(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも１つの金属材料とを含む本体であって、前記脆性材料は、前記金属材料と共に、２５０℃を上回る温度、特に３００℃を上回る温度、好ましくは４００℃を上回る温度、特に５００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成し、前記脆性材料と前記金属材料との前記結合は、前記脆性材料と前記金属材料との間の中間層を含み、前記中間層は、延性材料、好ましくは延性金属からなり、特に、破断伸びが１％以上、好ましくは２％以上、特に４％以上、非常に好ましくは１０％以上、特に１％〜２０％の範囲、非常に特に好ましくは２％〜１５％の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなる、本体を含む。
2017501106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの脆性材料（１）、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも１つの金属材料（３）とを含む本体（１００）であって、
前記脆性材料（１）は、前記金属材料（３）と共に、２５０℃を上回る温度、特に３００℃を上回る温度、好ましくは４００℃を上回る温度、特に５００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成し、
前記脆性材料（１）と前記金属材料（３）との前記結合は、前記脆性材料（１）と前記金属材料（３）との間の中間層（２０）を含み、
前記中間層（２０）は、延性材料、好ましくは延性金属からなり、特に、破断伸びが１％以上、好ましくは２％以上、特に４％以上、非常に好ましくは１０％以上、特に１％〜４５％の範囲、特に好ましくは１％〜２０％の範囲、非常に好ましくは２％〜２０％の範囲、非常に特に好ましくは２％〜１５％の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなる、
ことを特徴とする本体（１００）。
【請求項２】
前記中間層（２０）は、層厚さが５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、特に２０μｍ〜２００μｍの範囲、好ましくは５０μｍ〜１５０μｍの範囲、特に好ましくは８０μｍ〜１２０μｍの範囲にあるフィルムである、
請求項１記載の本体（１００）。
【請求項３】
前記中間層（２０）は、
・ガルバニック析出、
・クラッド、特に圧延クラッド、
・溶射、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジング、
・真空蒸着
・マグネトロンスパッタリング、
のうちのいずれか１つの方法によって、前記脆性材料（１）及び／又は前記金属材料（３）の上に被着される、
請求項１記載の本体（１００）。
【請求項４】
前記中間層の層厚さは、
・ガルバニック析出された中間層の場合には、１０〜７０μｍ、特に１０〜２０μｍであり、
・クラッド、特に圧延クラッドによって被着された中間層の場合には、２０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍ、特に８０〜１２０μｍであり、
・溶射によって被着された中間層の場合には、５０〜４００μｍ、特に１００〜３００μｍであり、
・ホットディップアルミナイジングによって被着された中間層の場合には、２０〜１００μｍであり、
・真空蒸着によって被着された中間層の場合には、１〜２０μｍであり、
・マグネトロンスパッタリングによって被着された中間層の場合には、１〜２０μｍである、
請求項３記載の本体（１００）。
【請求項５】
前記延性金属は、アルミニウム、又は純アルミニウム、又は最純アルミニウム、又は金、又はチタンである、
請求項１から４のいずれか１項記載の本体（１００）。
【請求項６】
前記脆性材料（１）は、２０℃〜３００℃の温度範囲において、好ましくは長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）が４×１０−６／Ｋ以下、好ましくは２×１０−６／Ｋ以下、好ましくは−１．０×１０−６／Ｋ以上、且つ４×１０−６／Ｋ以下の範囲、特に好ましくは−０．６×１０−６／Ｋ以上、且つ２×１０−６／Ｋ以下の範囲にある低膨張の材料である、
請求項１から５のいずれか１項記載の本体（１００）。
【請求項７】
前記脆性材料（１）は、ガラスセラミック、特にＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ系ガラスセラミック、又はガラス、特にホウケイ酸ガラスである、
請求項６記載の本体。
【請求項８】
前記金属材料（３）の長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）は、２０×１０−６／Ｋ以下、特に４×１０−６／Ｋ以上、且つ６×１０−６／Ｋ以下の範囲にある、
請求項１から７のいずれか１項記載の本体。
【請求項９】
前記金属材料（３）は、長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が、α脆性−２０×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋２０×１０−６／Ｋの範囲になるように、好ましくはα脆性−１０×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋１０×１０−６／Ｋの範囲になるように、特にα脆性−５×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋５×１０−６／Ｋの範囲になるように選択される、
請求項１から８のいずれか１項記載の本体。
【請求項１０】
前記金属材料（３）は、タングステン、又はモリブデン、又はコバール、又は鋼、又はステンレス鋼、特にオーステナイト系ステンレス鋼若しくはフェライト系ステンレス鋼である、
請求項１から９のいずれか１項記載の本体。
【請求項１１】
前記脆性材料（１）は、前記素材結合による結合の領域において、前処理された表面（１０）、特に熱的又は化学的に予負荷された表面（１０）、及び／又は、強度向上用コーティングが施された表面（１０）、及び／又は、局所的又は全面的にエッチング及び／又は研磨された表面（１０）を有する、
