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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten eines
EGR-Kühlers
(EGR – Abgasrückführung (exhaust
gas recirculation)).
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Unterkomponenten
in EGR-(Abgasrückführungs-)
Systemen erfordern eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Festigkeit.
Ein solches System ist so konstruiert, daß es einen Teil eines Abgases
aus einer Abgasanlage entnehmen und in das System eines Motors zurückführen kann,
so daß es zu
Kraftstoff-Luft-Gemisch
zugegeben wird. EGR ist sehr effektiv, um die Bildung von Stickoxyden
zu unterdrücken,
Pumpverluste zu reduzieren, die Temperatur des Verbrennungsgases
herabzusetzen, wodurch Verlustwärme,
die zum Kühlmittel
fließt,
vermindert wird, und die spezifische Wärme infolge einer Veränderung
der Menge und der Zusammensetzung des Arbeitsgases zu erhöhen, wodurch
der Wirkungsgrad des Kreisprozesses verbessert wird. Demzufolge
hat sich die Abgasrückführung als
eine effektive Maßnahme
gezeigt, um den thermischen Wirkungsgrad einer Maschine gleichzeitig
mit einem Reinigen des Abgases zu erhöhen.
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Das
oben beschriebene EGR-System besteht aus den Komponenten EGR-Rohre
und EGR-Ventil. Unglücklicherweise
ist das EGR-Ventil Gegenstand einer thermischen Verschlechterung (das
zu einem frühen
Brechen führt),
da das EGR-Gas in
Temperatur und Volumen erhöht
wird. Um diesen Anforderungen gewachsen zu sein, ist eine Wasserkühlkonstruktion
erforderlich. Darüber hinaus
erhöht
EGR die Eingangstemperatur, wodurch die Zuführeffektivität herabgesetzt
wird, was wiederum die Kraftstoffausnutzung herabsetzt. Um diese
Schwierigkeiten zu umgehen, wurde ein gekühltes EGR-System entwickelt,
welches so konstruiert wurde, daß es EGR-Gas mit dem Motorkühlmittel kühlt. Das
gekühlte
EGR-System ist mit einem EGR-Kühler
ausgerüstet,
der ein EGR-Rohrwärmetauscher
aus austenitischem rostfreiem Stahl (
JP 09 089491 A ) oder ein Plattenwärmetauscher
ist (
JP 10 089880 A ).
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Inzwischen
werden die Komponenten, speziell der EGR-Kühler, des gekühlten EGR-Systems üblicherweise
durch Löten
mit einem Lot, wie es als BNi-5 in der Japanischen Norm JIS Z3265
beschrieben ist, montiert. BNi-5 besteht aus Cr (18 bis 19 Gew.-%),
Si (9,5 bis 10,5 Gew.-%), B (0,03 Gew.-% oder weniger), C (0,10
Gew.-% oder weniger), P (0,02 Gew.-% oder weniger) und Ni (Rest).
Diesem Lot haftet der Nachteil an, daß es einen hohen Schmelzpunkt
von etwa 1080°C
bis 1135°C
hat. Dieses erfordert eine Löttemperatur
in der Höhe
von etwa 1150°C
bis 1205°C.
Löten bei
diesen hohen Temperaturen schwächt
das Grundmaterial und verursacht darüber hinaus einen ungünstigen
Effekt auf die Korrosionsbeständigkeit
aufgrund von Ausscheiden von Chromkarbid. Dieses erzeugt einen Bedarf an
Lot, das zum Löten
bei niedrigeren Temperaturen geeignet ist. Dieser Bedarf wurde gedeckt
durch ein Lot, das als BNi-2 in JIS Z3265 bekannt ist. BNi-2 besteht
aus Cr (6,0 bis 8,0 Gew.-%), B (2,75 bis 3,50 Gew.-%), Si (4,0 bis
5,0 Gew.-%), Fe (2,5 bis 3,5 Gew.-%), C (0,06 Gew.-% oder weniger),
P (0,02 Gew.-% oder weniger) und Ni (Rest). Dieses hat einen Schmelzpunkt
von etwa 970°C
bis 1000°C
und ist zum Löten
bei Temperaturen von 1020°C
bis 1175°C
geeignet.
