<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum Verbinden von Teilen aus Keramiken, Cermets, Legierungen und Metallen mit voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus Keramiken, Cermets, Legierungen und Metallen mit voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten durch Schweissen mittels einem oder mehreren pulvermetallurgisch hergestellten Verbindungsteilen, deren Ausdehnungskoeffizient sich kontinuierlich von jenem des einen Teiles zu jenem des andern Teiles ändert.
Es ist dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsteile verwendet werden, die eine kontinuierlich sich ändernde Zusammensetzung zwischen den Grenzzusammensetzungen der tieferstehend angegebenen Legierungssysteme besitzen :
EMI1.1
<tb>
<tb> . <SEP> Ausdehnungskoeffizient <SEP> x <SEP> 10-6/oC
<tb> System <SEP> : <SEP> Grenzzusammensetzungen:
<SEP> Temperaturintervall <SEP> von <SEP> 20 <SEP> -700 C
<tb> 1. <SEP> Fe-Ni-Co-Cr <SEP> Von54% <SEP> Fe, <SEP> 29% <SEP> Ni, <SEP> 17% <SEP> Co, <SEP> 0% <SEP> Cr <SEP> 9, <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 19
<tb> bis <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 8% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Co, <SEP> 18% <SEP> Cr
<tb> 2. <SEP> Fe-Ni-Cr <SEP> Von <SEP> 58% <SEP> Fe, <SEP> 42% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Cr
<tb> bis <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 8% <SEP> Ni, <SEP> 18% <SEP> Cr
<tb> 3. <SEP> Zr-Ti <SEP> Von <SEP> 100% <SEP> Zr, <SEP> 0% <SEP> Ti
<tb> bis <SEP> 0% <SEP> Zr, <SEP> 100% <SEP> Ti
<tb> 4. <SEP> W-C-Co <SEP> Von <SEP> 94% <SEP> W, <SEP> 6% <SEP> C, <SEP> 0% <SEP> Co
<tb> bis <SEP> 0% <SEP> W, <SEP> 0% <SEP> C, <SEP> 100% <SEP> Co
<tb> 5. <SEP> Ti-C-Ni <SEP> Von <SEP> 81, <SEP> 5% <SEP> Ti, <SEP> 18, <SEP> 5% <SEP> C, <SEP> 0% <SEP> Ni
<tb> bis <SEP> 0% <SEP> Ti, <SEP> 0% <SEP> C <SEP> 100% <SEP> Ni
<tb> 6.
<SEP> W-Ni-Cu <SEP> Von <SEP> 92% <SEP> W, <SEP> 5% <SEP> Ni, <SEP> 3% <SEP> Cu
<tb> bis <SEP> 0% <SEP> W, <SEP> 100% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Cu <SEP> - <SEP>
<tb> 7. <SEP> Fe-Cr-Ni-Mn <SEP> Von <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 18% <SEP> Cr, <SEP> 8% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Mn
<tb> bis <SEP> 79, <SEP> 5% <SEP> Fe, <SEP> 3, <SEP> 5% <SEP> Cr, <SEP> 12% <SEP> Ni, <SEP> 5% <SEP> Mn <SEP>
<tb>
wobei bei Verwendung mehrerer Legierungssysteme für den Verbindungsteil deren Reihenfolge so gewählt wird, dass der Ausdehnungskoeffizient an der Verbindungsstelle aneinandergrenzender Legierungssysteme für beide Systeme annähernd gleich ist.
Die Anbringung eines oder mehrerer Verbindungsteile an den zu verbindenden Teilen erfolgt durch Schweissen, wobei alle üblichen Schweissmethoden angewendet werden können. Derartige Verfahren sind z. B. : Druckschweissen in der Kälte, Druckschweissen bei hohen Temperaturen, Feststoffschweissen mit
<Desc/Clms Page number 2>
Feststoffen mittels Diffusion bei hohen Temperaturen, z. B. die Sintermethode in der Pulvermetallurgie,
Flüssigschweissen mit Feststoff, z. B. die Lötung bei hohen Temperaturen, Schmelzschweissung ohne Auf- tragsmetall, z. B. Autogenschweissung, Schmelzschweissen mit Auftragsmetall, wie z. B. elektrisches Lichtbogenschweissen und schliesslich Schweissung von Keramiken mit Metallen, z. B. mittels des Mo-Mn-
Verfahrens.
Die Schweissung zweier Metalle mit voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ist im all- gemeinen schwer zu verwirklichen.
Vom Standpunkt der Schwierigkeiten, denen man begegnen kann, unterscheidet man drei typische
Fälle, wobei mit dem schwierigsten Fall begonnen werden soll.
Erster Fall : In diesem Falle ist die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der zwei Metalle derart, dass sie die Verwirklichung einer Verbindung verhindert.
Der kritische Wert dieser Differenz hängt ab von der Dehnbarkeit und der Sprödigkeit der zu verbin- denden Materialien.