請求項１から１０のいずれか１項記載の本体。
【請求項１２】
前記金属材料（３）は、前記中間層の領域において好ましくは厚さのばらつきが３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、特に３μｍ以下である充分に均一な厚さ分布を有する、
請求項１から１１のいずれか１項記載の本体。
【請求項１３】
前記中間層は、好ましくは厚さのばらつきが２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、特に１μｍ以下である充分に均一な厚さ分布を有する、
請求項１から１２のいずれか１項記載の本体。
【請求項１４】
前記高温耐性を有する素材結合による結合は、広い温度範囲ΔＴに亘って、好ましくは２５０Ｋを超える温度範囲ΔＴに亘って、特に２５０Ｋと１３００Ｋの間の温度範囲ΔＴに亘って、特に２５０Ｋと９００Ｋの間の温度範囲ΔＴに亘って、特に２５０Ｋと５００Ｋの間の温度範囲ΔＴに亘って、温度変化耐性を有する、
請求項１から１３のいずれか１項記載の本体。
【請求項１５】
前記金属材料は、好ましくは変形によって製造された、金属要素、特に成形体（２００）、好ましくは圧延された成形体である、
請求項１から１４のいずれか１項記載の本体。
【請求項１６】
脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法であって、
・第１結合面（１０）を備え、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）が４×１０−６／Ｋ以下、特に２×１０−６／Ｋ以下、好ましくは−１．０×１０−６／Ｋ以上、且つ４×１０−６／Ｋ以下の範囲、好ましくは−０．６×１０−６／Ｋ以上、且つ２×１０−６／Ｋ以下の範囲にある低膨張の脆性材料を供給し、
・第２結合面（１２）を備え、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が２０×１０−６／Ｋ以下、特に４×１０−６／Ｋ以上、且つ６×１０−６／Ｋ以下の範囲にある金属材料、特にコバールを供給し、
・破断伸びが１％以上、好ましくは２％以上、特に４％以上、非常に好ましくは１０％以上、特に１％〜２０％の範囲、非常に特に好ましくは２％〜１５％の範囲にある延性材料、特に延性金属からなり、好ましくは層厚さが５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、特に５０μｍと２００μｍの間にある中間層（２０）を、前記第１結合面（１０）と前記第２結合面（１２）との間に挿入し、
・２５０℃を上回る温度、特に３００℃を上回る温度、好ましくは４００℃を上回る温度、特に５００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合が形成されるように、前記中間層（２０）を介して前記脆性材料（１）を前記金属材料（３）に素材結合によって結合する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法であって、
・第１結合面（１０）を備え、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）が４×１０−６／Ｋ以下、特に２×１０−６／Ｋ以下、好ましくは−１．０×１０−６／Ｋ以上、且つ４×１０−６／Ｋ以下の範囲、好ましくは−０．６×１０−６／Ｋ以上、且つ２×１０−６／Ｋ以下の範囲にある低膨張の脆性材料を供給し、
・第２結合面（１２）を備え、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が２０×１０−６／Ｋ以下、特に４×１０−６／Ｋ以上、且つ６×１０−６／Ｋ以下の範囲にある金属材料、特にコバールを供給し、
・好ましくは破断伸びが１％以上、好ましくは２％以上、特に４％以上、非常に好ましくは１０％以上、特に１％〜２０％の範囲、非常に特に好ましくは２％〜１５％の範囲にある延性材料、好ましくは延性金属からなり、好ましくは層厚さが特に５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、特に５０μｍと２００μｍの間にある中間層（２０）を、前記第１結合面（１０）及び／又は前記第２結合面（１２）に結合させ、特に素材結合によって結合させ、
・前記第１結合面及び／又は前記第２結合面に前記中間層（２０）を被着させた後、２５０℃を上回る温度、特に３００℃を上回る温度、好ましくは４００℃を上回る温度、特に５００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合が形成されるように、前記脆性材料（１）を前記金属材料（３）に結合させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記脆性材料（１）を、好ましくはスポット溶接、又はロールシーム溶接、又はねじり溶接の形態の溶接によって、特に超音波溶接によって、前記金属材料（３）に結合させる、
請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１結合面を前処理し、特に熱的又は化学的に予負荷、及び／又は、強度向上用コーティングを施し、及び／又は、局所的又は全面的にエッチング及び／又は研磨する、
ことを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも１つの金属材料とを含む本体、並びに、脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法に関する。
【０００２】
例えばガラス、ガラスセラミック、セラミックのような脆性材料を金属材料に結合させるために、従来技術では種々異なる手段が開示されているが、従来技術によるこのような結合は高温領域に対して確実な素材結合による結合を提供することができない、という課題が常に存在する。
【０００３】
脆性材料と金属材料とからなるこのような結合が２５０Ｋを超える温度差による温度変化に曝されている場合には、さらなる課題が存在する。このような場合には、結合箇所において本体が破壊する傾向があるのである。
【０００４】
