DE2311400A1

DE2311400A1 - Lotlegierung

Info

Publication number: DE2311400A1
Application number: DE19732311400
Authority: DE
Inventors: Fritz Frehn
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1973-03-08
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1974-12-12

Description

Lotlegierung Die Erfindung betrifft eine Lotlegierung zum Verbinden von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus anderen Metallen.
Hartstofflegierungen bestehen aus Hartstoffen, wie Boriden, Siliziden, Nitriden, vornehmlich Karbiden und Mischkarbiden der Metalle Titan, Chrom, Vanadium und Wolfram und einem Bindemetall, wie Stahl oder Eisen, Nickel-, Kobalt-, Kupfer-Verbindungen und werden durch Pressen der pulverförmigen Komponenten und Sintern der Preßlinge bei etwa 1050 bis 1150°C hergestellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Lots zur Verbindung von Teilen aus Hartstofflegierungen, die nach dem Löten zur Härte steigerung noch einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Dazu muß die Löt-Temperatur (Schmelzpunkt des Lotes) so hoch liegen und die Festigkeit des Lotes so stark sein, daß eine nachfolgende Wärmebehandlung der gelöteten Teile aus der Hartstofflegierung bei 1100 bis 1150 0C ohne Beschädigung und Beeinträchtigung der Lötverbindung möglich ist, Die Löt-Temperatur darf andererseits nicht so hoch liegen, daß bei Hartstoff-Stahl-Kombination ein übermäßiges, nicht regenerierbares Kristallwachstum im Gefüge der Werkstoffe der zu lötU n Teile eintritt.
Aus dem gleichen Grund soll die Diffusion des Lotes in die Oberfläche der zu verbindenden Teile schnell ablaufen. Die Temperatur zum Wiederaufschmelzen des Lotes soll höher liegen als die Löttemperatur. Außerdem müssen sich die Lötnaht und die Diffusionszonen einwandfrei zo B. durch Fräsen, Hobeln, Drehen, Bohren, bearbeiten lassen. Der Ausdehnungskoeffizient muß nahe bei dem der zu verbindenden Teile liegen, um einen zu großen Verzug bei der Wärmebehandlung nach dem Löten zu vermeiden.
Die Korrosionsbeständigkeit der zu verbindenden Hartstoffe oder Stahl-Hartstoff-Kombination darf nicht eingeschränkt werden.
Zum nicht lösbaren Verbinden von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus Stahl oder anderen Metallen sind folgende Verfahren bekannt: a) Aufeinanderlegen blank geschliffener Teile aus gesinterten Hartstofflegierungen und Erwärmen im Vakuum unterhalb der Sintertemperatur der Hartstofflegierung. Es entsteht dabei eine Diffusionsverbindung zwischen den Teilen. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß Unebenheiten der Oberflächen nicht zu vermeiden sind und sich daher die Oberflächen der Teile nicht auf genügend großen Abschnitten bet 'thren, sO daß keine vollständige Diffusion an der Oberflächenebene de aufeinanderliegenden Teile eintritt.
b) Verwendung von Hochtemperaturloten, z. B. solchen auf der Basis 2 bis 8 % Mangan, 10 bis 20 % Nickel, 72 bis 88 <Yo Kupfer oder 60 bis 65 % Nickel, 20 bis 30 % Mangan, 1 bis 2 % Silizium und bis 15 % Kupfer. Die Schmelz bereiche dieser Lotlegierungen, meist in Formen von Folien oder Bändern herstellbar, liegen zwischen 11800C und 12600C.
z.B. des Nachteilig ist hier, daß Teil-Verdampfung der Lotlegierung, Mangan, beim Löten unter Vakuum entsteht, wodurch das Lot schlecht fließt.
Das Ergebnis sind sehr harte, dadurch schlecht bearbeitbare Diffusionsschichten zwischen den Teilen.
c) Das Löten mit Pasten und Pulvern auf der Basis Chrom-Nickel-Bor-Silizium. Der Schmelzbereich dieser Lote liegt zwischen 1120 0C bis 1180°C, je nach der Höhe des Bor- bzw. Siliziumgehaltes.
Nachteilig ist das Auftreten von großen Poren in der Lötzone, die den Zusammenhalt beeinträchtigen und schlechte Bearbeitbarkeit der durch Boride verhärteten Diffusionszonen. Das Aufbringen des Lotes durch Aufstreichen der meist mit gelöstem Kunststoff hergestellten Pulver-Pasten mit anschließendem Trockenprozeß ist umständlich.