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BNi-2
ist aber immer noch unbefriedigend, da es nur einen geringen Widerstand
gegen Schwefelsäure
aufweist. Abgas, das durch das EGR-System zirkuliert, kondensiert
durch Kühlen
und das resultierende Kondensat weist Schwefelsäure auf, die Korrosionen an
dem Lot selbst und an den Teilen, in die das Lot diffundiert ist,
verursacht. Unter den Loten, die in JIS Z 3265 spezifiziert sind,
ist BNi-7 das mit dem geringsten Schmelzpunkt. Es besteht aus Cr (13,0
bis 15,0 Gew.-%), B (0,01 Gew.-% oder weniger), Si ( 0,10 Gew.-%
oder weniger), Fe (0,20 Gew.-% oder weniger), C (0,08 Gew.-% oder
weniger), P (9,7 bis 10,5 Gew.-%) und Ni (Rest). Es hat einen Schmelzpunkt
von 890°C,
der somit niedriger ist als der von BNi-2; es ist aber nur schwach
im Widerstand gegen Korrosion durch Schwefelsäure.
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Nickelbasierende
Lote mit unterschiedlichen Anteilen an Chrom, Phosphor, Silicium
und Nickel sind aus
JP
92 25 679 A ,
DE
37 32 749 A1 ,
DE
196 10 539 A1 oder
US
3 188 203 bekannt. Diese Lote werden jeweils in Reinform
zum Löten
verwendet.
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Aus
der
DE 1 264 217 B ist
ein Lot bekannt, welches ein Mischlot auf Basis von Loten aus Nickel, Silicium
und Chrom einerseits sowie Nickel, Silicium und Bor andererseits
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen auch unter
aggressiven Bedingungen haltbaren EGR-Kühler zu schaffen.
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Zur
Lösung
dieses Problems weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten eines
EGR-Kühlers
die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 auf.
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Aufgrund
des oben genannten Mischlotes ergibt sich ein auch unter aggressiven
Bedingungen haltbarer EGR-Kühler.
Insbesondere ist eine gute Korrosionsbeständigkeit unter Schwefelsäure gegeben.
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Nach
Anspruch 2 ist das gemischte Lot durch Auftragen des ersten Lotes
und des zweiten Lotes in Form einer Paste gebildet, wobei das erste
Lot eine untere Lage und das zweite Lot eine obere Lage bildet.
Diese Anordnung erlaubt der oberen Lage, die aus dem zweiten Lot
mit dem niedrigeren Schmelzpunkt gebildet ist, zuerst zu schmelzen.
Hierdurch wird die untere Lage überdeckt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1(a) bis 1(c) sind
Microfotografien, die eine Metallstruktur von mit einem Vergleichslot (Vergleichsbeispiel
1) gelöteten
Teilen zeigt. 1(a) ist eine Microfotografie
(×38),
aufgenommen vor dem Korrosionstest. 1(b) ist
eine Microfotografie (×38),
aufgenommen nach dem Korrosionstest. 1(c) ist
eine vergrößerte Microfotografie
(×100) von 1(b),
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2(a) bis 2(c) sind
Microfotografien, die eine Metallstruktur der mit einem Lot mit
den Erfindungsmerkmalen gelöteten
Teile zeigt. 2(a) ist eine Microfotografie
(×38),
die vor dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 2(b) ist eine Microfotografie (×38), die
nach dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 2(c) ist
eine vergrößerte Microfotografie
(×100)
von 2(b),
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3(a) bis 3(c) sind
Microfotografien, die eine Metallstruktur der mit einem Vergleichslot (Vergleichsbeispiel
2) gelöteten
Teile zeigt. 3(a) ist eine Microfotografie
(×38),
die vor dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 3(b) ist eine Microfotografie (×38), die
nach dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 3(c) ist
eine vergrößerte Microfotografie
(×100)
der 3(b),
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4 ist
eine Grafik, die das Ergebnis eines Tests auf Korrosionsbeständigkeit
gegen 5%-ige Schwefelsäure
zeigt,
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5(a) bis 5(c) sind
Microfotografien, die die Metallstruktur der gelöteten Teile zeigen, die mit
dem Vergleichsbeispiel 3 erhalten wurden. 5(a) ist
eine Microfotografie (×38),
die vor dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 5(b) ist eine Microfotografie (×38), die
nach dem Korrosionstest aufgenommen wurde. 5(c) ist
eine vergrößerte Microfotografie
(×100)
der 5(b).
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Das
erste Lot der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Löten eines
EGR-Kühlers
verwendeten Lotmischung ist aus Cr (20 bis 30 Gew.-%), P (3 bis
10 Gew.-%), Si (2 bis 7 Gew.-%) und Ni (Rest) zusammengesetzt. Die
Funktion jeder einzelnen Komponente wird nachfolgend beschrieben.