このような温度変化耐性の課題を解決するために従来技術には、所期の使用分野において、脆性材料、特にガラス、ガラスセラミック、又はセラミックに対し、その膨張特性の点で充分に適合された金属材料を使用することが開示されている。しかしながらこの場合にも、材料同士を非常に特殊に組み合わせた場合にしか、しかも狭い温度範囲、例えば２５０℃でしか、膨張率の適合ができないという課題が存在する。
【０００５】
従来技術で議論されている別の手段は、接着を用いた脆性材料と金属原料との素材結合による結合であり、この場合には接着材料がその弾性特性に基づいて、結合すべき材料同士のそれぞれ異なる熱膨張を補償している。従来技術におけるこのような接着材料の例は、例えばシリコーン接着材料である。しかしながら、このような素材結合による結合の欠点は、耐熱性が基本的に２５０℃未満の温度に制限されていることである。３００℃を上回る温度にも耐久し得る接着材料も知られてはいるが、限定された時間のみである。
【０００６】
素材結合による結合のさらなる手段は、脆性材料と金属材料との間で結合部に生じる応力を、中間ガラス又はガラスはんだを用いて低減させることである。しかしながらこのような解決方法の場合にも、温度変化が２５０Ｋを超える場合に脆性材料の熱膨張率と金属材料の熱膨張率との差を補償することができないという課題が存在する。
【０００７】
さらなる手段は、脆性材料と金属材料との間の所期の結合を、素材結合によって形成するのではなく、例えばクランプ又はねじによって構造的に形成することである。しかしながらこの場合には、対応するコンポーネント同士、特にねじ結合のコンポーネント同士においてもそれぞれ異なる熱膨張率を、脆性材料における破壊を引き起こし得る応力が確実に回避されるほど充分に補償することができないという欠点が存在する。脆性材料と金属材料との構造的なボンディングのさらなる欠点は、結合の可能な幾何形状構成に関する制限が大きいことである。
【０００８】
独国特許出願公開第１０２００５０４７００６号明細書からは、ガラス又はガラスセラミック材料を、ろう接材料、特にガラスベースのろう接材料を用いて別のコンポーネント、例えば金属と結合することが公知である。ろう接材料として、独国特許出願公開第１０２００５０４７００６号明細書では、鉛・ホウ塩酸ガラス、又はビスマス・錫・ホウ酸塩ガラスのような無機のガラスベースのろう接材料が議論されている。
【０００９】
ろう接プロセスは、独国特許出願公開第１０２００５０４７００６号明細書では、接合すべき両コンポーネントと、ろう接材料との間における拡散プロセスにより、接合すべき両コンポーネントを１つに統合することによって実施される。使用されるろう接材料の融点温度は、接合すべき両コンポーネントの融点温度よりも低く、好ましくは２００℃〜７００℃の範囲にある。独国特許出願公開第１０２００５０４７００６号明細書に記載された１つの実施形態では、特に温度変化ΔＴが２５０Ｋを超える場合に、相互に結合されたコンポーネント同士の間に応力が発生する。
【００１０】
独国特許出願公開第１０２００８００２９５９号明細書からは、第１材料からなる第１要素を、中間要素を使用して超音波によって第２材料からなる第２要素にシール溶接する方法が公知である。しかしながら、独国特許出願公開第１０２００８００２９５９号明細書は、高温耐性を有する結合、特にΔＴが２５０Ｋを超える広い温度範囲にわたって温度変化耐性を有する結合を開示していない。さらに、独国特許出願公開第１０２００８００２９５９号明細書に記載されている結合は、実質的に室温用に設計された結合である。
【００１１】
スイス国特許発明第４２３２９４号明細書からは、非金属の要素、好ましくは非金属の光学要素に金属ストリップを取り付ける方法が公知である。スイス国特許発明第４２３２９４号明細書には中間層を使用することは示されておらず、さらに金属ストリップ、例えばアルミニウムストリップは、超音波結合法によって光学要素に直接的に結合される。
【００１２】
欧州特許出願公開第０２６２６９９号明細書は、第１要素と第２要素とを結合する方法を開示しており、ここでは、第１要素は少なくとも部分的にガラス又はセラミックからなり、第２要素は少なくとも部分的に金属からなり、これら２つの要素の結合は、第１要素のガラス部分又はセラミック部分と第２要素の金属部分との間で形成される。欧州特許出願公開第０２６２６９９号明細書に記載された方法では、第１要素の上述のガラス又はセラミック部分に、金属からなる補助要素が固体接合によって結合される。次いで、金属からなるこの補助要素に、第２要素の金属部分がレーザ光線によって溶接される。この補助要素は、第１要素と第２要素との間に位置している。欧州特許出願公開第０２６２６９９号明細書に記載された方法では、２５０℃以下という低い温度で使用するための結合の形成しか意図されていない。欧州特許出願公開第０２６２６９９号明細書にはさらに、金属と脆性材料との間における高い温度変化耐性を有する結合は示されていない。さらには、欧州特許出願公開第０２６２６９９号明細書に記載された結合は、寸法安定性が高く、且つ、対応する結合部材同士の間で僅かな応力しか発生しないような結合である。
【００１３】
米国特許第４８９６８１６号明細書は、金属要素と、ガラスセラミック材料からなる本体との間の結合を形成する方法を提示しており、ここでは結合材料として、高温拡散によってガラスセラミック材料内に浸透する金属が使用されている。米国特許第４８９６８１６号明細書からは、高い耐熱性も、広い温度範囲に亘る温度変化耐性も開示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、本発明の課題は、上に挙げた課題を解決し、高温領域に適していて高い温度変化耐性を提供するような本体、又は脆性材料と別の金属材料との間の素材結合による結合を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明によれば上記の課題は、本体が、少なくとも１つの脆性材料、特にガラスセラミック、ガラス、又はセラミックと、少なくとも１つの金属材料とからなり、脆性材料は、金属材料と共に、２５０℃を上回る温度、特に３５０℃を上回る温度、より好ましくは４００℃を上回る温度、特に５００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する素材結合による結合を形成することによって解決される。
【００１６】
本発明によれば、脆性材料と金属材料との結合は、脆性材料と金属材料との間の中間層を含み、特に中間層は、延性材料、好ましくは延性金属からなる。中間層は、脆性材料と金属材料との間に結合が形成されるように保証する。さらには、脆性材料と金属材料との間に生じる応力をこの中間層によって少なくとも部分的に減衰することができる。延性材料、特に延性金属は、変形能の高さにおいて優れている。延性材料は、金属材料と脆性材料との間の熱応力を特に流動によって補償可能であるという特性を有する。このような延性材料は、例えばアルミニウム、特に純アルミニウム若しくは最純アルミニウム、又は金、又はチタンである。本明細書における延性材料、好ましくは延性金属は、好ましくは破断伸び又は極限伸びが１％以上、好ましくは１０％以上、特に１％〜４５％の範囲、特に好ましくは１％〜２０％の範囲、非常に好ましくは２％〜２０％の範囲、非常に特に好ましくは２％〜１５％の範囲にあるような金属であると理解される。純アルミニウムの延性は、当該材料の軟度が極めて大きいという点において現れる。さらには、純アルミニウムの場合の破断伸び又は破壊伸びは非常に高く、最大４５％にもなり得る。
【００１７】
本発明に係る範囲にある破断伸びを有する特に好ましい材料は、例えば、Ahornstrasse 16, D82291 Mammendorf に在所のALUJET GmbH社の製品であり、厚さ０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲において横断方向に４％以上、且つ長手方向に４％以上の破断伸びを有する純アルミニウムフィルムＡｌ９９．５―平滑、柔軟、ブライト加工―（Reinaluminiumfolie Al 99,5 - glatt, weich, walzblank -）か、又は、Carl-Schurz-Str. 1に在所の3M Deutschland GmbH社の製品であり、フィルムの層厚さが０．０５ｍｍである場合に同じく４％以上の破断伸びを有するアルミニウムフィルム７８００である。
【００１８】
本発明に係る結合においては、応力の一部が中間層によって、１００℃より高い場合には流動によっても弾性に減衰されるが、残留応力が残っていてもよい。
【００１９】
脆性材料が、金属材料と共に、４００℃以上の温度、好ましくは５００℃以上の温度に対して高温耐性を有する素材結合による結合を形成する場合には、特に好ましい。温度差ΔＴが２５０Ｋを超える場合に温度変化耐性が与えられている場合には、さらに好ましい。
【００２０】
中間層は、フィルムの他に、
・ガルバニック析出、
・クラッド、特に圧延クラッド、
・溶射、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジング、
・真空蒸着、
・マグネトロンスパッタリング、
のうちのいずれか１つの方法によって、脆性材料又は金属材料の上に被着させることができる。
【００２１】
この場合には、中間層の層厚さは、
・ガルバニック析出された中間層の場合には、１０〜７０μｍ、特に１０〜２０μｍであり、
・クラッド、特に圧延クラッドによって被着された中間層の場合には、２０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍ、特に８０〜１２０μｍであり、
・溶射によって被着された中間層の場合には、５０〜４００μｍ、特に１００〜３００μｍであり、
・ホットディップメタルコーティング、特にホットディップアルミナイジングによって被着された中間層の場合には、２０〜１００μｍであり、
・真空蒸着によって被着された中間層の場合には、１〜２０μｍであり、
・マグネトロンスパッタリングによって被着された中間層の場合には、１〜２０μｍである
ことが好ましい。
【００２２】
中間層を製造するための１つの手段は、ガルバニック析出である。なぜなら、アルミニウムは、無水電解質から金属被膜として充分に無孔に陰極堆積させることができるからである。原則的にガルバニック析出は、金属材料の上で、例えば鋼又はステンレス鋼の上で実施することができる。典型的な層厚さは１０〜２０μｍの範囲であるが、原則的には７０μｍも可能である。
【００２３】
ガルバニック析出された層は、例えば９９．８％の非常に高いＡｌ純度を有する固着した密な層である。さらなる利点は、全ての面にコーティング可能なことである。
【００２４】
これに代わる被着プロセスは、クラッド又は圧延クラッドである。このような方法は、例えば圧延されたテープの形態の金属半製品に対して可能である。クラッド又はクラッド堆積の場合には、片側又は両側にアルミニウム被膜を備える分離不能な工具結合体が製造される。
【００２５】
クラッド又は圧延クラッドの場合には、アルミニウム被膜が鋼の上に被着され、この場合の組成は、９９重量％のＡｌと１重量％以下のＳｉとを含む。複数層の場合には、厚さ１００μｍのアルミニウム被膜が可能であり、典型的な厚さは、５０〜７０μｍの範囲にある。クラッドの場合には、任意の金属被膜を備える金属半製品又はテープが可能であり、特にフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼を製造可能である。さらなる利点は、金属薄板が変形可能又は打ち抜き可能であることである。
【００２６】
さらには溶射によって、アルミニウムを層として表面上に被着させることが可能である。典型的な層厚さは、５０〜４００μｍの範囲にある。アルミニウムを射出するための通常の方法は、ワイヤーフレーム溶射又は冷ガス噴射である。
【００２７】
溶射によれば、純度９９．５％の純アルミニウムをコーティング可能である。コーティング後には、表面はやや粗くなっており、この場合には良好な層付着性、すなわち膠着性を実現するために、両方法におけるコーティングの前に、コーティングすべき表面がサンドブラストによって粗面化されるか、又はクリーニングされる。
【００２８】
冷ガス噴射は、運動エネルギが非常に大きいＡｌ粉末を表面上に噴き付けることであり、この場合には粒子の強力な塑性変形によって結合が生じ、非常に密な層が生じる。しかしながら、運動エネルギが大きいので、薄肉コンポーネントの形が歪みがちになり得る。
【００２９】
ワイヤーフレーム溶射の場合には火炎内でワイヤーが溶融され、溶融滴が表面上に射滴され、これによって約５〜１０体積％の多孔性を有する層が形成される。
【００３０】
