Verfahren zum Verbinden von Metallteilen im Hartlötverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Metallteilen im Hartlötverfahren, wobei einer der Teile aus Stahl, oder einer Stahllegierung, vorzugsweise Chromnickelstahl, und der andere aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht.
Es sind bereits Verfahren bekannt, die eine innige Verbindung von Metallen mit wesentlich unterschiedlichen Eigenschaften, wie sie z.B. Stahl, insbesondere Chromnickelstahl und Aluminium haben, ermöglichen.
Eines dieser Verfahren ist das sogenannte Verbundgussverfahren, dessen Ziel es ist, bei einem Werkstück die Eigenschaften zweier verschiedener Werkstoffe gleichzeitig nutzbar zu machen. So sind z.B. die Kombination von Stahl- und Kupferlegierungen, Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, Stahl und Zink sowie zahlreiche andere Kombinationen bekannt. Die Kombination Stahl-Aluminium, insbesondere Chromnickelstahl-Aluminium wird häufig in solchen Fällen angewendet, in denen die gute Wärmeleitfähigkeit oder das geringe spezifische Gewicht von Aluminium ausgenutzt werden können.
Verbundgussteile der oben beschriebenen Metallkombinationen werden bevorzugt nach solchen Verfahren hergestellt, bei denen durch eine Tauchbehandlung mit dem anzugiessenden Metall, z. B. Aluminium eine Übergangsschicht, d.h. eine Diffusion oder Bindungsschicht Mex Aly, gebildet wird, an der beide Metalle beteiligt sind, wodurch eine molekulare Bindung zwischen den beiden in Frage stehenden Werkstoffen erreicht wird. Das Merkmal aller dieser Verbundgussverfahren ist also eine Zwischenschicht, an deren Bildung die beiden zusammenzugiessenden Metalle beteiligt sind.
Dieses bekannte Verfahren setzt somit voraus, dass zuerst eine Übergangsschicht ausgebildet wird und erst dann kommt die eigentliche Verbindung der beiden genannten Teile zustande.
Ein solches Verfahren ist deshalb etwas kompliziert, da es eigentlich aus zwei recht unterschiedlichen Verfahren besteht, und für die Herstellung von Kochgeschirr für den Haushalt ist es somit nicht gut geeignet.
Es ist ebenfalls ein anderes Verfahren bekannt, in welchem Aluminium auf den Boden eines Kochtopfes angebracht wird. Dieses Verfahren zur Herstellung eines Kochtopfes mit Bodenverstärkung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite des Kochtopfbodens durch mechanische Bearbeitung, z.B. Sandstrahlen derart aufgerauht wird, dass diese eine Art Korn aufweist, worauf auf diese Fläche unmittelbar anschliessend mit einer Spritzpistole ein Metall aufgespritzt wird und alsdann auf den Kochtopfboden eine Schicht aus flüssigem Metall aufgebracht wird und anschliessend die eigentliche Verstärkungsschicht von gleichem Metall aufgegossen wird.
Es ist noch ein weiteres Verfahren bekannt, bei welchem Aluminium oder Aluminiumlegierungen allein durch Metall spritzen auf den Kochtopfboden aufgebracht wird. Dabei wird der Kochtopf vorerst sandgestrahlt, anschliessend stark erhitzt und gleichzeitig zuerst in dünneren, dann in stärkeren Schichten das Leichtmetall mit Metallspritzpistole auf den zusätzlich rotierenden Topfkörper aufgebracht.
Man sieht, dass die zwei vorgenannten Verfahren immer mehrere verschiedenartige Verfahrensschritte aufweisen. Es ist überaus schwierig, die erforderlichen mannigfaltigen Bedingungen bei allen diesen Verfahrensschritten während der Herstellung des Kochgeschirres einzuhalten. Dies hat zur Folge, dass die Eigenschaften der nach diesem Verfahren angefertigten Kochtöpfe nicht immer gleich sind, und dadurch die Effektivität bei derartiger Herstellung von Kochgeschirr vermindert wird.