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Cr
trägt im
ersten Lot zur Korrosionsbeständigkeit
gegen gegen Schwefelsäure
bei. Mit einem Cr-Gehalt von mehr als 30 Gew.-% hat das Lot einen derart
hohen Schmelzpunkt, daß es
bei dem Grundmaterial eine Verschlechterung der Qualität oder eine Herabsetzung
in der Korrosionsbeständigkeit
verursacht und es verhindert eine kontinuierliche Lötung in einem
Brennofen und verschlechtert demzufolge die Produktivität. Mit einem
Cr-Gehalt von weniger als 20 Gew.-% weist das Lot eine schlechte
Korrosionsbeständigkeit
gegen gegen Schwefelsäure
auf und kann deshalb nicht für
EGR-Kühler,
die eine hohe Dauerhaftigkeit benötigen, eingesetzt werden.
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P
setzt im ersten Lot den Schmelzpunkt des Lotes herab. Mit einem
P-Gehalt von mehr als 10 Gew.-% oder weniger als 3 Gew.-% hat das
Lot einen so hohen Schmelzpunkt, daß es zu einer Herabsetzung
der Qualität
oder einer Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit des Grundmaterials
führt.
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Si
erhöht
die Festigkeit des Lotes. Mit einem Si-Gehalt von mehr als 7 Gew.-%
ist das Lot spröde und
Gegenstand einer Oxydation. Mit einem Si-Gehalt von weniger als
2 Gew.-% ist die Festigkeit des Lotes schlecht und es besteht die
Gefahr von Rissen (nach dem Löten).
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Das
erste Lot der beim Verfahren zum Löten eines EGR-Kühlers verwendeten
Lotmischung ist durch einen niedrigen Schmelzpunkt von 970°C bis 1080°C (und demzufolge
einer Löttemperatur
von 1060°C
bis 1120°C)
gekennzeichnet, die ohne einen Verlust der Lötfestigkeit realisiert werden
kann.
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Bei
dem Verfahren zum Löten
eines EGR-Kühlers
wird zur Erzielung eines haltbaren EGR-Kühlers dem ersten Lot ein zweites
Lot zugegeben, das aus Cr (10 bis 15 Gew.-%), P (7 bis 12 Gew.-%)
und Ni (Rest) zusammengesetzt ist. Der Anteil des zweiten Lotes
ist 2 bis 15 Gew.-% des ersten Lotes.
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Das
zweite Lot unterdrückt
Oxydation des ersten Lotes und verbessert die Benetzungseigenschaften
des ersten Lotes. Es setzt den Schmelzpunkt des gemischten Lotes
um etwa 100°C
auf etwa 890°C
bis 980°C
herab (was eine Lötung
bei 950°C bis
1050°C erlaubt).
Die Menge des zweiten Lotes beträgt
2 bis 15 Gew.-%, um das Auftreten von Erosion und Korrosion des
Grundmaterials zu vermeiden. Mit einer Menge von weniger als 2 Gew.-%
ruft das zweite Lot den oben beschriebenen Effekt nicht hervor (Herabsetzung
der Oxydation und Verbessern der Benetzungseigenschaften). Mit einer
Menge von mehr als 15 Gew.-% verursacht das zweite Lot Erosion und
Korrosion des Grundmaterials.
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Cr
im zweiten Lot verbessert das erste Lot in seiner Festigkeit gegen
Korrosion unter Schwefelsäure.
Mit einer Menge von mehr als 15 Gew.-% erhöht Cr den Schmelzpunkt, was
eine Herabsetzung der Qualität
und eine Verschlechterung des Korrosionswiderstandes des Grundmaterials
verursacht. Mit einer Menge von weniger als 10 Gew.-% verursacht Cr
in dem gemischten Lot eine Herabsetzung der Korrosionsbeständigkeit
gegen Schwefelsäure.
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P
setzt in dem zweiten Lot den Schmelzpunkt herab und verbessert die
Benetzungseigenschaften. Mit einer Menge von mehr als 12 Gew.-% oder
weniger als 10 Gew.-% ruft P nicht den vorbeschriebenen Effekt hervor.
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Das
erste und zweite Lot können
in jeder der folgenden Weisen eingesetzt werden.
- (a)
Mischen derselben in der Form eines Pulvers.
- (b) Mischen derselben in der Form einer Paste.
- (c) Auftragen derselben in Lagen übereinander in der Form einer
Paste.