溶射の利点は、ほぼ任意の金属表面をコーティング可能であることである。溶射された層のさらなる利点は、このような層が、プロセスに起因した孔を有し得ることである。孔の量は、２〜１５体積％とすることができる。アルミニウム層内に残留するこのような多孔性は、特に熱膨張に鑑みて有利である。こうすることによって特に熱応力を減衰することができる。
【００３１】
アルミニウム層を被着させるために、ホットディップアルミナイジングも可能である。溶融浸漬法では、溶融亜鉛クラッド又はブリキ製造と同様に、金属テープが溶融浴を通過する。この場合、アルミニウムは約１０％のケイ素を含む。腐食保護を向上させるために、純Ａｌ層に続いてＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ中間層を形成することができる。積層体の全体の層厚さは可変であり、典型的には２０〜１００μｍである。ベース材料は、良好な変形のために低炭素の鋼であることが多い。しかしながら、ステンレス鋼も可能ではある。
【００３２】
中間層を被着させるための上に記載した各技術は、金属材料を脆性材料に結合する前に、金属材料又は脆性材料のいずれか一方又は両方の上に中間層を被着させるために使用することが可能である。
【００３３】
特に有利な実施形態では、脆性材料は、２０℃〜３００℃の温度範囲において低膨張の材料である。本明細書における低膨張の脆性材料とは、長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）が４×１０−６／Ｋ以下、特に２×１０−６／Ｋ以下、好ましくは−１．０×１０−６／Ｋ以上、且つ４×１０−６／Ｋ以下の範囲、特に好ましくは−０．６×１０−６／Ｋ以上、且つ２×１０−６／Ｋ以下の範囲にある材料、特にガラスセラミック又はガラスと理解される。
【００３４】
上記の範囲にある熱膨張係数を有する材料の一例は、例えばMainz在所のSchott AG社の製品であるガラスセラミックROBAX（登録商標）、CERAN（登録商標）、NEXTREMA（登録商標）のようなＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ系ガラスセラミックであり、これらガラスセラミックの２０℃〜３００℃の範囲における長手方向の熱膨張係数は、−０．３〜１．０×１０−６／Ｋの範囲にある。
【００３５】
ガラス材料として、例えばホウケイ酸ガラス、例えばBorofroat33（登録商標）を使用することができる。ガラス材料Borofloat33（登録商標）の長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）は、３．３×１０−６／Ｋである。
【００３６】
金属材料として好ましくは、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属が、２０×１０−６／Ｋ以下、特に４．０×１０−６以上、且つ６×１０−６／Ｋ以下の範囲にある金属材料が使用される。特に好ましい金属材料は、コバールである。これに代えて、モリブデン、鋼、タングステン、又はステンレス鋼も可能である。コバールは、鉄−コバルト−ニッケルの合金である。
【００３７】
金属材料が脆性材料に依存して選択される場合、しかも、金属材料の長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が、α脆性−２０×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋２０×１０−６／Ｋの範囲になるように、好ましくはα脆性−１０×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋１０×１０−６／Ｋの範囲になるように、特にα脆性−５×１０−６／Ｋ≦熱膨張係数α金属≦α脆性＋５×１０−６／Ｋの範囲になるように選択される場合には、特に好ましい。
【００３８】
脆性材料と金属材料との結合は、好ましくは溶接によって、特に超音波溶接によって実施される。超音波溶接は、１５〜５０ｋＨｚの通常の周波数範囲において、好ましくは２０ｋＨｚにおいて実施される。
【００３９】
超音波溶接法に関しては、独国特許出願公開第１９９１７１３３号明細書が参照され、同明細書において、ガラス、ガラスセラミック、及び／又はセラミックからなる被加工物、すなわち長距離秩序が小さい、低熱伝導率の脆性無機材料からなる被加工物と、当該被加工物とは異なる材料、例えば金属からなる被加工物との溶接について詳細に開示される。独国特許出願公開第１９９１７１３３号明細書の開示内容は、本明細書に完全な範囲で取り込まれる。
【００４０】
脆性材料と金属材料との間における特に超音波溶接装置を用いた溶接は、脆性材料における第１結合面と、金属材料における第２結合面との間で実施される。第１結合面と第２結合面との間には中間層が挿入されている。溶接は、全面的に実施することも、又は部分平面だけで実施することもでき、この場合の部分平面の溶接は、幾何形状に応じてスポット溶接、ロールシーム溶接、又はねじり溶接とすることができる。
【００４１】
本発明に係る脆性材料と金属材料とを含む本体又は結合体は、これら２つの接合部材同士の熱膨張率、ここでは脆性材料の熱膨張率と金属材料の熱膨張率とがそれぞれ異なるにもかかわらず、驚くべきことに２５０℃を上回る温度、特に３００℃を上回る温度において持続的な耐熱性の結合を示す。特に好ましくは、持続的な耐熱性は、４００℃、特に好ましくは５００℃の温度まで達する。このようにして製造された結合は、脆性材料が低膨張又はゼロ膨張である場合であっても、２５０Ｋを超える温度変化にも持続的に耐える。温度変化耐性は、２５０Ｋを超える広い温度範囲に亘って、好ましくは２５０Ｋと１３００Ｋの間のΔＴに亘って、好ましくは２５０Ｋと９００Ｋの間のΔＴに亘って、特に２５０Ｋと５００Ｋの間のΔＴに亘って、与えられている。このことは例えば、例えば−２７３℃と１０００℃の間、好ましくは０℃と５００℃の間の温度変化に対して、結合が反応しないということを意味する。
【００４２】
特に本発明によれば、実質的にゼロ膨張の脆性材料、例えばＬＡＳガラスセラミックと、α＝１７×１０−６／Ｋの金属材料であるステンレス鋼との結合を実現することができ、この結合は、ΔＴ＝５００Ｋの広い温度範囲に亘って頑強であり、ΔＴ＝５００Ｋの温度範囲において高い温度変化耐性を有する。すなわちこの結合は、解除されることなく例えば０℃から５００℃に加熱され、その後再び例えば０℃に冷却されることが可能である。このことは、当業者にとっては驚くべきことである。なぜなら、ＬＡＳガラスセラミックの熱膨張係数は、ステンレス鋼の熱膨張係数とは著しく異なっているからである。