Wenn die zwei Materialien dehnbar sind, z. B. zwei Metalle, dann ist der kritische Wert dieser Dif- ferenz genügend gross, u. zw. in der Grössenordnung von 6 bis 8 x 10-6/OC. Wenn dieser Wert erreicht oder überschritten wird, ist die Verbindung während der Abkühlung von der Schweiss- oder Löttemperatur der Sitz sehr scharfer Wärmespannungen, die sehr leicht einen spontanen Bruch der Verbindung vor oder nach der Abkühlung auf die Umgebungstemperatur hervorrufen können. Beispielsweise hat die Schweiss- verbindung zwischen"Kovar" (54% Fe, 29% Ni, 17% Co) und austenitischem Stahl mit den Ausdehnungs- koeffizienten 9, 3 und 19 X 10'6/ C eine Neigung, spontan zu zerbrechen.
Der schwierigste Fall liegt vor, wenn eines oder beide Materialien spröd sind. In diesem Falle kann die kritische Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 1 x 10-6/OC sein.
Dieser Fall tritt ein, wenn Keramiken mit Metallen verschweisst werden sollen. In diesem Falle müssen die Ausdehnungskoeffizienten genau übereinstimmen, damit ein Bruch vermieden wird.
Zweiter Fall : Dieser Fall bietet geringere Schwierigkeiten, wobei aber doch allenfalls Unzukömmlichkeiten auftreten können.
Er kann erläutert werden an Hand der Schweissung von zwei dehnbaren Metallen, deren Dehnbarkeitsdifferenz nicht sehr gross ist, z. B. bis 5 x 10-6/oC, beispielsweise der Verbindung zwischen ferritischem Stahl (15 x 10-6/OC) und austenitischem Stahl (19 x 10-6/ C).
Die Verwirklichung derartiger Verbindungen bietet keine Schwierigkeiten, aber wenn eine solche Verbindung periodisch erhitzt und abgekühlt wird, dann unterliegt sie thermischen Ermüdungserscheinungen, die Mikrorisse hervorrufen können, die zu einem Bruch der Verbindung führen.
Dritter Fall : Dieser Fall bietet keinerlei spezielle Schwierigkeiten, wie Rissbildung u. dgl.
Er kann erläutert werden an Hand der Schweissung zweier dehnbarer Metalle mit einander adäquater Schweissbarkeit und wo die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten z. B. zwischen 1 und 2 x 10-6/OC gelegen ist.
Es wurde schon früher in den belgischen Patentschriften Nr. 556,520 und 579, 544 vorgeschlagen, eine Verbindung zwischen Materialien herzustellen, deren Ausdehnungskoeffizienten verschieden sind.
In der belgischenpatentschrift Nr. 556,520 sind diezwei zu verbindendenMaterialien ferritischer und austenitischer Stahl. Gemäss der belgischen Patentschrift Nr. 579,544 werden die zwei Materialien aus einer Gruppe ausgewählt, welche Metalle mit hohem Schmelzpunkt, Cermets, harte, intermetallische Verbindungen, martensitisch Stähle, schwerschmelzbare Legierungen und austenitische Stähle umfasst.
Nach diesen beiden Patentschriften wird die Verbindung zwischen zwei Materialien, deren Differenz zwischen den Ausdehnungskoeffizienten viel grösser ist als 2 x 10-6/OC mittels einem Verbindungsstück verwirklicht, das man zwischen die beiden Materialien einlagert und mit welchen es an seinen beiden Enden verbunden ist. Dieses Verbindungsstück wird auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und besitzt einen nicht schrittweise sondern einen kontinuierlich zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten, nämlich vom Wert des Ausdehnungskoeffizienten des einen Materials gegen den des andern, wobei das Verbindungsstück gekennzeichnet ist, durch die Anwesenheit einer Eisen-Nickel-Legierung mit einer kontinuierlich veränderten Zusammensetzung mit oder ohne Zusatz von Chrom und Cobalt.
In diesen beiden Patentschriften ist beansprucht, dass der Übergangsteil des Verbindungsstückes zwei oder mehrere Legierungssysteme zulässt.
Die in den genannten Patentschriften erwähnten Legierungssysteme sind folgende :
EMI2.1
<tb>
<tb> 1. <SEP> Von <SEP> 537o <SEP> Fe-30% <SEP> Ni-17% <SEP> Co-0% <SEP> Cr <SEP> bis <SEP> 74% <SEP> Fe <SEP> - <SEP> 18% <SEP> Cr <SEP> - <SEP> 8% <SEP> Ni <SEP> - <SEP> 0% <SEP> Cr;
<tb> 2. <SEP> Von <SEP> 58% <SEP> Fe-42% <SEP> Ni-0% <SEP> Cr <SEP> bis <SEP> 74% <SEP> Fe-18% <SEP> Cr-8% <SEP> Ni <SEP> ; <SEP>
<tb> 3. <SEP> Von <SEP> 100% <SEP> Zr-0% <SEP> Ti <SEP> bis <SEP> 0% <SEP> Zr-100% <SEP> Ti.
<tb>
<Desc/Clms Page number 3>
Diese Legierungssysteme gestatten es, alle zwischen den folgenden Extremgrenzen gelegenen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten.