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Bei
der dritten Weise sollte die untere Lage durch das erste Lot und
die obere Lage durch das zweite Lot gebildet sein. Diese Anordnung
erlaubt der oberen Lage (aus dem zweiten Lot mit dem niedrigeren
Schmelzpunkt) zuerst zu schmelzen und die untere Lage (aus dem ersten
Lot) zu überdecken.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Lötverfahren wird
die Lotpulvermischung zum Löten
von Multirohr-EGR-Kühlern
oder Platten-EGR-Kühlern
eingesetzt.
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Multirohr-EGR-Kühler haben
Wärmetauscherrohre
aus einem rostfreien austenitischen Stahl wie etwa SUS304, SUS404L,
SUS316, SUSD 316L und SUS321. Diese Rohre haben einen Außendurchmesser
von 6,35 mm oder 5 mm und eine Länge
von 120 bis 600 mm. (Die Längen
sind jedoch nicht speziell begrenzt.) Der Mantel und die Rohrplatten
können
aus demselben Material, wie oben beschrieben, oder aus einem Guß aus SCS, ähnlich dem
oben beschriebenen Material, hergestellt sein.
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Im
Falle eines Platten-EGR-Kühlers
sind die flachen Platten gewellte Platten, die auch aus demselben
Material, wie oben beschrieben, hergestellt sein können.
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Die
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Löten eines
EGR-Kühlers
verwendete Lotmischung kann in der Form eines Pulvers oder einer Paste
benutzt werden, wenn sie auf die zu lötenden Teile aufgetragen wird.
Weiterhin kann sie bei einer niedrigen Löttemperatur eingesetzt werden
und erlaubt deshalb ein kontinuierliches Löten in einem Brennofen mit
reduzierender Atmosphäre.
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Bezüglich des
Materials und der Abmessungen der Komponenten des Multiturbular-Kühlers oder der flachen Platten
und der gewellten Platten des Plattenkühlers wird auf das Vergleichsbeispiel
1 verwiesen.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines erfindungsgemäßen Beispiels beschrieben.
Zudem sind Vergleichsbeispiele angegeben:
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Vergleichsbeispiel 1:
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Das
erste Lot, wie oben beschrieben, wurde zum Löten eines Multirohr-EGR-Kühlers (für ein Dieselfahrzeug) benutzt,
der aus Feingußendkappen (hergestellt
aus SCS 13), Rohrplatten, Mantel und Wärmetauscherrohren (hergestellt
aus SUS 304) besteht. Der Mantel enthält 30 Wärmetauscherrohre, die jede
einen Außendurchmesser
von 6,35 mm und eine Länge
von 250 mm aufweisen.
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Das
Lot aus Cr: 25 Gew.-%, P: 8 Gew.-%, Si: 6 Gew.-%, Ni: Rest (in der
Form von Puder) wurde mit einem Binder gemischt, um hieraus eine
Paste herzustellen. Die Lötung
wurde kontinuierlich in einem Brennofen mit Hydrogenatmosphäre bei 1100° Celsius
ausgeführt.
Der EGR-Kühler,
durch Löten
in dieser Weise hergestellt, wurde auf Korrosionsbeständigkeit
gegen 5%-ige Schwefelsäure
wie folgt getestet:
Schwefelsäure 5 Gew.%-ig (verdünnt mit
destilliertem Wasser),
Lösungstemperatur:
80° Celsius,
Methode:
Untertauchen in der Lösung
(mit Mischen).
Beurteilung: durch Messen des Verlustes durch
Korrosion nach 24-stündigem
Untertauchen.
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Das
Ergebnis des Tests ist in 1 gezeigt.
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Es
ist aus 1 ersichtlich, daß nur sehr
geringe Korrosion an dem Lot und dem Grundmaterial, in welches das
Lot diffundiert ist, aufgetreten ist. Es kann daraus geschlossen
werden, daß das
Lot in diesem Beispiel hervorragenden Widerstand gegen Korrosion
unter Schwefelsäure
bietet.