d) Die Benutzung reiner Kupferfolien oder Preß- bzw. Sinterkörper aus Kupferpulvern, die bei ca. 1100°C schmelzen. Nachteilig ist, daß der Schmelzbereich zu niedrigliegt, dadurch erweicht die Lötnaht bei nachfolgender Wärmebehandlung und bricht wegen zu geringer Festigkeit. Außerdem ist der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen Kupfer und Hartstofflegierung zu groß, wodurch starker Verzug beim Härten eintritt.
e) Die Verwendung von palladium- und goldhaltigen Loten ist für die Lötung großflächiger Bauteile wegen des hohen Preises unwirtschaftlich.
f) Die vielen bekannten Lote unterschiedlicher Legierungen mit Schmelzpunkten unter 1100°C scheiden für die Lötung von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus Stahl aus den schon geschilderten Gründen aus.
Es wurde gefunden, daß sich Kupfer-Nickel-Legierungen hervorragend zur Vakuumötung von Hartstofflegierungen, die bearbeitbar und durch eine Wärmebehandlung in ihrer Härte erhöht werden können, eignen.
Nickelgehalte von 10 bis 50 % Kupfer, vorzugsweise 15 bis 25 % Nickel in Kupfer ergeben ausgezeichnete Lötungen von Teilen aus Hartstofflegierungen ohne irgendwelche Nachteile.
Folgende Schmelzbereiche bzw. Lötbereiche wurden für die einzelnen Lot-Zusammensetzungen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs ermittelt.
90 % Kupfer - 10 % Nickel 1115 bis 11600C 85 % " - 15 % " 1120 bis 11700C 80#% " - 20 % " 1140 bis 11800C 75 % " - 25 % " 1160 bis 12000C 70 % " - 30 % " 1180 bis 12300C 67 % " - 33 % " 1180 bis 12400C 60 % " - 40 % " 1200 bis 12500C 50 % " - 50 % " 1240 bis 12900C.
Für den vorgesehenen Zweck muß aus dem erfindungsgemäßen Bereich die Lotlegierung genommen werden, deren Schemlztemperatur deutlich über der Temperatur liegt, die bei der nachfolgenden Härtungsbehandlung auftritt, damit das Lot nicht wieder aufschmilzt und die Teile auseinanderfallen. Aus der obigen Aufstellung ergibt sich, daß Kupferlegierungen mit weniger als 10 % Nickel aufgrund ihres zu niedrigen Schmelzbereichs ungeeignet sind, weil nicht sichergestellt ist, daß bei der auf das Löten folgenden Härtungsbehandlung, bei der Temperaturen bis 1100 0C auftreten können, die Lotlegierung nicht wieder aufschmilzt. Lotlegierungen mit mehr als 15 % Nickel sind daher vorzuziehen.
Eine Lotlegierung aus Kupfer mit mehr als 50 % Nickel ist ebenfalls für den erfindungsgemäßen Zweck ungeeignet, weil beim Löten mit solchen Legierungen eine zu hohe Löttemperatur gewählt werden muß, bei der Kristallwachstum und Grobkornbildung auftritt, welche die zu lötenden Teile spröde und brüchig werden läßt.
Überraschend ist, daß die üblichen Verunreinigungen z. B. von Eisen.
Silizium, Mangan, Chrom usw. bei Gehalten von weniger als 1 % keinen negativen Einfluß auf die Lötung haben und ohne jede Löthilfe wie Borax etc. einwandfreie Verbindungen entstehen.
Verwendet werden vornehmlich kaltgewalzte Cu/Ni-Folien in den Stärken von 0, 03 bis 0,20 20mm, die in Form von Bändern vorliegen und aus denen die notwendigen Maße ausgeschnitten werden.
Die Lötvorbereitungen und die Lötung selbst gehen wie folgt vor sich: Beispiel 1 Für eine Stahldüse wird ein Hartstoffkörper aus 33 Gew.-% Titankarbid und Rest einer Stahlmatrix, bestehend aus 0, 95 % Kohlenstoff, 1 % Mangan, 17 % Chrom, 3 % Molybdän, 0, 8 % Kupfer, 0, 02 % Bor, 0, 5 % Vanadium, Rest Eisen in den Abmessungen 120 mm ~ x 80 mm f bei einer Länge von 700 mm benötigt. Diese Länge unter Einrechnung von 25 % Schwund beim Sintern ist preßtechnisch über isostatisches Pressen zwar zu erstellen, würde sich jedoch bei Auftreten der flüssigen Phase beim Sintern stark deformieren. Es bleibt nur der Ausweg, zwei bereits gesinterte Rohlinge von 350 mm Länge durch Löten zu verbinden. Zu diesem Zweck werden die zu verbindenden Flächen glatt und plangeschliffen mit einer Rauhigkeit von ca. 5 bis 10 mm -zur besseren Haftung des Lotesgut entfettet und nach Aufbringen einer ringförmigen geschnittenen Kupfer-Nickel-Folie aus 75 % Kupfer 25 % Nickel aufeinandergestellt.