Es ist jedoch auch bekannt, die bereits genannten, verschiedenartigen Eigenschaften aufweisenden Metalle zusammen im Hartlötverfahren zu verbinden. Die üblichen, diesem Zweck dienenden Hartlötverfahren bringen jedoch nicht derartige Eigenschaften beim Kochgeschirr mit sich, die den beim Kochen bestehenden Ansprüchen und der gewünschten Lebensdauer des Kochgeschirres entsprechen könnten. Die genannte Verbindung von zwei verschiedenartigen Materialien ist nämlich beim Erwärmen sowie beim Abkühlen des Kochtopfes ziemlich stark beansprucht, was zur Lösung der metallischen Verbindung zwischen den genannten Metallen verhältnismässig bald nach ihrer Herstellung führt.
Alle Nachteile der bereits genannten bekannten Verfahren zum Verbinden von Metallen mit wesentlich unterschiedlichen Eigenschaften werden weitgehend beim erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass auf wenigstens eine der zu verbindenden Flächen ein Flussmittel aufgebracht wird, wobei der Verbrauch an Flussmittel 1,2gpro dm2 ausmacht, dass danach eine der genannten Flächen mit einem Lot versehen wird, und zwar mit einer Menge, die
1,3 g pro dm2 beträgt, dass die zur Lötung vorbereiteten Teile zusammengesetzt einem Vorpressdruck ausgesetzt und aufgeheizt werden, bis ihre Temperatur die Schmelztemperatur des verwendeten Lotes erreicht, dass danach der Pressdruck erhöht wird und nach einer Haltezeit die Beheizung der Teile, bei Aufrechterhaltung des erhöhten Pressdruckes abgeschaltet wird, wobei das Lot 16-18 % Silber,
2-3 % Silizium und 79-82% Aluminium enthält und seine Körnung 0,1 bis 0,15mm beträgt, und das Flussmittel ein fluorid- und phosphorhaltiges, jedoch bor-, sulfat- und carbonatfreies Flussmittel ist, welches Verbindungen des Al, Ca und der Alkalimetalle enthält.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kochgeschirr mit auf dem Boden des Geschirrkörpers gemäss dem Verfahren nach Patentanspruch I aufgebrachter, Aluminium enthaltender Scheibe.
Nachstehend wird ein Beispiel des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben, sowie ein Beispiel eines erfindungsgemässen Kochgeschirrs.
Zum nunmehr beschriebenen Verfahren ist man nach einer langen Reihe von Versuchen gelangt. Diese Versuche hatten zum Ziel, derartige Verfahrensschritte auszusuchen, die bei der Herstellung von Kochgeschirr ein optimales Verhältnis zwischen dem Arbeitsaufwand bei der Herstellung von Kochgeschirr und den erreichten Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses erzielen. Diese Experimente und Versuche haben zu äusserst zufriedenstellenden Ergebnissen geführt.
Durch diese sehr lange Reihe von Versuchen ist man durch eine Kombinierung von bekannten Mitteln auf ein Verfahren gestossen, das den Anforderungen eines Elektro-Kochgeschirres in jeder Hinsicht genügt. Im weiteren werden die Resultate dieser genannten Versuche beschrieben.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragung und der Kocheigenschaften muss bei Chromnickelstahl-Kochgeschirr auf der Boden-Aussenseite des Geschirrkörpers eine Rondelle, auch Scheibe genannt, aus einem gut wärmeleitenden Metall, z.B. Reinaluminium, durch Hartlötung fest aufgebracht werden.
Der Geschirrkörper besteht aus Chromnickelstahl, 18% Chrom und 8 % Nickel enthaltend. Er könnte auch aus einer Legierung mit weniger als 8 % Nickel, ohne Nickel, oder aus einer Legierung mit Molybdän-Bestandteilen bestehen.
Die Rondelle ist aus Reinaluminium (Al 99,0-99,49%).
Anstelle von Reinaluminium könnte auch eine Legierung Al-Mn (1,e1,4% Mangan) treten. Leichtmetall-Legierungen mit einem grösseren Magnesiumgehalt als 0,5 % oder grösserem Siliziumgehalt als 0,8 bis 1,2% sind für das vorgeschlagene Lötverfahren nicht geeignet.
Das Lötpulver ist eine Kombination von etwa 17 % Silber, 23 % Silizium und 80-81% Aluminium. An Stelle des Pulvers könnte auch eine Lötfolie oder eine Paste bestehend aus Lot und Flussmittel treten. Der Schmelzpunkt des Lötpulvers liegt im Bereich von 5706200 C, und seine Körnung beträgt 0,1 bis 0,15mm.