EMI3.1
<tb>
<tb> Temperaturintervall <SEP> von <SEP> 20 <SEP> bis <SEP> 5000C <SEP> Temperaturintervall <SEP> von <SEP> 20 <SEP> bis <SEP> 7000C
<tb> 1. <SEP> Von <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> Von <SEP> 9,3 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 19 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> 2. <SEP> Von <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> Von <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 19 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> 3.
<SEP> Von <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 9,7 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> Von <SEP> 6,5 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb>
Die vorliegende Erfindung soll nicht Materialkombinationen schützen, die bereits durch die belgischen Patentschriften Nr. 556,520 und 579, 544 geschützt sind.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist es, zu drei Legierungssystemen anderer Legierungssysteme zu dem Zweck zuzufügen, um grössere Extremwerte der Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen, damit man Verbindungen durch Schweissen von Bestandteilen aus Keramiken, Cermets, Schwerlegierungen mit geringen Ausdehnungskoeffizienten herstellen kann und weiters, dass man diese Materialien mit Metallen mit hohen Ausdehnungskoeffizienten schweissen kann.
Diese Legierungssysteme und die Extremwerte ihrer Ausdehnungskoeffizienten sind die folgenden :
EMI3.2
<tb>
<tb> 1. <SEP> Von <SEP> 54% <SEP> Fe, <SEP> 29% <SEP> Ni, <SEP> 17% <SEP> Co, <SEP> 00/0 <SEP> Cr <SEP> bis <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 18% <SEP> Cr, <SEP> 8% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Co
<tb> (20-5000C) <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> (20 <SEP> - <SEP> 600 C) <SEP> 7,9 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18,5 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> (20-7000C) <SEP> 9,3 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 19 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> 2.
<SEP> Von <SEP> 58% <SEP> Fe, <SEP> 4'2fT/o <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Cr <SEP> bis <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 18% <SEP> Cr, <SEP> 8% <SEP> Ni
<tb> (20-5000C) <SEP> 7,6 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP>
<tb> (20-6000C) <SEP> 8, <SEP> 7 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 18,5 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> (20 <SEP> -700 C) <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 19 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP>
<tb> 3. <SEP> Von <SEP> 100% <SEP> Zr, <SEP> 0% <SEP> Ti <SEP> bis <SEP> 0% <SEP> Zr, <SEP> 100% <SEP> Ni
<tb> (20-5000C) <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 9, <SEP> 7 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> (20-6000C) <SEP> 6, <SEP> 45X10-6 <SEP> bis <SEP> 9, <SEP> 7 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP>
<tb> (20-7000C) <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> 4.
<SEP> Von <SEP> 94% <SEP> W, <SEP> 6% <SEP> C, <SEP> 0% <SEP> Co <SEP> bis <SEP> 0% <SEP> W, <SEP> 0% <SEP> C, <SEP> 100% <SEP> Co
<tb> (20 <SEP> - <SEP> 700 C) <SEP> 4,5 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 14,4 <SEP> x <SEP> 10-6
<tb> 5. <SEP> Von <SEP> 81, <SEP> 5% <SEP> Ti, <SEP> 18, <SEP> 5% <SEP> C, <SEP> 0% <SEP> Ni <SEP> bis <SEP> 0% <SEP> Ti, <SEP> 0% <SEP> C, <SEP> 100% <SEP> N
<tb> (20-7000C) <SEP> 8 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 15, <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP>
<tb> 6. <SEP> Von <SEP> 9'2fT/o <SEP> W, <SEP> 5% <SEP> Ni, <SEP> 30/0 <SEP> Cu <SEP> bis <SEP> 0% <SEP> W, <SEP> 100% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Cu
<tb> (20-7000C) <SEP> 7, <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 15, <SEP> 4 <SEP> x <SEP> 10-6 <SEP>
<tb> 7. <SEP> Von <SEP> 74% <SEP> Fe, <SEP> 18% <SEP> Cr, <SEP> 8% <SEP> Ni, <SEP> 0% <SEP> Mn <SEP> bis <SEP> 79.
<SEP> 5% <SEP> Fe, <SEP> 12% <SEP> Ni, <SEP> 5% <SEP> Mn, <SEP> 3, <SEP> 5% <SEP> Cr
<tb> (20 <SEP> - <SEP> 700 C) <SEP> 19 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP> bis <SEP> 22, <SEP> 2 <SEP> X <SEP> 10-6 <SEP>
<tb>
EMI3.3
chen und erlauben es infolgedessen, dass man sich genau den Ausdehnungskoeffizienten von Materialien nähert, die geringe, mittlere oder höhere Ausdehnungskoeffizienten besitzen, wie z. B. :
Materialien, die geringe Ausdehnungskoeffizienten von 4 x 10-6 bis 10 x 10-6/oC besitzen : Kera- miken, Cermets, Schwerlegierungen, intermetallische Hartverbindungen, Wolfram, Molybdän, Zir- kon und Titan.
Materialien, die Ausdehnungskoeffizienten von 10 x 10-6/oC bis 16 X 10-6/ C besitzen: martensi-
EMI3.4
Beryllium, austenitischer Stahl, Kupfer, Aluminium.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus den Beispielen zur Schweissung von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hervorgehen.
<Desc/Clms Page number 4>
Verbindungen von Keramiken mit Metallen oder Legierungen.