Die Lötfolie steht an den Außen- und Innenrändern um ca. 1 mm über, um eine vollkommene Ausfüllung des Spalts zwischen den Teilen mit Lot sicherzustellen. Die Teile werden nun mit austenitischem oder kohlenstoffreiem Draht umwickelt, um ein Verrutschen zu verhindern.
So vorbereitet, gelangen die Teile in den Vakuumofen. Eine durch Zirkonoxid isolierte Graphitplatte dient als Auflage. Nach Evakuieren auf ca. 2 ~ 10 Torr wird der Ofen in ca. 60 min auf 11000C aufgeheizt. Unter Beobachtung der überstehenden Lötfolie durch ein Fenster wird die Temperatur bis zum Schmelzen des Lotes weiter gesteigert.
Nach einer Haltezeit von 5 bis 10 min zur Diffusion des Lotes bei Steigerung der Temperatur im Ofen auf 11800C wird der Heizstrom abgeschaltet. Einer normalen Kühlung in ca. 30 min auf ca. 950°C folgt eine beschleunigte Kühlung durch Einleiten von Stickstoffgas in den Ofen. In ca. 4 bis 6 Stunden, je nach Größe des Volumens der zu lötenden Teile ist der Lötvorgang beendet. Das gelötete Teil ist infolge schneller Abkühlung im Ofen luftgehärtet mit einer Härte von etwa 68 bis 70 HRc.
Zur mechanischen Bearbeitung wird es einer normalisierenden Crliihbehandlung auf ca. 43 bis 45 HRc unterzogen. Jetzt kann die rohe Stahldüse durch Drehen auf die vorgeschriebene Abmessung bearbeitet werden.
Dieses bereitet keine Schwierigkeiten. Die Kupfer -Nickel-Lotlegierung ist vollkommen in die beiden Hartstofflegierungsteile eindiffundiert.
Eine Legierung des Lots mit der genannten Stahlmatrix aus Chrom Molybdän-Eisen erfolgt ohne einen zusätzlichen HärtJ e+ISekt. Eine Lötfuge ist nicht mehr sichtbar, da die dünne Folie nach dem Aufschmelzen beim Löten restlos in die zu lötenden Teile eindiffundier t ist. Dies wird angestrebt, um weiche Fugen in einem Verschleißteil zu vermeiden.
Nach der Fertigbearbeitung der Strahldüse erfolgt die Härtung bei 1100 C im Vakuumofen auf 70 bis 72 HRc. Da der Verzug dieser Hartstofflegierung minimal ist, kann der Einsatz der Düse nach dieser Blankhärtung ohne weitere Bearbeitung sofort erfolgen.
Beispiel 2 Die Schneidstempel für einen Rotor-Statorschnitt sollen verschleißfester gestaltet werden als bei den bekannten 12 %igen Chromstählen üblich.
Die Ausführung der Stempel ganz aus härtbarer Hartstofflegierung wäre zu teuer. Es ist deshalb günstiger, den Stempel aus Stahl mit einer Auflage aus einer Hartstofflegierung zu versehen, um so auch die auf den Stempel wirkenden hohen Druckkräfte aufnehmen zu können, Zu diesem Zweck wird eine Platte aus 12 %igem Chromstahl von ca.
60 mm Höhe, 60 mm Breite und 250 mm Länge auf einer Seite plangeschliffen (Rauhigkeit 3 bis 8 mm) und gut entfettet. Eine Kupfer-Nickelfolie (85 % Kupfer, 15 % Nickel) in einer Stärke von 0, 06 mm -ebenfalls gut entfettet- wird aufgelegt, so daß ca. 1 mm Lotrand übersteht. Darauf wird eine ebenso vorbereitete gesinterte Platte aus einer Hartstofflegierung aus 34, 5 % Titankarbid, Rest Stahlmatrix, bestehend aus 0, 65 (yo Kohlenstoff, 3 OJo Chrom, 3 % Molybdän, 1 % Kupfer, 0, 02 % Bor, Rest Eisen und den Maßen 30 mm hoch, 60 mm breit, 250 mm lang aufgebunden. Die so verbundenen Teile werden, wie im Beispiel 1 beschrieben, in den Vakuumofen eingebracht und bis 11000C bei 2 10#2 Torr erwärmt. Das Schmelzen des Lotes tritt jetzt etwas eher als im Beispiel 1 ein. Bei 11500C wird der Ofen nach 6 min Haltezeit zwecks vollständiger Diffusion abgeschaltet und, wie im Beispiel 1 beschrieben, weiter abgekühlt. Eine normalisierende Glühung bringt den jetzt entstandenen Verbundkörper aus Stahl und Hartstofflegierung in einen bearbeitbaren Zustand. Trotz der niedrigen Löttemperatur zeigt sich ein gewisses Kristallwachstum des 12 zeigen Chromstahls. Dieses ist jedoch infolge der kurzen Lötzeiten durch die Glühung zu regenerieren.
