DE3732749A1

DE3732749A1 - Nickel-basis-lot fuer hochtemperatur-loetverbindungen

Info

Publication number: DE3732749A1
Application number: DE19873732749
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Falk
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1987-09-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1989-04-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Nickel-Basis-Lot für Hoch temperatur-Lötverbindungen von Stählen und Nickel- Basis-Legierungen gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Nickel-Basis-Lote werden überwiegend für Hochtemperatur- Lötverbindungen von Stählen und Nickel-Basis-Legierungen verwendet. Wegen der unvermeidbaren versprödenden inter metallischen Verbindungen, werden die bisher üblichen Nickel-Lote nur in Pulverform oder einer daraus herge stellten Lotpaste oder als amorphe Bänder hergestellt.

Durch die DE-PS 27 55 435 ist eine homogene duktile Löt folie für das Hartlöten von Metallteilen bekannt, die mit Hilfe der an sich bekannten Rascherstarrungstechnik herge stellt wird. Sie besteht aus 0 bis 4 Atom-% Eisen, 0 bis 21 Atom-% Chrom, 0 bis 16 Atom-% Bor, 0 bis 19 Atom-% Si lizium, 0 bis 22 Atom-% Phosphor und als Rest Nickel und gegebenenfalls Verunreinigungen, wobei die Gesamtheit von Eisen, Chrom und Nickel im Bereich von 76 bis 84 Atom-% und die Gesamtheit von Bor, Silizium und Phosphor im Bereich von 16 bis 24 Atom-% liegen soll. Sie soll im wesentlichen glasartig, also amorph sein.

Ferner ist durch die EP-OS 00 56 141 eine duktile Hartlöt folie mit wenigstens 50% glasartiger Struktur und mit einem Gehalt an Palladium, Bor und Nickel bekannt, die aus 1 bis 41 Atom-% Palladium, 0 bis 20 Atom-% Chrom, 11 bis 20 Atom-% Bor und Rest Nickel besteht, wobei die Gesamt heit von Nickel, Palladium und Chrom im Bereich von 80 bis 89 Atom-% liegt.

Diese und ähnliche Legierungszusammensetzungen sind im wesentlichen geeignet für das Hartlöten bei hohen Tempe raturen von austenitischen, martensitischen und ferri tischen rostfreien Stählen sowie von Legierungen auf Nickel-Grundlage. Das Löten bei hohen Temperaturen, die im wesentlichen über 1000°C liegen, ist bei solchen Bauteilen erforderlich, die im Gebrauch hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Als Beispiel können hier Teile von Flug zeugturbinen oder metallische Abgaskatalysatoren genannt werden.

Beim Verlöten dünner Werkstoffe wird das Material um die Lötstelle herum durch Hineindiffundieren des Lotes massiv verändert. Hierdurch werden die Eigenschaften des Materials meist drastisch verschlechtert. Hierzu zählen neben den mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel eine mögliche Versprödung, auch die Korrosionseigenschaf ten, wie zum Beispiel die Verschlechterung der Oxidations eigenschaften. Das Problem ist bei Hochtemperatur-Werk stoffen, wie sie beispielsweise bei Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeuge verwendet werden, als besonders erschwerend anzusehen. Als Trägermaterial für diese Abgaskatalysatoren haben sich insbesondere Fe-Cr-Al-Legierungen wegen ihrer hohen Oxidationsbeständigkeit bestens bewährt. Um den Durchströmwiderstand im Katalysator möglichst gering zu halten, sind hier dünne Bänder von etwa 50 µm erforderlich, aus denen der Trägerkörper gewickelt wird. Aus Festigkeitsgründen wird eine Verlötung der einzelnen Wickellagen untereinander verlangt. Dies hat sich nicht nur als sehr schwierig erwiesen, sondern diese Lötstellen konnten auch nicht befriedigen, und zwar aus folgenden Gründen:

a) Die Lötung mit Pulverloten erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, weil eine Benetzung und Verun reinigung durch das Lot auch an nicht zu verlötenden Stellen unvermeidlich ist.
b) Eine genaue Dosierung des Lotes in Pulverform ist kaum möglich; dadurch kann eine massive Veränderung der Legierungszusammensetzung des etwa 50 µm Träger materials an der Lötstelle eintreten.
c) Lotpasten werden aus Pulverloten mit einem organischen Binder hergestellt, der bis zu 50% der Lotpaste aus machen kann. Die Verwendung solcher Pasten ist durch diesen Binder eingeschränkt, denn er muß während des Lötens verbrennen. Dadurch verschlechtert sich die Benetzung des Lotes, und eine Verunreinigung der Löt stelle mit Kohlenstoff kann nicht vermieden werden.
d) Die Lötung mit amorphen Lotbändern ist insofern unbe friedigend, weil sich herausgestellt hat, daß die sehr hohe Streckgrenze des amorphen Lotbandes die Verar beitung erheblich erschweren kann. Überall, wo ein Schneiden oder Knicken erforderlich ist, bereitet die Verwendung des amorphen Lotbandes erhebliche Schwie rigkeiten.
e) Ein hoher Gehalt an Bor oder Phosphor, wie er für die Glasbildung in amorphen Legierungen notwendig ist, sollte im Lot weitgehend vermieden werden. Die sonst entstehenden Ausscheidungen verschlechtern die mecha nischen Eigenschaften und die Oxidationseigenschaften erheblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nickel-Basis- Lot zur Lösung der vorstehenden Probleme zu schaffen, das auch relativ einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Nickel-Basis-Lot gelöst, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. Weitere Einzel heiten und Merkmale sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung hat sich als besonders günstig erwiesen. Bisher konnten Lote mit ähnli chen Legierungszusammensetzungen wegen des relativ hohen Anteils von Metalloidelementen und der damit verbundenen Versprödung nur als Pulver oder mit einem zusätzlichen organischen Binder als Lotpaste hergestellt und verwendet werden. Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit Hilfe der Rascherstarrungstechnik kristalline und duktile Lotbänder mit diesen Legierungszusammensetzungen auf einfache Weise hergestellt werden können. Durch die schnelle Abkühlung bei der Herstellung der Bänder können die sonst auftretenden versprödenden intermetallischen Phasen weitgehend unter drückt werden. Es gelingt so, ein kristallines und duktiles Lotband auch in geringen Bandstärken herzustellen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lotbandes liegen insbe sondere in einer Vereinfachung des Lötprozesses. So ist es am Beispiel des Katalysatorträgers einfach und kosten günstig, das Lotband in den Wabenkörper miteinzuwickeln. Durch Erhitzen des ganzen Wabenkörpers kommt dann die Lötung zustande, und zwar lokal begrenzt nur in dem dafür vorgesehenen Bereich.

Im folgenden werden einige besonders vorteilhafte Legie rungen für Lötbänder näher beschrieben:

a) Nickel-Silizium-Basislegierung mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 15 Gew.-%. Zur Verbesserung der Benetzung und Lötfähigkeit, sowie zur genauen Einstellung der Schmelz temperaturen können geringe Zusätze vorgesehen sein:
Ti, Zr, Nb, As, P, Cu, Mn, Zn, In, Ge, Sc, C bis zu einem Gesamtgehalt von 0,1 bis 10 Gew.-%.
Beispielslot: Ni+11 Gew.-% Si+1 Gew.-% Ti
b) Nickel-Chrom-Basislegierung mit einem Chromgehalt von 2 bis 40 Gew.-%.
Beispielslot: Ni+8,3 Gew.-% Si+13 Gew.-% Chrom
c) Nickel-Mangan-Basislegierung mit einem Mangangehalt von 2 bis 80 Gew.-%. Zur Verbesserung der Benetzung und Löt fähigkeit, sowie zur genauen Einstellung der Schmelztempe raturen sind geringe Zusätze vorgesehen an:
Ti, Zr, Nb, As, P, Cu, Zn, In, Ge, Sc, C bis zu einem Gesamtgehalt von 0 bis 10 Gew.-%.
Beispielslot: Ni+10 Gew.-% Mn+8 Gew.-% Si+5 Gew.-% Cu

Zu Testzwecken wurden 5 mm breite Musterbänder in verschie denen Banddicken zwischen 60 µm und 10 µm her gestellt. An diesen Bändern wurde neben der Duktilität, die Lötfähigkeit, die Benetzung und die Oxidationseigenschaften an Testlötungen von 50 µm dicken Fe-Cr-Al-Blechen erfolgreich geprüft.

Claims

1. Nickel-Basis-Lot für Hochtemperatur-Lötverbindungen von Stählen und Nickel-Basis-Legierungen, dadurch gekenn zeichnet, daß es 2 bis 15 Gew.-% Silizium enthält und bis zu einem Gesamtgehalt von 0,1 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente Titan, Zirkon, Niob, Arsen, Phosphor, Kupfer, Zink, Indium, Germanium, Skandium, Kohlenstoff und gegebenenfalls Verunreinigungen enthält und daß aus dieser Legierung durch Rascherstarrung ein duktiles Lotband mit kristalliner Struktur hergestellt wird.

2. Lotband nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 6 bis 12 Gew.-% Silizium enthält.

3. Lotband nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung: 9 bis 11,5 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2 Gew.-% Titan und Rest Nickel.

4. Lotband nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es 2 bis 80 Gew.-% Mangan enthält.

5. Lotband nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung: 7 bis 9 Gew.-% Silizium, 5 bis 15 Gew.-% Mangan, 4 bis 6 Gew.-% Kupfer und Rest Nickel.

6. Lotband nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß es 2 bis 40 Gew.-% Chrom enthält.

7. Nickel-Basis-Lot für Hochtemperatur-Lötverbindungen von Stählen und Nickel-Basis-Legierungen, dadurch gekenn zeichnet, daß es 2 bis 8,3 Gew.-% Silizium und einen Chrom-Gehalt bis 55 Gew.-% und gegebenenfalls Verun reinigungen enthält und daß aus dieser Legierung durch Rascherstarrung ein duktiles Lotband mit kristalliner Struktur hergestellt wird.

8. Lotband nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung: 6 bis 8,3 Gew.-% Silizium, 12 bis 20 Gew.-% Chrom und Rest Nickel.

9. Lotband nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es eine geringe Dicke zwischen 10 und 60 µm besitzt.

10. Lotband nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Löten von dünnen Blechfolien verwendet wird.