Keramiken, wie man sie in der Elektrotechnik, in der kernphysikalischen Technologie sowie für keramische Werkzeuge verwendet, sind beispielsweise Hart- und Weichgläser, Aluminiumoxyd, Zirkonium, Steatit, Forsterit und Porzellan.
Die Schweissbarkeit von Keramiken mit Metallen ist in der Regel sehr schwierig auf Grund des grossen Unterschiedes zwischen den Ausdehnungskoeffizienten und der Sprödigkeit der Keramiken. Im Falle von Glas darf auf Grund seiner grossen Sprödigkeit die Differenz zwischen dem Ausdehnungskoeffizient des Glases und jenem des Metalls 1 x 10-6/OC nicht überschreiten und die Ausdehnungskurven des Glases und des Metalls müssen sich unterhalb des Erweichungspunktes des Glases nähern, was sich daraus ergibt, dass selbst eine geringe Differenz bei mittleren Temperaturen einen Bruch des Glases bewirkt, welches sich vom Metall trennt.
Aus diesem Grunde kann eine bestimmte Glasart nur mit einer speziellen Legierung verbunden werden, deren Ausdehnungskoeffizient praktisch ident ist mit dem des Glases. Zum Beispiel werden Weichgläser aufNatrium-Kalziumbasis mit Ausdehnungskoeffizienten vonlO x 10*6/oc (zwischen 20 und 5000C) mit speziellen Legierungen verbunden, die z.
B. folgende Ausdehnungskoeffizienten besitzen :
EMI4.1
<tb>
<tb> Legierung <SEP> Chrom-Eisen <SEP> 28% <SEP> Cr <SEP> : <SEP> 72% <SEP> Fe <SEP> : <SEP> (20-500 C <SEP> : <SEP> 11 <SEP> x <SEP> 10-6/ C) <SEP>
<tb> Legierung <SEP> 42% <SEP> Ni <SEP> : <SEP> 52% <SEP> Fe, <SEP> 6% <SEP> Cr <SEP> : <SEP> (20 <SEP> - <SEP> 5000C <SEP> : <SEP> 10, <SEP> 8 <SEP> x <SEP> 10-6/OC)
<tb>
Die Härtgläser auf Borsilikatbasis haben geringe Ausdehnungskoeffizienten von etwa 6 x 10-6/oc zwischen. 20 und 5000C und werden mittels Metall- und Legierungen verschweisst, wie etwa den folgendeng
EMI4.2
<tb>
<tb> Wolfram <SEP> (20 <SEP> - <SEP> 500 C) <SEP> :
<SEP> 4, <SEP> 6 <SEP> x <SEP> 10-6/OC
<tb> Molybdän <SEP> (20-5000C) <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> x <SEP> 10-6/OC
<tb> "Kovar" <SEP> (29% <SEP> Ni, <SEP> 11% <SEP> Co. <SEP> 54% <SEP> Fe)
<tb> (20-5000C) <SEP> 6 <SEP> X <SEP> 10-6/oC <SEP>
<tb>
Die Form der Ausdehnungskurve von"Kovar" (Markenbezeichnung) ist oberhalb und unterhalb des Wendepunktes praktisch ident mit jener von mehreren Hartglasarten, weshalb aus diesem Grunde"Kovar" am geeignetsten ist und am öftesten für die Schweissung von Hartgläsern verwendet wird.
Die Vornahme der Verschweissung von Glas mit Metall ist einfach. Das Glas und das Metall werden bei einer genügend hohen Temperatur miteinander in Berührung gebracht, bei der das Glas flüssig wird und das Metall umfliesst.
Zur Verwirklichung der Verbindung Glas-Metall, wird das Metall vorzugsweise voroxydiert, weil eine dünne oxydische Zwischenschicht zwischen Metall und Glas die Bildung einer guten Haftung begünstigt.
Die Bindung dieser Oxydschicht mit dem Glas ist eine Ionenbindung, während sie beim Metall metallischen Charakter besitzt.
Die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten muss nicht beachtet werden, wenn das Metall sehr weich und sehr dünn ist, weil dies gestattet, seine Elastizitätsgrenze zu überschreiten und somit eine
EMI4.3
koeffizienten verwendet werden.
Wenn die Dicke hoher als die oben genannten Werte, ist es nicht möglich, die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten ausser Acht zu lassen.
Diese bedeutsame Unzukömmlichkeit wird überwunden durch die Verwendung eines Verbindungsstückes mit variabler Zusammensetzung gemäss der vorliegenden Erfindung, das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt wurde.
Dies wird erläutert an Hand des Beispieles der Verschweissung eines Bestandteiles aus Hartglas mit einem Bestandteil aus austenitischem Stahl, wobei auf das beiliegende Diagramm verwiesen wird.
In diesemDiagrammzeigtFig. ldieAusdehnungskoeffizientendie von jenen des Hartglases (6 x 10-6/ C) zu jenem vom austenitischen Stahl (18 x 10-6/oC) in einem Temperaturintervall von 20 bis 5000C gehen.
Fig. 2 zeigt die verschiedenen Teile der Verbindung ; a-b ist der Bestandteil aus Hartglas, b - e ist der Teil der Verbindung mit ihrem zentralen Teil c - d der variablen Zusammensetzung, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt worden ist ; - f ist der Bestandteil aus austenitischem Stahl, der auf üb- lichem metallurgischem Wege hergestellt wurde.
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
Verbindung erreicht.
Diese Diagramme zeigen, dass das Ende auf der linken Seite des Verbindungsstückes denselben Ausdehnungskoeffizient besitzt wie der Bestandteil aus Glas und das rechte Ende denselben Ausdehnungskoeffizient wie der austenitische Stahl aufweist.
Infolgedessen erfolgt die Schweissung an beiden Enden des Verbindungsstückes ohne Wärmespannung von Glas und austenitischem Stahl.
Die Fig. 4 - 22 werden im einzelnen später erläutert werden. Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von zwei benachbarten Abschnitten des Übergangsteiles im Verbindungsstück ist so klein, dass die in diesen Abschnitten auftretenden Spannungen bei den Temperaturänderungen im Verlaufe der Abkühlung nach der Schweissung oder beim Gebrauch praktisch unterbunden sind. Die Gefahr eines Risses oder eines Bruches, besonders im Bestandteil aus Glas, ist zur Gänze ausgeschaltet.
Die Schweissung von Keramiken wie z. B. Aluminiumoxyd, Steatit, Forsterit, Porzellan mit Metallen weist gleiche Merkmale auf.
Die Verbindungen von Keramiken und Metallen, die idente Koeffizienten aufweisen, sind z. B. :
EMI5.2
<tb>
<tb> Ausdehnungs-TemperaturKeramiken <SEP> Metall <SEP> koeffizient <SEP> intervall
<tb> Forsterit <SEP> 50Oo <SEP> Ni, <SEP> 50% <SEP> Fe <SEP> 11 <SEP> x <SEP> 10-6/OC <SEP> 20-700 C <SEP>
<tb> Steatit <SEP> 421o <SEP> Ni, <SEP> 58% <SEP> Fe <SEP> 10 <SEP> x <SEP> 10-6/OC <SEP> 20-7000C <SEP>
<tb> Aluminiumoxyd <SEP> "Kovar" <SEP> 9,3 <SEP> x <SEP> 10-6/ C <SEP> 20 <SEP> - <SEP> 700 C
<tb>
EMI5.3
Mangan-Prozess, der darin besteht, dass eine sehr stark haftende Metallschicht auf der Keramik aufgebracht wird und der metallische Bestandteil auf diese Schicht hartgelötet wird und jenes Verfahren ("Aktivmetall-Hydrid-Verfahren"), das darin besteht, dass man die Legierung eines aktiven Metalls XZr, Ti) verwendet, der gestattet,
dass man direkt den metallischen Bestandteil mit dem keramischen in einem einzigen Vorgang verschweisst.
Die bei diesen beiden Verfahren zum Schweissen verwendeten Metalle sind solche, die eine grosse Affinität zur chemischen Bindung mit Keramiken auf Grund ihres Atomdurchmessers und ihrer chemischen Eigenschaften besitzen.
Wie im Falle von Glas müssen die Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metalls genau übereinstimmen. Die Verwendung eines Verbindungsstückes mit variabler Zusammensetzung nach vorliegender Erfindung ermöglicht die Schweissung eines keramischen Bestandteiles mit einem Bestandteil aus Metall, selbst wenn ihre Ausdehnungskoeffizienten stark differieren, wie z. B. Aluminiumoxyd und austenitischer Stahl.
Das für die Verbindung Glas- austenitischer Stahl verwendete Verbindungsstück (Fig. 1-3) kann ebenfalls für die Verschweissung von Aluminiumoxyd mit austenitischem Stahl verwendet werden, weil Glas und Aluminiumoxyd sehr ähnliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen.
Verbindung von Cermets mit Metallen oder Legierungen.
Die Cermets bilden eine Gruppe feuerfester Materialien aus Karbiden, Nitriden, Boriden, Siliziden, Aluminiumoxyden, u. dgl., mit oder ohne Bindemetall.
Die Vorteile der Cermets beruhen auf ihrem grossen Widerstand gegen Oxydation bei hohen Temperaturen, ihrer grossen Härte und ihrem Widerstand gegen hohe Wärme.
Jedoch besitzen die Cermets im allgemeinen eine geringe Dehnbarkeit und geringen Widerstand gegen Wärmeschocks.
Die wichtigsten Cermets sind die zementierten Karbide.
Die zur Herstellung von Werkzeugen verwendeten Karbide können nach ihrem Anwendungszweck in zwei grosse Klassen unterteilt werden.
Die erste Gruppe umfasst WC - Co Zusammensetzungen, die man zur Bearbeitung von Materialien
<Desc/Clms Page number 6>
verwendet, die kurze Späne bilden, wie Gusseisen, Glas und Porzellan.
Die zweite Gruppe umfasst Vielfachkarbide, die man zur Bearbeitung von Materialien verwendet, die kurze Späne liefern, wie Stähle jeglicher Zusammensetzung. Unter den Karbidzusammensetzungen seien folgende erwähnt : WC-TiC-Co, WC-TaC (NbC)-Co und WC-TiC-TaC- (NbC)-Co.
Die Karbide von Chrom (Cr Cz) gebunden mit Nickel, sowie Wolframkarbid (WC) welches mit einer korrosionsbeständigen Legierung zementiert ist, z. B. Cr-Ni, welche aussergewöhnlich korrosionsbestän- dig ist, werden für die Herstellung von Gegenständen verwendet, die unter strengen Arbeits-und Korro- sionsbedingungen eingesetzt werden.
Das Titankarbid ist das einzige Karbid, das, wenn es mit einem geeigneten Metall zementiert ist, einen grossen Oxydationswiderstand und mechanischen Widerstand bei hohen Temperaturen sowie einen befriedigenden Widerstand gegen Wärmeschocks aufweist.
Eine grosse Anzahl von zementierten Karbidzusammensetzungen kann verwendet werden, wie z. B. :
Wolframkarbid mit andern Bindemetallen als Cobalt, z. B. Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Mo, Co-W,
Co-Mo-Cu, Fe-Ni-Cr ;
Karbide mit sehr hohen Schmelzpunkten wie beispielsweise die Karbide von Hafnium, Tantal, Zir- kon, Niob und Titan ;
Die Zusammensetzungen ohne Wolframkarbid wie z. B. TiC-VC-Ni.
Verschweissung von Cermets mit Metallen durch Hartlötung.
Diese Vorgangsweise ist kompliziert wegen einer grossen Differenz der Ausdehnungskoeffizienten und wegen der Schwierigkeit, geeignete Lotmetalle zu finden, die die Oberfläche der Cermets vollkommen umfliessen.
Das Bedürfnis nach einem Lötmetall mit hohem Widerstand gegen hohe Temperaturen (also mit hohem Schmelzpunkt), gestaltet das Ausdehnungsproblem noch viel schwieriger.
Wenn sich die Arbeitsgeschwindigkeit stark erhöht, ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft, keine gelöteten Werkzeuge zu verwenden, weil die Lötung ihren Widerstand gegen die während der Verwendung erreichte Temperatur verlieren würde.
Der Ausdehnungskoeffizient der üblichen Karbide beträgt etwa die Hälfte desjenigen des Metalls, mit denen sie verschweisst sind, in der Regel Stahl (5 - 8 x 10-6/OC gegen 15-x 10-6/oC).
Diese Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kann leicht genügend hohe Spannungen während der Abkühlung von der Löttemperatur hervorrufen, um den Bruch der Lötverbindung oder des Cermets zu bewirken, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, um dies zu verhindern. Beispielsweise verwendet man für die Schweissung von grossen Plättchen mit kompliziertem Muster ein Blatt oder ein Gewebe aus Metall zum Ausgleich ("Sandwich-Lötung"), welches man zwischen das Plättchen und den Werkzeugträger einlegt.
Die Lötung erfolgt viel leichter, wenn die Ausdehnungskoeffizienten übereinstimmen.
Wenn der Werkzeugträger aus einem Metall besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich jenem des Karbides ist, z. B."Kovar"oder eine Schwerlegierung mit Wolfram (90% W-7% Ni-3% Cr), kann das Karbidplättchen mittels üblicher Methoden aufgelöst werden, wobei nur wichtig ist, dass das Lot das Karbid umfliesst. Das erhaltene Werkzeug hat wenig Restspannungen und keine Risse.
Die Hart- und Weichlötungen werden für die Lötung von Plättchen aus zementiertem Karbid verwendet.
Wenn die Arbeitstemperatur erhöht ist, verwendet man Lote auf Basis von Kupfer Cu-Ni an. Die Cermets, welche einen hohen Prozentsatz an Titankarbid aufweisen, werden vollkommen von PalladiumNickel-Legierungen (z. B. zozo Pd-40% Ni) umflossen.
Es sei bemerkt, dass die Hartlote nicht immer die gegen Korrosion erforderliche Widerstandskraft aufweisen. So ist z. B. Kupferlot nicht widerstandsfähig gegen flüssiges Natrium.
Wegen diesem Lötproblem wenden sich die Verbraucher der mechanischen Befestigung der Plättchen zu. Aber auch letztere Technik hat ihre eigenen Probleme und Begrenzungen.
Die Ausschaltung gelöteter Verbindungen kann mit Erfolg durchgeführt werden, wenn man einen Verbindungsteil mit variabler Zusammensetzung gemäss vorliegender Erfindung verwendet. Wenn man die oben genannten sieben Grundlegierungen verwendet, kann die Schweissung von Bestandteilen aus zemen- tierten Karbiden mit Bestandteilen aus ferritischen Stahl-Superlegierungen und austenitischen Stählen ohne Schwierigkeiten verwirklicht werden.