Aus dem vorliegenden Verbundkörper werden jetzt auf einer Bandsäge zunächst Platten in der Stärke der Schneidstempel und aus diesen die Konturen der eigentlichen Stempel herausgesägt. Bei dieser Operation zeigt sich besonders, wie vorteilhaft das nicht zusätzlich härtende Kupfer-Nickel-Lot zu bearbeiten ist. Die kombinierten Schneidstempel werden durch Hobeln, Fräsen und Schleifen in die richtige Form gebracht mit einem Aufmaß von 0, 03mm pro Seite. Anschließend wird aus dem Salzbad in Öl auf 70/72 HRc gehärtet und auf Fertigmaß geschliffen.
Dabei erhält der Stahlteil eine Härte von 63 HRc. Alle diese Operationen überstehen die Lötnähte einwandfrei. Auch hier gilt, möglichst fugenlose Übergänge vom Hartstoff zum Stahl zu schaffen, um stärker verschleißende Stellen und Bruchanfälligkeit auszuschalten.
Dünne Stempel aus Hartstofflegierungen können mit den genannten Nickel-Kupferloten auch durch induktive oder elektrische Widerstandserwärmung in Verbindung mit leichtem Druck mit entsprechenden Stählen verbunden werden. Die Lötung an Luft ist trotz Verwendung von Lötpasten nicht ideal, besser wird unter Schutzgas oder innerhalb einer Vakuumröhre gearbeitet.
Die Vorteile bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lotlegierung für das Löten von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus anderen Metallen, insbesondere Stahl, liegen darin, daß eine schnelle Diffusion der Lotlegierung in die Oberfläche der zu verbindenden Teile stattfindet, wobei praktisch keine Fugenbildung auftritt, daß eine Härtung der Diffusionszonen im gelöteten Bereich z0 B0 aufgrund des Entstehens harter intermetallischer Phasen nicht eintritt, die gute Bearbeitbarkeit der gelöteten Teile sichergestellt ist, keine negative Beeinflussung der Korrosionsbeständigkeit der zu lötenden Teile auftritt, beim Löten keine zu Poren führende Verdampfung von Bestandteilen der Lotverbindung im Vakuum stattfindet, trotz niedriger Löttemperaturen eine hohe Festigkeit der Lotverbindung festzustellen ist, daß infolge höherer Aufschmelztemperaturen nach dem Löten infolge eingetretener Legierungsbildung des Lotes mit den gelöteten Teilen keine Gefahr des Aufschmelzens der Lotlegierung bei der nachfolgenden Härtebehandlung besteht, und daß schließlich die erfindungsgemäße Lotlegierung einen im Verhältnis zu Hartstofflegierungen und auch Stahl günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Die erfindungsgemäße Lotlegierung ist zum nichtlösbaren Verbinden von Teilen aus gesinterten Hartstofflegierungen ungeeignet, wenn die geometrische Form oder Größe die Herstellung eines einstückigen Körpers nicht zuläßt. Die unlösbare Verbindung von Teilen aus gesinterten Hartstofflegierungen mit Teilen aus Metall, insbesondere Baustahl, Werkzeug- oder Schnellarbeitsstahl, führt zu größerer Wirtschaftlichkeit und ermöglicht es, die Forderungen nach zähem und elastischem Grundkörper mit verschleißfester Oberfläche zu vereinigen. Diese Forderungen treten auf bei Preßstempeln, Matrizenplatten, Ventilkegel, Ventilplatten, Plunger für Pumpen, Preßformen für Kohle-, Keramik-, Porzellanindustrie und Pulvermetallurgie, Backenbrecher und Prallplatten für die Zerkleinerungsindustrie, Strahldüsen, Rutschen, Blech- und Papierschneidemesser, Panzerplatten usw.

Claims

Patentanspruch

Lotlegierung für das nicht lösbare Verbinden von Teilen aus gesinterten Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus Metall, insbesondere Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 15 bis 25 % Nickel, Rest Kupfer und bis 1 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht