DE1030659B - Verbundlot und Verfahren zum Loeten mit diesem Verbundlot - Google Patents

Description

• Verbundlot und Verfahren zum Löten mit diesem Verbundlot Die Erfindung betrifft das Löten vom Gegenständen, von denen wenigstens einer nichtmetallisch ist, insbesondere ein neu zusammengesetztes Verbundlot und ein Verfahren zur festen Verbindung der Gegenstände mit dem neuen Verbundlot.
• Das Löten nichtmetallischer Werkstoffe, wie Keramik, Graphit, Kieselsäure, Porzellan, Glas, Diamant u. dgl., kann nicht durch die bekannten Lotmetalle, wie Silber, Kupfer und Silber-Kupfer-Legierungen, erfolgen, da das geschmolzene Metall nichtmetallische Werkstoffe nicht benetzt und nicht an ihnen haftet. Titan, Zirkon und ihre Legierungen benetzen nichtmetallische Werkstoffe, und es ist bekannt, nichtmetallische Werkstoffe unter Verwendung von Titan in Form seines Hydrids zu löten. Dazu wird auf die zu vereinigenden Oberflächen ein Überzug aus gepulvertem Titanhydrid in einem Träger aufgebracht, und dann werden die Gegenstände in einer nicht oxydierenden Atmosphäre im Kontakt mit einem bekannten Lot auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Lotes erhitzt.
• Obwohl das Löten mit Titanhydrid durchaus wirkungsvoll ist, ist zu bedenken, daß das Überziehen mit dem Hydrid schwierig ist und der Überzug zuweilen beim Hantieren mit den Gegenständen oder beim Erhitzen entfernt wird. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurden Lote in Form von Legierungen aus Titan und Zirkon mit Silber und Kupfer entwickelt und mit Erfolg zum Verbinden nichtmetallischer Werkstoffe verwendet. Derartige Legierungen lassen sich nun aber schwierig herstellen und zu Draht verarbeiten oder in andere Formen bringen, wie sie zum Löten gebraucht werden, da die Legierungen. im Vakuum oder einem sehr reinen inerten Gas geschmolzen und gegossen werden müssen und die Menge an Titan oder Zirko:n, die, ohne die Bearbeitbarkeit zu beeinträchtigen, in Kupfer oder Silber oder deren Legierungen eingebracht werden können, nur sehr begrenzt sind. Legierungen aus Titan oder Zirkon mit Kupfer, Silber u. dgl. müssen nach der Kaltbearbeitung und vor der weiteren Bearbeitung geglüht werden; dabei bilden sich auf und unter der Oberfläche der Legierung Oxyde, Nitride u. dgl. Verbindungen des Titans oder Zirkons, wenn nicht im Vakuum oder unter einem hochgereinigten Schutzgas geglüht wird. Eine weitere Schwierigkeit bei der Herstellung dieser Lote besteht darin, daß die Legierungen durch Ausscheidung härtbar sind. Deswegen müssen sie nach dem Glühen schnell, beispielsweise durch Abschrecken, abgekühlt werden, was sich aber in einem geschlossenen Raum, der zur Aufrechterhaltung eines Vakuums oder zur Aufnahme eines Schutzgases erforderlich ist, nur schwer durchführen läßt.
• Die Erfindung betrifft nun ein neues Lot zur Vereinigung von Gegenständen,. von denen wenigstens einer nichtmetallisch ist. Das Lot gemäß der Erfindung ist ein Verbundwerkstoff, der ein Metall enthält, der nichtmetallische Oberflächen benetzt, der aber so duktil ist, daß er durch die üblichen Verfahren in Draht oder andere Formen; wie sie zum Löten gebraucht werden, übergeführt werden kann. Das neue Verbundlot besteht aus einem Kern aus einem der Metalle Titan, Zirko:n, Thor und. Hafnium oder einer Legierung mit einem wesentlichen Anteil eines solchen Metalls und einem metallischen Mantel aus einem Metall oder einer Legierung mit wesentlich niedrigerem "Schmelzpunkt als der Kern;* die den Kern zu wenigstens 1 Gewichtsprozent aufzulösen vermag und duktil ist. Zahlreiche Metalle und Legierungen erfüllen diese Bedingungen und eignen. sieh- somit als Mantel, wie z. B. Silber, Kupfer, Silber-Kupfer-Legierungen, Blei, Blei-Zinn-Grundlegierungen, Silber-Kupfer-Zink-Legierungen, Nickel, Nickel_-Kupfer-Legierungen, Gold, Goldlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen und Aluminium. Vorzugsweise eignen sich die flächenzentrierten, kubischer, duktilen Metalle mit Schmelzpunkten von 538 bis 1493° C und einer kristallographischen Gitterkonstante zwischen 3,6 und 4,10 und Legierungen, in denen diese Metalle eine wesentliche Komponente ausmachen. Bevorzugt werden Silber, Kupfer, Gold und. Aluminium sowie ihre Legierungen. Die Menge des aktiven Metalls, d. h. Titan u. dgl., im Verbundlot soll nicht unter 1 Gewichtsprozent und nicht über 15 Gewichtsprozent, bezogen auf den Gesamtmetallgehalt des Verbundlotes, liegen; für viele Zwecke enthält das Verbundlot nicht mehr als 3 Gewichtsprozent aktives Metall.