Das geeignetste System ist jenes von Wolframkarbid mit wechselndem Kobaltgehalt (von 0 bis 100ça), welches sehr niedrige Ausdehnungskoeffizienten von 4, 5 x 10-6/OC von Wolfram oder Wolframkarbid mit 4, 5% Co verwirklichen kann, wobei letzteres sehr hart und spröde ist, und auf Grund dieser Tatsache sehr
<Desc/Clms Page number 7>
schwierig mit Stahl zu verschweissen ist. Im System WC-Co ist bei Erhöhung des Kobaltgehaltes die Härte weniger ausgeprägt und verbunden mit grossem Widerstand und hoher Zähigkeit, was einen bedeutenden Vorteil darstellt. Das folgende Beispiel zeigt die Schweissung eines Bestandteiles aus Wolframkarbid mit 4, 5% Co mit einem Bestandteil aus Kohlenstoffstahl.
Die Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Ausdehnungskoeffizienten wie er vom Wert des Wolframkarbids mit 4,5% Co (5 x 10-6/ C) bis zum Wert 15 x 10-6/oC des Kohlenstoffstahles im Temperaturintervall von 20 bis 7000C ansteigt.
Die Fig. 5 zeigt die Verbindung des Bestandteiles aus Wolframkarbid (a-b), welche wieder verbunden ist mit dem Bestandteil aus Kohlenstoffstahl (f-g) mittels dem Verbindungsteil (b - f) mit variabler Zusammensetzung zwischen c - e. Die beiden Bestandteile und der Verbindungsteil sind auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, was gestattet, diese Vereinigung wie einen Monoblock ohne jede Verbindung herzustellen.
Die Fig. 6 zeigt die Möglichkeit, die Vereinigung der beiden Bestandteile und die beiden Teile des Verbindungsteiles getrennt durch Schweissen herzustellen, sei es aus ökonomischen oder technischen Gründen.
Die Verbindungen b und d können durch Hartlöten und die Verbindungen f durch Autogenschweissen hergestellt werden. Dank der in den Verbindungen b, d, f übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten können die drei Verbindungen ohne Schwierigkeiten verwirklicht werden.
Der Bestandteil aus Kohlenstoffstahl kann in diesem Fall auf üblichem metallurgischem Wege hergestellt werden.
Das Diagramm der Fig. 7 zeigt die Zusammensetzungen von : - dem Bestandteil aus zementiertem Wolframkarbid 89,7% W, 5, 8% C, 4,5% Co ;
EMI7.1
:Superlegierung ist eine sehr schwierige Massnahme wegen der grossen Differenzen der Ausdehnt ngskoeffizienten dieser beiden Materialien.
Diese Schwierigkeit wird leicht durch vorliegende Erfindung überwunden, wie es die Diagramme bezüglich der Vereinigung von Titankarbid mit"Nimonic 90", eine Superlegierw g auf Basis von Nickel, zeigen. Die Fig. 8 ist ein Diagramm, das den variierenden Ausdehnungskoeffizienten von jenem des zementierten Karbides (10,2 x 10-6/oC) bis zu jenem von"Nimonic 90" (15 x 10-6/WC) im Temperaturintervall von 20 bis 7000C zeigt.
Fig. 9 zeigt die wie ein Stück aus einem Monoblock gebildete Vereinigung, u. zw. auf pulvermetallurgischem Wege.
Fig. 10 zeigt diese Vereinigung, die in drei getrennt hergestellte Teile unterteilt ist und für die Schweissung bereit ist. Der Bestandteil aus "Nimonic 90" ist auf üblichem metallurgischem Wege hergestellt.
Fig. 11 ist das Diagramm, indem die Linie 10 o (a b) die Zusammensetzung des zementierten Ti-
EMI7.2
Verbindung von Schwerlegierungen mit Metallen und Legierungen.
Die Schwerlegierungen auf Basis von Wolfram, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden, weisen folgende interessante Merkmale auf : Hohe Dichte, gute mechanische Eigenschaften sowie hohe Absorption von Röntgenstrahlen.
Auf Grund ihrer hohen Dichte werden sie als Auswuchtmassen verwendet, die gestatten eine maximale Trägheit bei minimalem Volumen zu erhalten. Beispiele hiefür sind : Rotoren für Gyroskope, Trägheitsmassen für Raketen.
<Desc/Clms Page number 8>
Die am häufigsten verwendeten Schwerlegierungen besitzen die Zusammensetzung 92% W, 5% Ni, 30/0 Cu die ebenfalls für das Legierungssystem Nr. 6 verwendet wird.
Andere Zusammensetzungen werden ebenfalls verwendet, z. B. W-Ni-Fe ; W-Ni-Cr W-Ni-Cu-Mo. Auf Grund ihres sehr niederen Ausdehnungskoeffizienten von 7,2 x 10-6/o undeiner sehr geringen Dehnbarkeit ist die Verschweissung von Schwerlegierungen mit austenitischem Stahl, der einen hohen Ausdehnungskoeffizienten von 19 x 10-6/ C bis 22,3 x 10-6/ C besitzt, mit den bisher bekannten Methoden praktisch unmöglich.
Diese Schwierigkeit wird überwunden durch die Verwendung eines Verbindungsstückes gemäss vorliegender Erfindung, das drei Legierungen auf Basis von Nr. 6, 1 und 7 enthält und den niedrigen Koeffizient von 7,2 x 10-6/ C mit dem hohen Koeffizient 22 x 10-6/oC verbindet.
Dies wird durch die folgenden Diagramme erläutert.
