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Verfahren zum Löten von Metallen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Metallen, insbesondere zum Löten von Unedelmetallen. üblicherweise bringt man das Lot zusammen mit Flussmitteln durch Anwendung von Wärme zum Schmelzen, worauf es dann den Lötspalt auf Grund seiner benetzenden Eigenschaften auszufüllen beginnt und nach beendeter Lötung eine feste Verbindung der verlöteten Formteile ergibt. Dabei kann das Lot z. B. als Lotring, Lotplättchen usw. aufgelegt werden und die Lötung in einem Ofen, einem Salzschmelzbad, in einer Flamme usw. vorgenommen werden. Es ist weiters auch bekannt, Lotschichten durch Plattieren oder elektrolytisch aufzubringen, einerseits, um eine gleichmässigere Lotschicht zu erzielen und anderseits, um grössere Mengen Flussmittel zu vermeiden.
Für gewisse Zwecke, insbesondere für das Löten solcher Metalle, die sich leicht mit Oxydschichten überziehen, oberflächlich mit Gas beladen oder Gase lösen, lassen jedoch auch diese Verfahren noch manchen Wunsch offen.
Es wurde nun gefunden, dass ganz besonders fehlerfreie Lötungen hergestel'lt werden können, wenn man auf die entsprechend gereinigten zu verlötenden Teile das Lot aufdampft. Da das Verdampfen der Lotmetalle im allgemeinen bei erhöhter Temperatur im Vakuum erfolgen muss, werden sämtliche absorbierte Gase aus dem Lotmetall entfernt, so dass eine Reaktion zwischen den absorbierten Gasen und Dämpfen und den zu verlötenden Metallen, selbst bei höheren Temperaturen, ausgeschlossen ist. Auch die an der Oberfläche der zu verlötenden Metalle absorbierten Substanzen, z. B. Wasser u. dgl. mehr, lassen sich durch geeignete Massnahmen, z. B. Beglimmen im Vakuum, leicht entfernen, wodurch auch von dieser Seite her eine unerwünschte Verbin- dungsbilduntg wirksam verhindert wird.
Die aufgedampfte Lotsohicht gewährleistet beim nachträglichen Löten eine einwandfreie und gleichmässige Benetzung und garantiert in gewissen interessanten Fällen ihrer homogenen porenfreien Ausbildung wegen einen einwandfreien Korrosionsschutz, der naturgemäss von der Wahl des Lötmaterial und der Dicke der Lotschicht abhängig ist.
Der Vorgang des Aufdampfens an sich bedari wohl kaum einer eingehenden Erläuterung technischer Einzelheiten. In den meisten Fällen wird man in der üblichen Weise mit Verdampferschiffchen arbeiten, aus denen die Metalle durch hohe Temperaturen zum Verdampfen gebracht werden.
Mitunter können jedoch auch Verfahren wie das kathodische Zerstäuben bzw. Verdampfen oder das Verdampfen mittels Stossentladung geeignet sein, die Lotmetalle bzw. einzelnen Komponenten in den Dampfzustand zu überführen.
Wie schon angedeutet, besitzt das Verfahren der Erfindung insbesondere Bedeutung für das Verlöten von Unedelmetallen wie Uran, Thorium, Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Beryllium, Aluminium, Magnesium, Zirkon, Titan, Hafnium und deren Legierungen. In den meisten Fällen wird man dabei ohne weiteres auf Löthilfsmittel wie Flussmittel od. dgl. verzichten. Auch Schutzgas wird für die Lötstellen selbst, - wenn nicht bei Löttemperatur das Metall an sich empfindlich ist - oft überflüssig sein.
Damit wird das er- fin'dungsgemässe Verfahren, vor allem bei der Herstellung von Brennelementen für Reaktoren, für gelötete Verdampfer von Kühlaggregaten, für Hochvakuumflanschverbindungen und überall dort, wo eine vollständige Beseitigung von Flussmitteln eine absolute Notwendigkeit ist und gleichzeitig eine porenfreie Lötung gefordert wird, angewendet werden. Jedoch ergeben sich auch bei der Herstellung von Bimetallstreifen, Manteldrähten und andern technischen Artikeln Vorteile,, die mit andern Verfahren nicht erreicht werden.
Es ist bei dem Verfahren der Erfindung nicht notwendig, die Lotlegierung aufzudampfen, sondern es ist selbstverständlich'auch möglich, die einzelnen Komponenten eines Lotes durch schichtweises Aufdampfen hintereinander aufzubringen. Auch kann die eine Komponente eines Lotes auf einen von zwei miteinander zu verbindenden Formteilen und die andere Komponente auf den
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zweiten Formteil aufgebracht werden. Bei dieser Arbeitsweise sind die Oberflächen beider zu verlötenden Formteile bei geeigneter Wahl der Löt-
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Besonders für das Verlöten empfindlicher Werkstoffe ergibt sich dann auch die Möglichkeit, durch geschickte Auswahl der Aufdampfschichten ein Löten mit flüssigem Lot zu vermeiden und durch Diffusion im festen Zustand zu einer hochfesten, thermisch beständigen Verbindung zu gelangen. Z.
