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.
Process for joining metal parts using the brazing process
The invention relates to a method for joining metal parts by the brazing process, one of the parts being made of steel or a steel alloy, preferably chromium-nickel steel, and the other being made of light metal, preferably aluminum or an aluminum alloy.
Processes are already known which create an intimate bond between metals with significantly different properties, as e.g. Have steel, in particular chrome-nickel steel and aluminum, allow.
One of these processes is the so-called composite casting process, the aim of which is to use the properties of two different materials in one workpiece at the same time. E.g. the combination of steel and copper alloys, steel and aluminum or aluminum alloys, steel and zinc and numerous other combinations are known. The combination of steel-aluminum, in particular chrome-nickel steel-aluminum, is often used in cases in which the good thermal conductivity or the low specific weight of aluminum can be exploited.
Composite castings of the metal combinations described above are preferably produced by processes in which a dip treatment with the metal to be cast on, e.g. Aluminum is a transition layer, i. a diffusion or bonding layer Mex Aly, is formed in which both metals are involved, whereby a molecular bond between the two materials in question is achieved. The feature of all these composite casting processes is therefore an intermediate layer, in the formation of which the two metals to be cast together are involved.
This known method therefore requires that a transition layer is formed first and only then does the actual connection between the two parts mentioned come about.
Such a process is somewhat complicated in that it actually consists of two quite different processes and is therefore not well suited for making cookware for the home.
Another method is also known in which aluminum is applied to the bottom of a saucepan. This method of manufacturing a saucepan with a bottom reinforcement is characterized in that the outside of the saucepan base is machined, e.g. Sandblasting is roughened in such a way that it has a kind of grain, whereupon a metal is sprayed onto this surface immediately with a spray gun and then a layer of liquid metal is applied to the bottom of the saucepan and then the actual reinforcement layer of the same metal is poured on.
Another method is known in which aluminum or aluminum alloys are applied to the bottom of the saucepan by spraying metal alone. The saucepan is first sandblasted, then heated strongly and at the same time the light metal is applied first in thinner and then in thicker layers to the additionally rotating pot body with a metal spray gun.
It can be seen that the two aforementioned methods always have several different method steps. It is extremely difficult to adhere to the various necessary conditions in all of these process steps during the manufacture of the cookware. The consequence of this is that the properties of the cooking pots made according to this method are not always the same, and the effectiveness of such cooking utensils is thereby reduced.
However, it is also known to join the aforementioned metals having different properties together in a brazing process. However, the conventional brazing processes used for this purpose do not bring about such properties in the cookware that could correspond to the demands made during cooking and the desired service life of the cookware. The mentioned connection of two different materials is in fact quite heavily stressed when heating and when cooling the saucepan, which leads to the dissolution of the metallic connection between the mentioned metals relatively soon after their production.
All the disadvantages of the already mentioned known methods for joining metals with significantly different properties are largely solved in the method according to the invention in that a flux is applied to at least one of the surfaces to be joined, the consumption of flux being 1.2 g per dm2 that thereafter a of said surfaces is provided with a solder, with an amount that
1.3 g per dm2 is that the assembled parts prepared for soldering are subjected to a pre-pressing pressure and heated until their temperature reaches the melting temperature of the solder used, then the pressing pressure is increased and, after a holding time, the parts are heated while maintaining the increased pressing pressure is switched off, whereby the solder 16-18% silver,
Contains 2-3% silicon and 79-82% aluminum and its grain size is 0.1 to 0.15mm, and the flux is a flux containing fluoride and phosphorus, but free of boron, sulfate and carbonate, which is compounds of Al, Ca and which contains alkali metals.
The invention also relates to a cookware with an aluminum-containing disc attached to the base of the crockery body according to the method according to claim 1.
An example of the method according to the invention and an example of a cookware according to the invention are described below.