【００４３】
本発明によれば、脆性材料と金属材料との間に中間層が挿入される。中間層は、好ましくは延性材料、特に延性金属、好ましくはアルミニウム、特に純アルミニウム、又は金、又はチタン、又は金合金、又はチタン合金からなる。このような中間層の厚さは、好ましくは５００μｍ以下、特に２００μｍ以下、好ましくは２０〜２００μｍの範囲、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲、特に好ましくは８０μｍ〜１２０μｍの範囲にある。
【００４４】
金属材料が、溶接面の領域において厚さのばらつきが３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、特に３μｍ以下である均一な厚さ分布を有する金属要素である場合には、特に好ましい。このような厚さ分布は、例えば市販の圧延金属板から変形によって得られる金属要素を使用した場合に実現される。
【００４５】
中間層は、好ましくは厚さのばらつきが２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、特に１μｍ以下である。中間層に加えてさらに、接合法として超音波溶接を用いて結合される第１結合面及び／又は第２結合面を前処理しておくことができる。このことは、特に脆性材料にとって有利である。これに関しては、例えば熱的又は化学的な予負荷、若しくは強度向上用コーティングが考えられる。驚くべきことに、脆性材料の結合面を局所的及び／又は全面的にエッチング又は研磨することによって、耐熱性及び／又は温度変化耐性の改善が実現可能であることも判明した。
【００４６】
超音波溶接を用いた脆性材料と金属材料との結合は、非常に迅速に実施することができる。例えばこのような結合は、スポット溶接及び／又はねじり溶接によって短時間で実施することができる。
【００４７】
１０秒未満、好ましくは５秒未満、さらに、特に１秒未満の時間さえ可能である。
【００４８】
本発明は、脆性材料と金属材料とからなる本体又は結合体の他に、脆性材料と金属材料との素材結合による結合を形成する方法も含み、この本発明に係る方法では、以下のステップが実施される：
【００４９】
まず、第１結合面を備え、長手方向の熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）が４×１０−６／Ｋ以下、特に２×１０−６／Ｋ以下、好ましくは−１×１０−６／Ｋ以上、且つ４×１０−６／Ｋ以下の範囲、特に−０．６×１０−６／Ｋ以上、且つ２×１０−６／Ｋ以下の範囲にあり、好ましくは実質的に低膨張の脆性材料、好ましくはガラス、ガラスセラミック、又はセラミック、例えばＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ系ガラスセラミックが供給される。
【００５０】
さらには、第２結合面を備え、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が２０×１０−６／Ｋ以下、特に４×１０−６／Ｋ以上、且つ６×１０−６／Ｋ以下の範囲にある金属材料、例えばコバールが供給される。
【００５１】
それから、第１結合面及び第２結合面の領域において、第１結合面と第２結合面との間に挿入される中間層を介して、脆性材料が素材結合によって金属材料に相互に結合される。但し、中間層は、好ましくは延性金属、特にアルミニウム、好ましくは純アルミニウム若しくはアルミニウム合金、又は金、又はチタンからなり、好ましくは厚さが５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、特に２０〜２００μｍの範囲にある。これによって、２５０℃を上回る温度、好ましくは３００℃を上回る温度に対する高温耐性を有する結合、及び／又は、２５０Ｋを超える温度変化耐性が提供される。
【００５２】
脆性材料は、接合法によって、好ましくはスポット溶接、ロールシーム溶接、又はねじり溶接の形態の溶接によって、特に超音波溶接によって、金属材料に結合される。
【００５３】
特に、脆性材料の第１結合面が前処理される場合には、特に温度変化耐性の観点から特に高温耐性を有する結合が実現される。ここでは熱的又は化学的な予負荷、強度向上用コーティング、平滑化、点状突起、構造化、部分的若しくは全面的なエッチング、研磨、及び／又はイオン交換が可能である。
【００５４】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】脆性材料と金属材料とからなる本発明に係る本体の第１実施形態を示す図である。
【図２】脆性材料と金属材料とからなる本発明に係る本体の第２実施形態を示す図であり、ここでの金属材料は、屈曲されたステンレス鋼板の形態の金属要素である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１には、脆性材料１と金属材料３とからなる本発明に係る本体１００が図示されている。脆性材料１は、例えばＬｉ−Ａｌ−Ｓｉ系ガラスセラミック、特にMainz在所のSchott AG社のROBAX（登録商標）のように、例えば実質的にゼロ膨張の材料とすることができるが、この材料に限定されているわけではない。このような実質的にゼロ膨張の材料の長手方向の平均熱膨張係数α脆性（２０℃〜３００℃）は、０．１５×１０−６／Ｋ以下である。
【００５７】
金属材料３は、実質的に、２０℃〜３００℃の温度範囲における長手方向の熱膨張係数α金属（２０℃〜３００℃）が６×１０−６／Ｋ以下の金属材料である。
【００５８】
特に好ましい金属材料は、コバールである。
【００５９】
さらには、脆性材料の第１結合面１０と、金属材料の第２結合面１２とが図示されている。第１結合面１０及び第２結合面１２の領域においては、金属材料３が素材結合によって、例えば接合法として溶接法によって、脆性材料１に結合されている。
【００６０】
図１に図示された実施形態では、第１結合面１０と第２結合面１２との間の素材結合による結合は、１％より大きい破断伸びを有する延性金属からなる中間層２０を介して実施される。延性金属は、特にアルミニウム、純アルミニウム、最純アルミニウム、金、又はチタンであり、好ましくはフィルムである。