Das in Pulverform im Handel befindliche Flussmittel wird zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens im Gewichtsverhältnis 1:1 mit destilliertem Wasser gemischt.
Um das Aufstreichen der so entstandenen Masse in gleichmässiger Stärke zu garantieren, wird dem Flussmittel noch ein Wasser-Entspanner zugesetzt.
Nachstehend werden die einzelnen Operationen beschrieben, die zum Löten einer Reinaluminium-Ronde von 195mm auf einen Geschirrkörper von 220mm nötig sind.
Geschirrkörper und Ronde müssen absolut fettfrei sein.
Die Reinigung erfolgt auf chemischem Wege oder durch Sandstrahlung.
Auf der Boden-Aussenseite des Geschirrkörpers und auf die Lötseite der Ronde wird das Flussmittel aufgestrichen.
Um Lunkerbildungen in der Lötzone zu verhindern, muss der Aufstrich möglichst in gleicher Stärke erfolgen. Der Verbrauch an Flussmittel macht etwa 1,2 g pro dm2.
Mit Hilfe einer Streuvorrichtung wird das Lötpulver als Granulat auf die mit Flussmittel bestrichene Fläche der Ronde aufgebracht. Möglichst gleichmässige Deckung von 80% ist einzuhalten. Der Verbrauch an Lötgranulat macht etwa 1,3 g pro dm2.
Die Ronde wird mit der Lötpulverschicht nach oben auf einen Heizinduktor gelegt und der Geschirrkörper genau zentrisch darauf gestellt. Mit einem Vor-Pressdruck von 6-7 kg/cm2 während der nun folgenden Aufheizzeit von
100 Sekunden werden die beiden Teile zusammengepresst.
Sobald die Temperatur des Schmelzpunktes des Lotes erreicht ist, wird der Pressdruck während einer 34 Sekunden dauernden Haltezeit des Schmelzpunktes auf etwa 17 kg/cm2 erhöht.
Während der anschliessenden Abkühlzeit von 90 Sekunden bleibt der Nachpress-Druck von etwa 17kg/cm2 bestehen. Sobald in der Lötzone eine Temperatur von maximal 4000 C erreicht ist, kann das Arbeitsstück der Maschine entnommen werden.
Versuche führten zur Erkenntnis, dass auch bei anderen Ronden-Dimensionen der oben genannte spezifische Vorund Nachpressdruck angewandt werden muss. Eine Erhöhung des Druckes hätte zur Folge, dass das Leichtmetall beim Erreichen des Lotschmelzpunktes fliessen würde.
Niedriger Druck hätte auf das gleichmässige Verfliessen des Lotes während der Haltezeit einen ungünstigen Einfluss.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Rondelle, die an den Boden eines Geschirrkörpers im beschriebnen Lötverfahren befestigt werden soll, auf einen Heizinduktor gelegt wird. Die Einrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens enthält einen Mittelfrequenzumformer, an welchen der genannte Heizinduktor angeschlossen ist.
Der Heizinduktor ist zugleich ein Bestandteil einer hydraulischen Presse, die derart ausgebildet ist, dass sie die Rondelle aus Leichtmetall gegen den Boden eines Kochtopfes anpressen kann.
Die Einrichtung enthält weiterhin eine Abtastvorrichtung zum Feststellen der Temperatur der genannten, zu verbindenden Teile. Diese Abtastvorrichtung kann ein Thermoelement sein, dessen Ausgang an den Eingang einer Vorrichtung angeschlossen ist, welche die Grösse des auf die zu verbindenden Teile ausgeübten Pressedruckes in Abhängigkeit von der Temperatur derselben steuert. Sobald die Schmelztemperatur des verwendeten Lotes erreicht wird, wird die bereits genannte Erhöhung des Pressdruckes durch diese Vorrichtung veranlasst.
Beim beschriebenen Beispiel für das Verfahren beträgt die MF-Leistung des Mittelfrequenzformers während der Haltezeit nur 12 kW. Diese Haltezeit dauert, wie vorstehend erwähnt, 3-4 Sekunden.