B. bringt man auf den metallischen Werkstoff A eine Schicht a, die sich durch Diffusion an der Grenze A/a vereinigt, auf.
Auf die Schicht a dampft man eine Schicht X auf, die wiederum mit a und auch mit b, einer auf das Werkstück B aufgedampften, in den Eigenschaften a äquivalenten Schicht, eine feste Verbindung eingeht. Ein solcher Schichtaufbau würde sich auch bei Einsatz einer Lötlegierung ausbilden, jedoch sind dann wesentlich höhere Temperaturen und längere Zeiten erforderlich, während durch das Aufdampfen der Schichten die endgültige Reihenfolge schon vorweggenommen ist. Dabei kann die Schicht X gegebenenfalls gleichzeitig ein Diffusionshindernis für die metallischen Werkstoffe A und B sein, wenn eine entsprechende Auswahl der Komponenten eines solchen Mehrschichtenlotes getroffen wird.
So wird auf diese Weise ein in jeder Hinsicht maximaler Effekt erreicht. Der Werkstoff wird schonendst behandelt, und die Lötverbindung ist dennoch von einer hervorragenden Festigkeit, wie sie nach andern Verfahren kaum erreicht werden kann.
Das Verfahren der Erfindung soll im einzelnen durch die folgenden Beispiele erläutert werden.
Beispiel l : Verlöten von Verdampferblechen.
Die zugeschnittenen Bleche werden, je nach Anlieferung, entfettet und/oder gebeizt-mit Vorteil wird man oft noch eine chemische oder elektrolytische Politurbehandlung nachschaltenund an den Stellen, die nicht mit Lot bedeckt werden sollen, mit Lack abgedeckt. Sodann bringt man, die Formteile in die Aufdampfvorrichiung und bedampft mit Aluminium. Nach Abziehen des Lackes bleiben nur die Lötstellen mit Lot bedeckt. Die so vorbehandelten Bleche werden zum Verlöten mit einem gleichfalls gereinigten Eisenblech verpresst und dabei auf zirka 6000 C erhitzt. Die Lötungen sind homogen und von ausgezeichneter mechanischer Fertigkeit, wie sich beim Aufweiten entsprechend verlöteter Bleche zu Rohren ergab.
Beispiel 2 : Brennelemente.
Brennelementkerne aus Uran werden üblicherweise mit einem "Can" aus z. B. Aluminiumlegierungen versehen. Für die Lötung zwischen Kern und Can werden Porenfreiheit, gute Wärme- übertragung, geringe Schichtdicke wegen des Neutroneneinfangquerschnittes der Lotmetalle und oft auch noch Diffusionsbehinderung zwischen Kern und Can gefordert.
Diesen Forderungen kann weitgehend Recb-
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getragenkern zunächst eine Schicht Zink, sodann eine Schicht Zinn und darauf wieder eine Schicht Zink aufdampft. Dabei gelten weitgehend die schon weiter oben im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Bedingungen. Selbstverständlich können die Schichten auch teilweise oder ganz auf den Canwerksioff aufgebracht werden oder andere Lotkombinationen gewählt werden. Das Can wird dabei zweckmässig so auf den Kern aufgebracht, dass es einen Druck ausübt, z. B. durch Aufpressen, Aufschrumpfen oder Aufziehen. Bei einer ausreichend langen thermischen Behandlung bei Temperaturen, die die Struktur des Kerns noch nicht verändern, resultiert eine ausgezeichnete Verbindung zwischen Kern und Can unter gleichzeitigem Aufbau einer diffusionshindernden Zwischenschicht.
Die thermische Behandlung wird dabei, um ein Aufweiten des Cans zu vermeiden, vorzugsweise unter Druck
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minium auch Beryllium, Magnesium, Zirkon, Stahl usw. in Frage kommen, sind auch die Lotmetalle bzw. Lotlegierungen zahlreich.
Bei s pi el 3 : Manteldrähte.
Bei der Herstellung von Manteldrähten mit einem Kern aus Unedelmetall und einem Mantel aus Edelmetall ist man aus wirtschaftlichen Gründen bestrebt, den Edelmetallmantel möglichst dünn zu halten. Diesem Bestreben steht als Hindernis die Diffusion des Unedelmetallkerns in das Edelmetall, auch schon bei üblichen Löttemperaturen, entgegen. Dem kann man auf einfache
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tallkern Lotschichten aufdampft, die gleichzeitig die Diffusion behindern, und durch eine Temperaturnachbehandlung die Struktur des fertigen Manteldrahtes stabilisiert bzw. Kern und Mantel einesteils durch das Lot verbindet und andernteils durch Diffusionsbehinderung trennt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Löten von Metallen, insbesondere von Unedelmetallen wie Magnesium, Aluminium, Titan, Uran, Thorium, Zirkon, Beryllium, Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Hafnium und deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot vor der Wärmebehandlung durch Aufdampfen aufgebracht wird.