【００６１】
素材結合による結合は、好ましくは溶接、特に超音波溶接によって比較的短時間、好ましくは１０秒未満、特に５秒未満、さらに、特に１秒未満の間実施されるが、これらの時間に限定されているわけではない。
【００６２】
脆性材料１の第１結合面１０が前処理されている場合には、特に２５０Ｋを超える高い温度変化耐性を有する特に耐熱性の結合が実現される。ここでは熱的又は化学的な予負荷、及び／又は、強度向上用コーティング、及び／又は、局所的又は全面的なエッチング又は研磨が考えられる。
【００６３】
図２には、脆性材料と金属材料とからなる本発明に係る本体の別の１つの実施例が図示されている。図２の実施例では、金属要素は、好ましくは屈曲されたステンレス鋼板である。図２と同じコンポーネントには、１００だけ大きい参照符号が付されている。
【００６４】
図２の脆性材料１０１は、例えば平均熱膨張係数α２０−３００が−０．３×１０−６／ＫのガラスセラミックROBAX（登録商標）である。金属材料１０３に結合させるために成形体２００の形態で設けられた結合面は、好ましくは厚さのばらつきが３０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下、特に３μｍ以下であるほぼ均一な厚さ分布を有する、圧延工程で成形された平坦な結合面１１２である。
【００６５】
延性材料からなる中間層１２０として、例えば厚さ０．１ｍｍのアルミニウムからなるフィルムが使用される。成形体の形態の金属材料の上には、フィルムを取り付ける代わりに上述したようなガルバニック析出、又はクラッド（又はめっき）、特に圧延クラッド（又は圧延めっき）、又は溶射、又はホットディップアルミナイジング、又は真空蒸着、又はマグネトロンスパッタリングによって、中間層を被着させることができる。成形体の形態の金属材料は、例えば平均熱膨張係数α２０−３００が１７×１０−６／Ｋの、例えば厚さ０．５ｍｍの２回屈曲されたステンレス鋼板からなる。
【００６６】
中間層の厚さのばらつきは、２０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下、特に１μｍ以下である。
【００６７】
成形体２００と脆性材料１０１との結合は、屈曲されたステンレス鋼板の少なくとも１つの脚部２１２の領域２１０において中間層を用いて実施される。
【００６８】
以下では、中間層を用いた脆性材料１と金属材料との結合を、複数の実施例に基づいて説明することとする。
【００６９】
第１実施例
第１実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α２０−３００が−０．３×１０−６／ＫのガラスセラミックROBAX（登録商標）からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α２０−３００が５．５×１０−６／Ｋのコバール材料からなる厚さ０．５ｍｍ、直径２２ｍｍの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ１２ｍｍ、直径８ｍｍのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
【００７０】
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、２５μｍであり、ソノトロードの周波数は、２０ｋＨｚであり、溶接圧は、２．０ｂａｒであり、溶接エネルギは、８００Ｗｓである。
【００７１】
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約１．５ｃｍ２である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温２５℃と最高温度３５０℃との間での１００回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも７００Ｎのせん断強度を示した。
【００７２】
第２実施例
第２実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α２０−３００が−０．２×１０−６／ＫのガラスセラミックCERAN（登録商標）からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、クックトッププレートとしての使用から知られた点状突起構造を有する、圧延工程で成形された表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α２０−３００が５．５×１０−６／Ｋのコバール材料からなる厚さ０．５ｍｍ、直径２２ｍｍの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ１２ｍｍ、直径８ｍｍのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
【００７３】
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックCERANと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、２５μｍであり、ソノトロードの周波数は、２０ｋＨｚであり、溶接圧は、１．５ｂａｒであり、溶接エネルギは、５００Ｗｓである。
【００７４】
このようにして製造された結合体は、接触領域に敷設されたガラスセラミックCERANの点状突起部とアルミニウム製の中間層との間に結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温２５℃と最高温度３５０℃との間での１００回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも７００Ｎのせん断強度を示した。
【００７５】
第３実施例