Fig. 12 zeigt den Ausdehnungskoeffizient wie er von jenem der der Schwerlegierung (7,2 X 10-6/ C) gegen jenen von austenitischem Stahl (22 x 10-6/WC) im Temperaturintervall von 20 bis 7000C variiert.
Fig. 13 zeigt die wie ein Stück aus einem Monoblock gebildete Vereinigung, u. zw. auf pulvermetallurgischem Wege.
Fig. 14 zeigt die in ihre einzelnen Bestandteile unterteilte Vereinigung, die leicht geschweisst werden können dank des Ausdehnungskoeffizienten, der an den Verbindungsstellen b, d, e und g übereinstimmt.
Der Bestandteil aus austenitischem Stahl wird auf üblichem metallurgischem Wege hergestellt.
Das Diagramm der Fig. 15 zeigt die Zusammensetzung von : - dem Bestandteil aus der Schwerlegierung : 92% W, 5% Ni, 31o Cu (7, 2 x 10-6/WC) - dem Verbindungsteil enthaltend drei Legierungssysteme :
EMI8.1
Vereinigung spröder Materialien.
Die Vereinigung spröder Materialien wie Keramik und Cermets, welche verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist ein sehr schwieriges Problem.
Dieses Problem kann gemäss vorliegender Erfindung gelöst werden, wie es in den Beispielen gezeigt ist, die die Vereinigung eines spröden Cermets von Wolframkarbid, das nur mit 4, 5% Kobalt zementiert ist, mit Aluminiumoxyd, einer sehr spröden Keramik, veranschaulichen.
EMI8.2
von 20 bis 7000C.
Die Fig. 17 zeigt die Verbindung eines Bestandteiles aus einem Cermet mit Hilfe eines Verbindungs-
EMI8.3
49, 8% W, 3, 21o C, 47% Co.
(9, 3 x 10-6/OC) - dem Bestandteil aus Keramik wobei die Linie 100% für Aluminiumoxyd (hoher Prozentsatz AI 0) steht.
Vereinigung von mehr als zwei Bestandteilen.
Die vorliegende Erfindung gestattet die Herstellung von Vereinigungen von mehr als zwei Bestandteilen durch Verwendung von zwei oder mehreren Verbindungsstücken mit variabler Zusammensetzung, wie es in den folgenden Diagrammen gezeigt ist, die die Vereinigung von drei Bestandteilen mittels zwei Verbindungsstücken zeigen.
Die Fig. 19 ist ein Diagramm des Ausdehnungskoeffizienten wie er von jenem des Bestandteiles aus Aluminiumoxyd (9,3 x 10-6/OC) zu jenem von "Nimonic 90" variiert und sodann gegen jenen des Cermets (10,2 x 10-6/oC) im Temperaturintervall von 20 bis 7000C ansteigt.
<Desc/Clms Page number 9>
Die Fig. 20 zeigt die Vereinigung eines Bestandteiles aus Aluminiumoxyd mit einer Untervereinigung aus einem Stück, das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt wurde und zwei Bestandteile (e-f) und (i-j) sowie zwei Verbindungsteile (b-e) und (f-i) aufweist.
Die Fig. 21 zeigt die Vereinigung, die durch Schweissen der einzelnen Bestandteile hergestellt wurde und die Verbindungsteile.
Der Zentralteil aus "Nimonic 90" wird auf üblichem metallurgischem Wege hergestellt.
Das Diagramm der Fig. 22 zeigt die Zusammensetzung des ersten Bestandteiles aus Aluminiumoxyd : - die Linie 100% gibt die Zusammensetzung reich an Al2O3 an;
EMI9.1
(10,2 x 10-6/OC) ; - dem dritten Bestandteil aus zementierten Titankarbid : 52, 1% Ti, 1, 7% Nb, 0, 3% Ta, 13, 1% C,
30% Ni.
Der Widerstand gegen erhöhte Temperaturen kann bei diesen sieben Basis-Legierungssystemen für die Verbindungsteile, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden, verbessert werden, indem man geringe Mengen Kohlenstoff und Elemente wie Mo, W, V, Ti, Al, Nb und B zusetzt, welche Karbide und intermetallische Verbindungen bilden, oder indem man Oxyde, Silizide und Nitride zufügt.
Die Schweissung zweier verschiedener Metalle oder Legierungen A und B, die denselben Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann aus metallurgischen Gründen schwer zu verwirklichen sein, z. B. auf Grund verringerter Mischbarkeit auf Grund einer grossen Differenz der Atomdurchmesser oder durch Bildung einer spröden, intermetallischen Verbindung.
In diesem Falle kann ein drittes Material C zwischen A und B eingeschaltet werden, das einen übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten besitzt und so gewählt wird, dass seine Schweissbarkeit mit A und B eine befriedigende Verbindung ergibt. Die vorliegende Erfindung ist für diese Verfahrensweise sehr geeignet.
Die mit Hilfe der vorliegenden Erfindung hergestellten Vereinigungen können verschiedene geometrische Formen wie Stäbe, Rohre, Bleche usw. besitzen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine praktische Lösung des schwierigen Problems, Vereinigungen aus spröden Materialien mit voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten herzustellen.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.