The method now described was reached after a long series of attempts. The aim of these attempts was to select those process steps which, in the manufacture of cookware, achieve an optimal ratio between the work involved in the manufacture of cookware and the properties achieved in the finished product. These experiments and trials have led to extremely satisfactory results.
As a result of this very long series of attempts, a combination of known means has resulted in a method which meets the requirements of an electric cookware in every respect. The results of these experiments are described below.
In order to improve the heat transfer and the cooking properties of chrome-nickel steel cookware, a washer, also called a disk, must be made of a metal that conducts heat well, e.g. Pure aluminum, firmly attached by brazing.
The crockery body is made of chrome-nickel steel, containing 18% chrome and 8% nickel. It could also consist of an alloy with less than 8% nickel, without nickel, or of an alloy with molybdenum components.
The rondelle is made of pure aluminum (Al 99.0-99.49%).
Instead of pure aluminum, an alloy Al-Mn (1, e1.4% manganese) could also be used. Light metal alloys with a magnesium content greater than 0.5% or a silicon content greater than 0.8 to 1.2% are not suitable for the proposed soldering process.
The solder powder is a combination of about 17% silver, 23% silicon and 80-81% aluminum. A soldering foil or a paste consisting of solder and flux could also be used instead of the powder. The melting point of the soldering powder is in the range of 5706200 C, and its grain size is 0.1 to 0.15 mm.
The flux, which is commercially available in powder form, is mixed with distilled water in a weight ratio of 1: 1 to carry out the proposed method.
In order to guarantee that the resulting mass can be spread evenly, a water relaxer is added to the flux.
In the following, the individual operations are described which are necessary for soldering a pure aluminum round plate of 195mm to a crockery body of 220mm.
The body of the crockery and the circular blank must be absolutely free of grease.
The cleaning is done chemically or by sandblasting.
The flux is spread on the bottom outside of the crockery body and on the soldering side of the round blank.
In order to prevent the formation of voids in the soldering zone, the spread must be as thick as possible. The consumption of flux is about 1.2 g per dm2.
With the help of a scattering device, the soldering powder is applied as granules to the surface of the round blank that has been coated with flux. Coverage of 80% as evenly as possible must be maintained. The consumption of soldering granulate is about 1.3 g per dm2.
The round blank is placed on a heating inductor with the soldering powder layer upwards and the crockery body is placed exactly in the center of it. With a pre-pressing pressure of 6-7 kg / cm2 during the heating time of
The two parts are pressed together for 100 seconds.
As soon as the temperature of the melting point of the solder is reached, the pressing pressure is increased to about 17 kg / cm2 during a holding time of the melting point lasting 34 seconds.
During the subsequent cooling time of 90 seconds, the post-pressing pressure of around 17kg / cm2 remains. As soon as a maximum temperature of 4000 C has been reached in the soldering zone, the workpiece can be removed from the machine.
Tests led to the realization that the above-mentioned specific pre- and postpressure must also be used for other circular blank dimensions. An increase in pressure would result in the light metal flowing when the solder melting point was reached.
Low pressure would have an unfavorable effect on the even flow of the solder during the holding time.
It has already been mentioned that the washer, which is to be attached to the bottom of a crockery body using the soldering process described, is placed on a heating inductor. The device for carrying out the mentioned method contains a medium frequency converter to which the mentioned heating inductor is connected.
The heating inductor is at the same time part of a hydraulic press which is designed in such a way that it can press the washer made of light metal against the bottom of a cooking pot.
The device furthermore contains a scanning device for determining the temperature of said parts to be connected. This scanning device can be a thermocouple, the output of which is connected to the input of a device which controls the magnitude of the pressing pressure exerted on the parts to be connected as a function of the temperature of the same. As soon as the melting temperature of the solder used is reached, the aforementioned increase in the pressing pressure is initiated by this device.
In the example described for the method, the MF power of the medium frequency shaper is only 12 kW during the holding time. As mentioned above, this holding time lasts 3-4 seconds.