Hartlötmischung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hartlöt- mischunig, welche insbesondere für Lötungen bei hohen Temperaturen geeignet bist und welche auch bei der Verbindung dünner Metallplatten Erosionen und das Auflösen der zu verbindenden Teile in der Nähe der Verbindungsstelle weitgehend vermeidet, sowie die Herstellung einer nicht spröden Lötverbin- dung gestattet.
Bei der Herstellung von Flugzeugantrsebsmaschi nen, den Befestigungsvorrichtungen für diese Masahir- nen und von Flugzeugrahmen russ nach Möglichkeit an Gewicht eingespart werden. Eine Gewichtsreduk tion, ohne die Festigkeit zu beeinträchtigen, kann bei spielsweise dadurch erreicht wenden, dass die betref fenden Teile aus zwei einander parallel gegenüber liegenden Blechen hergestellt werden, wobei der Zwi schenraum durch beispielsweise wabenartig angeord nete Querwände verstärkt ist. Der Träger enthält somit eine Reihe von nicht mit Material ausgefüllten Stellen. Ein Verfahren zur Verbindung der Metall streifen bei einem derartigen Zellen- bzw. Waben aufbau besteht darin, dass die Metallstreifen bzw.
Querwände, wenigstens an einigen Stellen des gemein samen Kontaktes hart miteinander verlötet wenden. Da diese Körper bei schnellfliegenden Flugzeugen er höhten Temperaturen ausgesetzt werden, müssen alle Hartlötverfahren zur Verbindung der Einzelteile mit Legierungen durchgeführt werden, die erst bei hohen Temperaturen fliessen.
Durch die neuerdings in Verwendung gekomme nen Lötlegierungen auf Nickelbasis wurde es erstmals möglich, Maschinenteile bei sehr hohen Tempera turen gut miteinander zu verlöten. Bevor derartige Legierungen zur Verfügung standen, war die höchste Betriebstemperatur für miteinander verlötete Teile etwa 427 C. Diese Grenze war durch die mangelnde Temperaturfestigkeit und Oxydationsfestigkeit der Legierungen auf Silber- und Kupferbasis gegeben. Die sehr guten Eigenschaften von Nickellötlegierun- gen bei hohen Temperaturen führten erstmals dazu, dass mit Flugzeugen die Wärmemauer durchbro chen werden konnte. Lötverbindungen auf Nickel basis sind bis zu etwa 1093 C haltbar, so dass für Lötverbindungen ein völlig neuer Anwendungsbereich erschlossen wurde.
Seitdem die Nickellötlegierungen in Verwendung gekommen sind, werden viele hohen Temperaturen ausgesetzte Teile bei Flugzeugen, Atomreaktoren usw. durch Löten miteinander ver bunden. Bisher wurden im wesentlichen drei Klassen von Hochtemperarturlötlegierungen verwendet: 1. Nickel-Chrom-Silizium-Bor-Legierungen 2. Nicleel-Süizium Bor-Legierungen und 3. Nickel-Chrom-Silizium-Legierungen. Die für hohle Temperaturen geeigneten Lötlegie- rungen gewinnen dadurch ihre hohe Temperatur festigkeit, dass sich ihre Zusammensetzung während des Lötens ändert. Diese Änderungen der Zusammen setzung werden durch verschiedene Elemente hervor gerufen, beispielsweise durch Bor und Silizium, welche aus der Lötlegierung heraus und in das zu ver bündende Metall hineindiffundieren.
Diese Elemente unterstützen nicht nur deswegen die Herstellung einer guten Verbindung, weil sie in die zu verbindenden Metalle einfliessen, sondern, auch dadurch, dass sie den Schmelzbereich der Lötlegierung während des Lötens tief hallten, jedoch den Schmelzpunkt der her gestellten. Verbindung heraufsetzen. Der Diffulsions- prozess neigt jedoch dazu, eine Erosion bei der Ver lötung von dünnen Materialien hervorzurufen. Die Anwendung von hochtemperaturfesten Lötüngen bei Flugzeugantriebsmaschinen und Teilen hiervon war somit noch nicht sehr erfolgreich.