第３実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α２０−３００が−０．３×１０−６／ＫのガラスセラミックROBAX（登録商標）からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面であり、のちに接触面となる領域には後続して研磨が実施されている。延性材料からなる中間層として、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α２０−３００が５．５×１０−６／Ｋのコバール材料からなる厚さ０．５ｍｍ、直径２２ｍｍの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ１２ｍｍ、直径８ｍｍのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
【００７６】
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、２５μｍであり、ソノトロードの周波数は、２０ｋＨｚであり、溶接圧は、２．０ｂａｒであり、溶接エネルギは、７５０Ｗｓである。
【００７７】
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約１．５ｃｍ２である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温２５℃と最高温度４００℃との間での１００回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも３８００Ｎのせん断強度を示した。
【００７８】
第４実施例
第４実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α２０−３００が３．３×１０−６／ＫのガラスBorofloat33（登録商標）からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、フロート法で成形され火炎研磨された表面である。延性材料からなる中間層１２０として、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α２０−３００が５．５×１０−６／Ｋのコバール材料からなる厚さ０．５ｍｍ、直径２２ｍｍの平坦なベースプレートからなる。このベースプレートの中心の上には、当該ベースプレートに対して垂直に載置された状態で、当該ベースプレートに固定的に結合された高さ１２ｍｍ、直径８ｍｍのねじ山付きボルトが配置されており、このねじ山付きボルトは、本発明に係るコンポーネントのさらなる用途に基づくその後の組み立てオプションのために使用される。
【００７９】
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスBorofloat33と、アルミニウム製の中間層と、コバール製のベースプレートとが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がコバール製のベースプレートの上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、２５μｍであり、ソノトロードの周波数は、２０ｋＨｚであり、溶接圧は、２．０ｂａｒであり、溶接エネルギは、７００Ｗｓである。
【００８０】
このようにして製造された結合体は、ガラスBorofloat33とアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とコバール製のベースプレートとの間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約１．５ｃｍ２である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温２５℃と最高温度３００℃との間での１００回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。機械的な負荷検査による結合の安定性試験は、少なくとも５００Ｎのせん断強度を示した。
【００８１】
第５実施例
第５実施例では、脆性材料は、平均熱膨張係数α２０−３００が−０．３×１０−６／ＫのガラスセラミックROBAX（登録商標）からなる。金属の成形体に結合させるために設けられる表面は、圧延工程で成形された平坦な表面である。延性材料からなる中間層として、厚さ０．１ｍｍのアルミニウムEN-AW-1050Aからなるフィルムが使用される。金属の成形体は、平均熱膨張係数α２０−３００が１７×１０−６／Ｋのステンレス鋼材料１．４３０１からなる、厚さ０．５ｍｍの２回屈曲されたステンレス鋼板からなる。
【００８２】
ねじり超音波溶接法では、端面に格子状の凹凸を備える中空円筒体の形態のソノトロードを用いて、ガラスセラミックROBAXと、アルミニウム製の中間層と、屈曲されたステンレス鋼板とが相互に溶接され、この際には、ソノトロードの端面がステンレス鋼板の脚部の上に載置され、ねじり振動を実施する。ソノトロードの振幅は、１００％であり、ソノトロードの周波数は、２０ｋＨｚであり、溶接圧は、１．０ｂａｒであり、溶接エネルギは、２００Ｗｓである。
【００８３】
このようにして製造された結合体は、ガラスセラミックROBAXとアルミニウム製の中間層との間に平坦な結合を有すると同時に、他方では、アルミニウム製の中間層とステンレス鋼板との間にも結合を有する。溶接工程で形成された接触面は、約０．５ｃｍ２である。この結合体は、認識できる損傷なしに、室温２５℃と最高温度５００℃との間での１００回の温度変化による後続の熱的負荷に耐える。温度変化の終了後における結合の安定性は、機械的な負荷検査によって検査される。機械的な負荷検査は、ＤＩＮ５１ １５５に記載されているようなウェグナー式の耐衝撃性試験機を用いた衝撃から構成されている。この際、ウェグナー式の耐衝撃性試験機は、ROBAX製のディスクに溶接されたステンレス鋼板の溶接領域に対向して配置され、そして、ＤＩＮ５１ １５５に即した衝撃が作動される。溶接結合は、少なくとも０．２５Ｊの衝撃エネルギによるこの機械的な負荷検査に耐える。
【図１】
2017501106.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
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2017501106.tif 000008
2017501106.tif 000009
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