• Das Verbundlot wird vorzugsweise in Drahtform wie folgt hergestellt: Eine runde Stange des Mantelmetalls, beispielsweise aus einer Legierung aus 72% Silber und 28% Kupfer, wird durch Schmelzen, Gießen und Walzen in üblicher Weise hergestellt. Die Stange möge einen Durchmesser von 25,4 mm und eine Länge von 45,7 mm haben. Durch die Achse dieser Stange wird ein Loch von etwa 7,8 mm gebohrt und in das Loch ein Kern, beispielsweise aus Titan, eingeschoben., dessen Durchmesser etwas kleiner als die lichte Weite der Bohrung und beispielsweise 7,7 mm ist. Die Länge des Kerns ist ebenfalls 45,7 mm. Der Verbundstab wird, dann radial kalt geschmiedet, damit der Silber-Kupfer-Mantel den Kern fest umschließt, und das Schmieden so lange fortgesetzt, bis der Querschnitt des Stabes um etwa 50% vermindert ist. Dieser Stab wird anschließend in üblicher Weise bei etwa 650° C geglüht und durch Walzen und/oder Ziehen wie üblich zu Draht verarbeitet. Da sowohl der Mantel aus der Silberlegierung als auch der Kern aus Titan duktil ist, können die allgemein üblichen Bearbeitungsverfahren angewendet werden, wobei die dichte Umhüllung um den Kern eine Verzunderung des Kerns beim Glühen in den üblichen Glühatrnosphären verhindert. Der fertige Verbundstab enthält etwa 15 Gewichtsprozent Titan und ist so duktil, daß er leicht in Ringe gelegt oder abgeplattet oder in andere zum Löten zweckmäßige Formen übergeführt werden kann.
• Nachstehend wird die Erfindung beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine typische Lötverbindung, wie sie unter Verwendung des Lotes gemäß der Erfindung hergestellt wird; Fig. 2 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt nach Fig. 1 während der Anfangserhitzung, und Fig. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt, entsprechend Fig. 1 und zeigt die fertige- Lötverbindung.
• Bei der praktischen Lötung von zwei Gegenständen, von denen wenigstens einer nichtmetallisch ist, gemäß der Erfindung, werden die zu vereinigenden Gegenstände mit dem Verbundlot in Berührung gebracht und bis zum Schmelzen des Mantels erhitzt. Beim weiteren Erhitzen dieser geschmolzenen Masse löst sich das Metall des Kerns unter Bildung einer Legierung auf, die auch den nichtmetallischen Körper benetzt und in die Lötfuge zwischen den beiden zu @Tereinigenden Körpern fließt. Nach Beendigung der Erhitzung und Abkühlung ist die Lötverbindung fertig. Das neue Verbundlot enthält sowohl das duktile Mantelmetall als auch das Kernmetall in solchen Verhältnissen, daß die Lötung praktisch leicht durchgeführt werden kann.
• Eine typische Lötzusammenstellung ist in Fig. 1 dargestellt und besteht aus einem metallischen Ring 10 aus Eisen, Nickel oder anderen hochschmelzenden Metallen, mit dem die nichtmetallische Scheibe 11 verlötet werden soll. Die Scheibe besteht beispielsweise aus Porzellan oder anderem keramischem Material, wie Aluminiumoxyd, Sillimanit od. dgl. Der Ring 10 hat im dargestellten Falle einen Flansch 10a. Die Scheibe 11 wird zur Lötung in den Ring 10 und auf den Flansch 10 a gelegt. Ein Ring 12 aus dem Verbundlot gemäß der Erfindung wird in dein Ring 10 und auf der Scheibe angebracht, so daß er die innere Ringfläche und die Scheibenoberfläche berührt und möglichst nahe an dem zwischen Ring 10 und Scheibe 11 gebildeten Ringraum 13 liegt. Der Ring 12 besteht aus einer metallischen Umhüllung 12a, beispielsweise aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung aus 72% Silber und 28% Kupfer, und aus: einem Kern 12 b, z. B. aus metallischem Titan. Der Kern kann 1 bis 15 Gewichtsprozent oder mehr des Verbundlotes ausmachen.
• Das Ganze wird nach dem Zusammenbau in eine Muffel gegeben; die evakuiert oder mit einem hochgereinigten Gas, beispielsweise Helium, gefüllt ist. Es wird dann erhitzt, und wenn die Temperatur' 780° C erreicht hat, schmilzt der Mantel des Verbundlotes und bildet zunächst die geschmolzene Masse 14. In Fig. 2 ist diese geschmolzene Masse unmittelbar nach ihrer Bildung dargestellt. Da das Mantelmetall allein die Keramik nicht benetzt, bildet die geschmolzene Masse stumpfe Kontaktwinkel 14a und 14b mit der keramischen Scheibe. Das geschmolzene Metall benetzt aber die Oberfläche des Ringes 10 und bildet daher mit dem Ring spitze Kontaktwinkel 14c und 14 d. Weil das geschmolzene Metall die Keramik nicht benetzt, verhindert die Oberflächenspannung; daß es in den Ringspalt 13 fließt.
• Bei fortgesetzter Erhitzung löst sich das Kernmetall in dem. geschmolzenen Mantelmetall unter Bildung einer Legierung auf, die die Keramik benetzt: Sobald die Legierung gebildet ist, fließt die geschmolzene Legierung in den Ringspalt 13 und unter die Keramikscheibe über den Flansch 10a, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Da die geschmolzene Legierung . die Keramik benetzt, bildet sie mit der Keramik spitze Kontaktwinkel 14a und 14b' ebenso wie mit dem Metallring 10 bei 14c und 14d'. In der fertigen Verbindung kann noch ein Rest 12 b' des Kerns verbleiben, je nach der angewendeten Menge Kernmetall und der Temperatur, auf die erhitzt wurde. Ein solcher Rest stört zwar nicht, kann aber durch Erhitzen auf höhere Temperatur beseitigt werden.
• Die Benetzung des nichtmetallischen Teiles erfolgt also erst wenn sich die erforderliche Menge Kernmetall gelöst hat, und erst die geschmolzene Legierung fließt in die Lötfuge und bildet die Verbindung. Demgemäß können für eine gegebene Temperatur mit dem neuen Verbundlot gemäß der Erfindung Lotverbin-Jungen mit der geringsten wirkungsvollen Menge an Kernmetall hergestellt werden, was deswegen besonders wichtig ist, da eine überschüssige Menge Kernmetall die Legierung brüchig machen würde, so daß die Lotverbindung durch thermische Beanspruchung reißen. könnte. Durch das neue Verbundlot wird also in situ eine Legierung gebildet, die nichtmetallische Oberflächen. benetzt. Durch die Anwendung. des Verbundlotes werden die unter Verwendung von Hydridüberzögen auftretenden Schwierigkeiten behoben.
• In den Ansprüchen sind unter dem Ausdruck Metall die beiden zu verwendenden Metalle wie auch Legierungen zu verstehen, in denen diese Metalle einen wesentlichen Bestandteil bilden.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verbundlot aus einem metallischen Kern und einem tiefer schmelzenden Mantel zum Verbinden von Gegenständen, von denen mindestens einer aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus Titan, Zirkon, Thor oder Hafnium und der den Kern dicht umschließende Mantel aus duktilen Metallen oder d:uktilen Legierungen mit einem Schmelzpunkt von vorzugsweise 538 bis 1093° C, insbesondere Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Aluminium oder deren duktilen Legierungen, besteht, in deren Schmelze sich das Kernmetall wenigstens zu 1 Gewichtsprozent löst.
2. 2. Verbundlot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem duktilen, flächenzentrierten, kubischen Metall mit einer kristallographischen Gitterkonstante zwischen 3,6 und 4,10 besteht.
3. 3. Verbundlot nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmetall 1 bis 15 % des Gewichtes des Verbundlotes ausmacht.
4. 4. Verbundlot nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer eutektischen Silber-Kupfer-Legierung mit 72% Silber und 28% Kupfer besteht.
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen zwei Oberflächen, von denen wenigstens eine nichtmetallisch ist, mittels eines Verbundlotes nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot in einer inerten Atmosphäre so lange und so hoch erhitzt wird, bis sich so, viel des Kernmetalls in dem geschmolzenen Mantelmetall gelöst hat, daß eine Legierung entsteht.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Oberflächen und das Verbundlot so weit erhitzt werden, bis wenigstens ein Teil des Mantels des Verbundlotes geschmolzen ist und sich in dieser Schmelze eine genügende Menge Kernmetall unter Bildung einer Legierung aufgelöst hat. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 452 764, 665 006, 836589.