Es war erforder lieh, eine Anzahl von relativ kritischen metallur gischen Problemen zu lösen, um beider Verwendung von hochtemperaturfesten Lötverbindungen tatsäch lichgute Bindungen Du erlangen.
Betan Löten bestehen im wesentlichen die vier folgenden Probleme: 1. Das zu verbindende Material wird von den Löt legierungen gelöst; 2. die hergestellten Verbindungen sind sehr hart; 3. die zu verbindenden Metalle werden durch den Lötprozess ungünstig verändert; 4. die Atmosphäre, in der der Lötprozess durch geführt wird, ist bestimmten Reinheitsianforde- rüngen unterworfen.
Wenn die durch Löten miteinander zu verbinden den Teile klein sind, können die Erwärmungszeiten relativ kurz gehalten werden, so dass das Problem des Lösens bzw. der Erosion des Grundmaterials praktisch nicht auftritt. Wenn hingegen grosse Teile durch Löten fest miteinander verbunden werden sollen, kann, die Erwärmungszeit unmöglich klein gehalten werden. Bei der Verbindung von dünnen Materialien sind, wenn die heute erhältlichen Löt legierungen verwendet werden, Erosionserscheinun gen praktisch unvermeidlich. Bei hochtemperatur festen Lötverbindungen sind die Verbindungsstellen ausserordentlich hart, was eine Folge der Härte der eutektischen Phase ist, die in. den Lötlegierungen enthalten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass viele Lötlegierungen ursprünglich als harte Mate rialien entwickelt worden sind.
Es sind heute keine Lötlegierungenoder Lötmischungen erhältlich, welche die Verbindung von dünnen Materialien, beispiels weise von einer Stärke von 0,125 mm, ermöglichen, ohne dass das Material in der Nähe der Verbindungs stelle erodiert und zum Teil gelöst wird.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben aufgeführten Schwierigkeiten durch die Schaffung einer neuen Lötmischung zu überwin den, bei welcher keine Erosion, und keine Lösung des zu verbindenden Materials auftritt. Erosion und Lösen traten bei der Verwendung der bisher erhält lichen. Lötlegierungen immer auf. Die Erfindung be zweckt somit die Schaffung einer Lötmischung, mit der dünne Bleche, die bisher nicht gelötet werden konnten, miteinander verbunden werden können, wobei nichtspröde Lötverbindungen entstehen.
Die Hartlötmischung gemäss zier vorliegenden Er findung für aus Kobalt-, Eisen- oder Nickellegie rungen bestechende Bleche enthält eine pulverförmige Lötlegierung aus, mindestens drei Elementen der fol genden Gruppe: Chrom, Nickel, Silizium und Bor. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem mindestens ein pulverförmiges Metall der folgenden. Gruppe: Eisen, Nickel, Kobalt oder eine pulverför mige Legierung dieser Metalle enthält, wobei die Lötlegierung 70-90 Gew.% und das pulverförmige Metall bzw. die pulverförnüge Metallegierung 10 bis 30 Gew.% ausmacht.
Zwei Elemente, die bei den bisher gebräuchlichen Lötmaterialien verwendet wurden und die dazu neigen, abzuwandernbzw. abzudiffundieren, sind Bor und Silizium. Während des Lötens diffundieren sie aus den Hochtemperaturlötlegierungen heraus und wandern in die durch Löten miteinander zu verbin denden Materialien und verursachen hier eine Erosion oder auch eine Auflösung. Es hat sich herausgestellt, dass bestimmte Materialien, wenn sie mit einer pul verförmigen Lötlergierung gemeinsam zum Löten ver wendet wird, sich vorzugsweise mit diesen abwan dernden Elementen verbinden. Zusätzlich zu dem Löse- bzw. Erosionsvorgangergibt sich eine ausser ordentlich grosse Härte der Verbindung, wenn die Lötlegierung allein verwendet wird.
