DE102013009001A1 - Crystallizing, cristobalite-free and electrically well-insulating glass solders with high thermal expansion coefficients for joining metals and / or ceramics - Google Patents
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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.
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 (
Nach vollständiger Auflösung des Eisenoxids trifft das Glas direkt auf metallisches Eisen. Dieses wird dann durch das im Glas enthaltene Kobaltoxid reduziert (
Es bilden sich Lokalelemente, d. h. kurzgeschlossene galvanische Elemente, mit flüssigem Glas als Elektrolyt (
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 (
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 (
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 (
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 (
Bei Nickellegierungen besteht ein ähnliches Problem wie bei den Edelstählen. Das elektrochemische Potential ist noch höher als das von Edelstählen (
Auch hier kann durch die Zugabe von edleren Haftoxiden, wie z. B. Ag2O, das Anhaften verbessert werden (
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 (
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:
Die so entstandenen Sauerstoffionen wandern durch den Elektrolyten zur Anode (
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 (
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 (
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 (
Als Interkonnektormaterialien für HT-Brennstoffzellen eignen sich u. a. Nickelbasislegierungen und hochchromhaltige Edelstähle (
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 (
Die
Dies gilt auch für Fügelote gemäß
Ein ähnliches Al2O3-haltiges Glas aus dem System BaO-SiO2 wird in
Ein B2O3-freies, glaskeramisches Lotmaterial wird in
In
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Die
Aus
In der
Auch in der
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:
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
Außerdem sind in
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:
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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