1 or 3, characterized in that the crystal phase is an alkaline earth silicate (RO with R = calcium, strontium or barium). Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase ein Erdalkalizinksilicat ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1 or 3, characterized in that the crystal phase is an alkaline earth zinc silicate. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase ein Erdalkalikobaltsilicat ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1 or 3, characterized in that the crystal phase is an alkaline-earth cobalt silicate. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallphase ein Erdalkalinickelsilicat ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1 or 3, characterized in that the crystal phase is an alkaline earth nickel silicate. Alkalifreie, kristallisierende und cristobalitfreie Glaslote gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die enthaltene Kristallphase ein Mischkristall der Form BaZn2-x-y-zCoxNiyCuzSi2O7 (0 ≤ (x + y + z) ≤ 2), insbesondere BaZn2-xCoxSi2O7 (0 ≤ x ≤ 2), ist.Alkali-free, crystallizing and cristobalite-free glass solders according to claim 1 or 3, characterized in that the crystal phase contained is a mixed crystal of the form BaZn 2-xyz Co x Ni y Cu z Si 2 O 7 (0 ≤ (x + y + z) ≤ 2) , in particular BaZn 2-x Co x Si 2 O 7 (0 ≦ x ≦ 2).
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