Durch ein Löt- material gemäss der vorliegenden Erfindung wird ver hindert, dass das zu verbindende Material an der Venbindungsstelle erodiert oder aufgelöst wird und weiterhin, dass die Verbindungsstelle hammerbar, das heisst nicht zu spröde wird. Untersuchungen haben ergeben, dass Bor in Nickel - Lötlegierungen eine wesentlich grössere Erosionswirkung verursacht als Silizium. Dieses Er gebnis konnte erwartet werden, da die Liquidus- temperatur eines Nickel-Zweistoff-Gemisches pro 1 Gew:% Bor um 60 C herabgesetzt wird (bis zu 4 Gew.%), jedoch nur um 9 C pro 1 Gew.% Silizium (bis zu 11 Gew.%).
Es hat sich gezeigt, dass die Erosion im allgemei nen an den Punkten auftritt, mit welchen die pulver förmige Lötlegierung in Verbindung gelangt. Da bei einer Lötverbindung meistens ein Teil der Lötlegie- rung ins Fliessen geraten russ, russ die Lötlegierung an bestimmten Punkten in grossen Mengen aufgetra gen werden, damit ein Vorrat von Legierung vor handen ist, welcher ins Fliessen kommen kann. Der Überschuss an diesen Stellen enthält jedoch genügend Silizium, um das Material durch Diffusion zu erodie- ren. Diese Erosion kann dadurch vermieden werden, dass ein Schwammaterial vorgesehen wird, in wel ches das überschüssige Silizium eindiffundieren kann.
Zu einer pulverförmigen Nickel-Chrom-Silizium-Löt legierung wird vorzugsweise reines Nickelpulver zu gegeben, welches die Funktion des Schwamms erfüllt und sich mit dem Silizium legiert, welches während des Löteis abdiffundiert. Wenngleich bonhaltige Nickel-Lötlegierungen wesentlich- stärker Erosionsprozesse bedingen als die entsprechenden Legierungen mit Silizium, sind Löt legierungen in Verwendung, welche Bor in gleicher Weise wie Silizium enthalten.
Ein Beisspiel für eine derartige Lötlegierung des Typs Nickel-Chrom-Sili- zium-Bor ist die unter der Bezeichnung AMS 4775 A bekannte Legierung, welche die folgende Zusammen- setzung besitzt:
EMI0003.0000
Gew.%
<tb> Kohlenstoff <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,95
<tb> Silizium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 4,00
<tb> Chrom <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 17,00
<tb> Nickel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 70,00
<tb> Eisen <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 4,00
<tb> Bor <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 3,75
<tb> Kobalt <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> Rest Eine andere nickelenthaltende Lötlegierung mit Silizium und Bor ist bekannt unter der Bezeich nung AMS 4778 und besitzt die folgende Zusam mensetzung:
EMI0003.0001
Gew.%
<tb> Kohlenstoff <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> max. <SEP> 0,5
<tb> Silizium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 3,0- <SEP> 5,0
<tb> Nickel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 89,0-95,0
<tb> Kobalt <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> max. <SEP> 1,0
<tb> Bor <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1,8- <SEP> 3,5 70-90 Gew:% dieser oder einer anderen kommer ziell erhältlichen Lötlegierung der erfindungsgemässen Zusammensetzung kann nun mit 10-30 Gew % eines Metallpulvers der erfindungsgemässen Zusammen setzung gemischt und diese Mischung an die Verbin- dungs- bzw. Lötstelle gebracht werden. Hierbei kann wie folgt vorgegangen werden: 1.
Das Metallpulver wird mit einem Bindestoff so vermischt, dass eine Paste oder Aufschwemmung entsteht, welche an den durch Löten zu verbin denden Teilen haftet.
2. Das Pulver wird durch eine Flamme auf die zu lötende Stelle aufgesprüht, oder 3. das trockene Pulver wird einfach auf die zu lötende Verbindungsstelle aufgelegt.
Der eben erwähnte Bindestoff kann ein polyme risiertes Material sein, welches sich bei Erwärmung zu flüchtigen Monomeren depolymerisiert, ohne dass eine thermische Explosion entstellt und ohne dass Rückstände wie beispielsweise Kohlenstoff verbleiben. Beispiele für solche Bindestoffe sind Lösungen von Polyakrylverbindungen und Polybutenen.
Nachdem die Lötverbindung auf die zu verbin dende Stelle aufgebracht worden ist, von welcher ein Teil bereits durch eine provisorische Lötverbindung verbunden sein kann, wird die zu verbindende Stelle in einen Lötofen eingebracht. Als Atmosphäre für diesen Ofen eignen sich vorzugsweise Inertgas oder eine reduzierende Atmosphäre; es kann auch ein Vakuum in denn Ofen herrschen. Die Temperatur in dem Ofen wird nun auf die für die betreffende Legie rung erforderliche Höhe gebracht, welche etwa zwi schen 949 und 1260 C liegt, wobei deir zu verlötende Gegenstand zwischen einer halben Minute und 60 Mi nuten dieser Temperatur ausgesetztbleibt, damit die Lötlegierung in der Verbindungsstelle fliesst. Das ver bundene Stück wird nun durch Abschalten des Ofens gekühlt oder dadurch, dass es in einer in der Nähe des Ofens befindliche Kühlzone gebracht wird.
Das Stück muss jedoch auf jeden Fall einer der drei oben erwähaten Atmosphären gekühlt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei der Verwendung von Löt- mischungen zur Verbindung von dünnem Blechmate rial, insbesondere bei Stärken unter 1,3 mm, eine sehr starke Verminderung und Steuerung der Erosion und der Auflösung möglich ist, im Gegensatz zu der Verwendung der Legierung ohne Beigabe. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die so geformte Lötver- bindung nicht so hart und spröde ist wie Lötverbin- dungen, welche durch Legierungen ohne Beigabe hergestellt worden sind.
Eine vorzugsweise Zusammensetzung für die Löt- mischung bestand aus 10-30 Gew.% Metallpulver, welches gut mit 70 Ibis 90 Gew.% der Lötlegierung vermischt worden war.
Nachfolgend seien einige Ausführungsbeispiele für die, erfindungsgemässe Lötmischung gegeben.
Um die von Bor venirsachten Diffüsionsischäden zu eliminieren, wurde eine borfreie Legierung des Nickel -Chrom -Siliziumtyps zur Herstellung von wabenartig verstärkten Trägerteilen der folgenden Zusammensetzung aufbereitet:
EMI0003.0012
Gew.%
<tb> Chrom <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 19,0
<tb> Silizium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 10,0
<tb> Eisen <SEP> . <SEP> . <SEP> mär. <SEP> 5,0
<tb> Mangan <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> max. <SEP> 1,0
<tb> Kohlenstoff <SEP> max. <SEP> 0,25
<tb> Nickel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> Rest Wenngleich diese Legierung wesentlich weniger erosiv wirkte als borenthaltende Legierungen, zeigte sie doch unter bestimmten Voraussetzungen in dün neu Materialien Erosionserscheinungen.
80 Gew.% der oben beschriebenen Lötlegierung in Pulverforen und mit einer Siebfeinheit von 125 Maschen pro cm wurde mit 20 Gew.% Nickelpulver von einer Siebfeinheit von 125 Maschen pro cm ge mischt. Diese Mischung wurde mit einer Lösung von Acrylharz in Toluol vermengt, so dass eine Paste entstand, welche an die zu lötende Verbindungsstelle gebracht wurde. Die beiden Einzelteile waren durch eine provisorische Verbindung aneinandergeheftet. Bei dem vorliegenden Beispiel bestand der zu lötende Gegenstand aus zwei 0,25 mm starken Streben, die durch wabenartige Verstärkungen einer Dicke von 0,05 mm miteinander zu verbinden waren. Die Teile bestanden aus einer nichtrostenden Stahllegierung, die unter der Typenbezeichnung 321 der A. I. S. I. bekannt ist.
Die Teile wurden nun in einen Lötofen eingebracht, wobei die Luftatmosphäre entfernt und eine Wasserstoffatmosphare eingeführt wurde. Die Temperatur indem Ofen wurde nun auf 1204 C ge bracht, was dem vorgeschriebenen Temperaturwert der verwendeten Legierung entsprach. Die Teile wur den neun so lange in dem Ofen gehalten, bis die Legie rung in die Verbindungsstelle- eingeflossen war. Irr. vorliegenden Fall betrug die erforderliche Zeit 5 Mi nuten.
Anschliessend wurde das Stück in eine Kühl zone innerhalb des Ofens gebracht, in welcher eben falls die Ofenatmosphäre enthalten war. Wenngleich die früheren Versuche, 0,05 mm starkes Material der A.I. S.I. Stahllegierung 321 zu verlöten, immer zu starken Erosionen und Auflösungen des dünnen Materials führte und nur spröde, sehr harte Verbin dungsstellen hergestellt werden konnten, war die mit dem beschriebenen Material hergestellte Lötverbin- dung nur sehr wenig erodierst und gelöst, während die Verbindungsmasse, verglichen mit derjenigen, die mit der Legierung ohne Beigabe hergestellt wurde, relativweich war. Die Oberfläche der beschriebenen Verbindungsstelle war weiterhin sehr glatt.
Zum Vergleich der Zugfestigkeit und Scherfestig keit der durch die neue Mischung erzeugten Ver bindung mit der Verbindung, die ohne Beigabe zu der Lötlegierung hergestellt ist, wurden, zwei Grup pen von Proben hergestellt. Die Proben bestanden in Überlappungsverbindungen zweier 1,6 mm starker Bleche aus einem Material folgender Zusammen Setzung:
EMI0004.0002
Gew.%
<tb> Kohlenstoff <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,1
<tb> Mangan <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 1,5
<tb> Silizium <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,05
<tb> Schwefel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,02
<tb> Phosphor <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,02
<tb> Chrom <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 20,00
<tb> Nickel <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 10,00
<tb> Eisen <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 2,00
<tb> Wolfram. <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 15,00
<tb> Kobalt <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> Rest Zur Verbindung wunde die gleiche Mischurig aus Lötlegierung und Nickelpulver verwendet und nach dem gleichen Verfahren vorgegangen, welches oben beschrieben wurde.
Der Abstand zwischen den zu verbindenden Teilen betrug zwischen 0,05 und 0,075 mm. Die Zugversuche haben die in der nach folgenden Tabelle aufgeführten Ergebnisse gezeigt:
EMI0004.0003
A <SEP> = <SEP> Lötlegierung <SEP> allein
<tb> B <SEP> = <SEP> Lötlegierung <SEP> mit <SEP> Metallpulver
<tb> Überlappung <SEP> Bruchbelastung <SEP> Scherfestigkeit
<tb> A <SEP> 1,25 <SEP> mm <SEP> 820 <SEP> kg <SEP> 5117 <SEP> kg/cm2
<tb> B <SEP> 1,25 <SEP> mm <SEP> 906 <SEP> kg <SEP> 5720 <SEP> kg/cm2
<tb> A <SEP> 2,5 <SEP> mm <SEP> 650 <SEP> kg <SEP> 2000 <SEP> kg/cm2
<tb> B <SEP> 2,5 <SEP> mm <SEP> 909 <SEP> kg <SEP> 3020 <SEP> kg/cm2 Die gleichen ausgezeichneten Ergebnisse bezüg lich der Abnahme der Erosion und Auflösung von dünnen, zu verbindenden Materialien und die Zu nahme an Schmiedbarkeit und Glätte der gelöteten Verbindung wurde erreicht,
wenn Bleche aus Kobalt-, Eisen- oder Nickellegierungen gelötet wurden, wenn die Lötmischung gemäss der Erfindung 70-90 Gew.% pulverförmige Lötlegierung und 10-30 Gew.% von pulverförmigem Kobalt, Eisen oder Nickel oder deren Legierungen enthielt.