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Beispiel:
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Löten mit
zwei Arten von Lot (beide in Pastenform) wurde wie folgt an demselben
EGR-Kühler, wie
er bei Vergleichsbeispiel 1 benutzt wurde, durchgeführt. Das
erste Lot ist dasselbe, wie in Vergleichsbeispiel 1. Das zweite
Lot besteht aus Cr (12 Gew.-%), P (8 Gew.-%) und Ni (Rest). Sie
sind übereinander
in zwei Lagen aufgetragen worden. Die Rate des ersten und des zweiten
Lotes sind 90:10 in Gew.-%. Die Lötung wurde kontinuierlich in
einem Brennofen unter Hydrogenatmosphäre bei 1100° Celsius durchgeführt. Der
EGR-Kühler,
der durch Löten
in dieser Weise erreicht wurde, wurde hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit
gegen 5%-ige Schwefelsäure
in der gleichen Weise, wie in Vergleichsbeispiel 1, getestet. Das
Ergebnis ist in 2 gezeigt. Aus 2 ist ersichtlich, daß nur sehr geringe Korrosion an
dem Lot und dem Grundmaterial, in welches das Lot diffundiert ist,
aufgetreten ist. Es kann daraus geschlossen werden, daß das Lot
in diesem Beispiel hervorragend in seiner Korrosionsbeständigkeit
gegen Schwefelsäure
ist (vgl. 4).
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Vergleichsbeispiel 2:
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Ein
Löten mit
einem Lot der folgenden Zusammensetzung wurde wie folgt an demselben EGR-Kühler, wie
in Vergleichsbeispiel 1, durchgeführt.
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Cr
(7 Gew.-%), B (3 Gew.-%), Si (4 Gew.-%), Fe (3 Gew.-%), Ni (Rest).
(Dieses Lot ist das, das als BNi-2 in JIS Z3265 bekannt ist). Nach
dem Mischen mit einem Binder wurde das Lot in Pastenform für ein kontinuierliches
Löten bei
1070° Celsius
in einem Brennofen unter Hydrogenatmosphäre benützt.
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Der
EGR-Kühler,
der durch Löten
in dieser Weise erhalten wurde, wurde hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit
gegen 5%-ige Schwefelsäure
in der gleichen Weise, wie im Vergleichsbeispiel 1, getestet. Das
Ergebnis ist in 3 gezeigt.
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Aus 3 ist ersichtlich, daß Korrosion in dem Lot und
dem Grundmaterial, in das das Lot diffundiert ist, auftrat. Die
Korrosion wird durch Bor, das in das Grundmaterial diffundier ist,
verursacht.
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Vergleichsbeispiel 3:
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Lötung mit
einem Lot der folgenden Zusammensetzung wurde mit einem EGR-Kühler, wie er im Vergleichsbeispiel
1 verwendet wurde, in der folgenden Weise ausgeführt:
Cr (23,8 Gew.-%),
P (7,3 Gew.-%), Si (4,5 Gew.-%), Ni (Rest). (Dieses Lot hat einen
Schmelzpunkt von 890 bis 950° Celsius).
Nach Mischen mit einem Binder wurde das Lot in Pastenform für kontinuierliches Löten bei
1040° Celsius
in einem Brennofen unter Hydrogenatmosphäre eingesetzt.
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Der
EGR-Kühler,
der durch Löten
in dieser Weise erhalten wurde, wurde hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit
gegen 5%-ige Schwefelsäure
in derselben Weise, wie in Vergleichsbeispiel 1, getestet. Das Ergebnis
ist in 5 gezeigt.
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Aus 5 ist ersichtlich, daß eine sehr geringe Korrosion
in dem Lot und dem Grundmaterial, in das das Lot diffundiert ist,
auftrat. Es kann daraus geschlossen werden, daß das Lot in diesem Beispiel hervorragend
in der Korrosionsbeständigkeit
gegen Schwefelsäure
ist.
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Wie
oben beschrieben, erlaubt das Lot nach der vorliegenden Erfindung
ein Löten
bei 1060 bis 1120° Celsius,
was nahe der Löttemperatur
von BNi-2 gemäß JIS Z3265
ist.
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Ferner
weist das Lot einen Schmelzpunkt von 890 bis 980° Celsius auf, was nahe dem von BNi-7
ist, und erlaubt Löten
bei Temperaturen von weniger als 1000° Celsius. Daher verbessert das
Lot nach der vorliegenden Erfindung das Grundmaterial in der Korrosionsbeständigkeit
ohne Verschlechterung. Darüber
hinaus weist es einen guten Widerstand gegen Oxydation und eine
gute Korrosionsbeständigkeit
gegen Schwefelsäure
auf. Es hat eine hohe Festigkeit, gute Wärmebeständigkeit und gute Benetzungseigenschaften.
Es wird eingesetzt, um haltbare EGR-Kühler durch Löten herzustellen.