DE102004040779B4

DE102004040779B4 - Verwendung von Silberlegierungen als Hartlote

Info

Publication number: DE102004040779B4
Application number: DE102004040779A
Authority: DE
Inventors: Georg Ptaschek; Dietmar Gentsch
Original assignee: ABB Technology AG; Umicore AG and Co KG
Current assignee: Saxonia Technical Materials GmbH
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2024-08-24
Also published as: DE102004040779A1

Abstract

Verwendung einer Legierung bestehend aus:
a) Silber als Basis;
b) 10 bis 40 Gew.-% Kupfer;
c) 0,0001 bis 5 Gew.-% Palladium;
d) 0,0001 bis 5 Gew.-% Germanium; und
e) 0,0001 bis 1 Gew.-% Kobalt
als Hartlot.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von Legierungen auf der Basis von Silber, Kupfer und Palladium, die außerdem als Zusatz Germanium und Kobalt enthalten, als Hartlote.
Löten hat sowohl in der Serienfertigung als auch beim Fügen von Einzelteilen eine hohe technische Bedeutung. Löten ist ein besonders werkstoffschonendes, wirtschaftliches Verfahren zum Verbinden von metallischen Grundwerkstoffen mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls (dem Lot), gegebenenfalls unter Anwendung von Flussmitteln und/oder Schutzgasen. Die Schmelztemperatur des Lotes liegt unterhalb derjenigen der zu verbindenden Grundwerkstoffe. Diese werden benetzt, ohne geschmolzen zu werden. Je nach Arbeitstemperatur des Lotes unterscheidet man zwischen Weichloten (Arbeitstemperatur < 450°C) und Hartloten (Arbeitstemperatur > 450°C).
Für die Eignung einer Legierung als Lot zum Verbinden metallischer Werkstoffe ist eine Reihe von Eigenschaften maßgebend, die das Lot in optimaler Weise aufweisen soll. Dazu gehören insbesondere das Fliessverhalten und das Benetzungsvermögen des geschmolzenen Lotes, seine Arbeitstemperatur und seine Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen. Schließlich muss die Legierung selbst gut verarbeitbar sein, um sie in einer passenden Form, etwa als Draht oder Band, herstellen zu können.
Bei Loten für schwer lötbare Werkstoffe, z. B. Chromnickelstähle, hochwarmfeste Legierungen und Hartmetalle, sowie Chrom, Molybdän oder Wolfram, hat es sich bisher als nicht möglich erwiesen, die Vielzahl der an das Lot zu stellenden Anforderungen in befriedigender Weise restlos zu verwirklichen. Es gibt zwar eine Reihe Stahl- und Hartmetalllote, brauchbare Ergebnisse bei deren Verwendung konnten aber im Allgemeinen nur unter mehr oder weniger weitgehendem Verzicht auf die eine oder andere wünschenswerte Funktion der Lotlegierung erreicht werden.
Für eine zufriedenstellende Lötverbindung ist es besonders wichtig, dass das verwendete Lot den Grundwerkstoff bei der Arbeitstemperatur gut benetzt. Wenn die Benetzung durch das Lot schlecht ist, ist die sich bildende Lötverbindung nur wenig stabil.
Besonders schwer benetzbare Grundwerkstoffe sind z. B. Edelstähle, Chrom, Molybdän oder Wolfram. Diese Werkstoffe finden beispielsweise Anwendung bei der Herstellung von Vakuumschaltkammern. In derartigen Vakuumschaltkammern herrscht typischerweise ein Vakuum von etwa 10^–7 hPa. Die Herstellung dieser Kammern erfolgt ebenfalls unter einem verringerten Druck.
Eine hochsilberhaltige Hartlotlegierung, die Zinn und/oder Indium, Mangan, Nickel, Kupfer und Kobalt oder Eisen enthält und sich zum Löten von Edelstahl eignet, ist beispielsweise aus DE-C-199 38 229 bekannt.
EP-A-104 500 beschreibt Lotlegierungen zum Auflöten von oxidhaltigen Silberkontaktwerkstoffen auf Träger. Die Lotlegierungen enthalten neben Silber 20 bis 35 Gew.-% Kupfer und 0,1 bis 5 Gew.-% Palladium.
In WO 96/29743 werden Halbleitervorrichtungen offenbart, in denen kupferhaltige Leiter mittels einer silber- und kupferenthaltenden Schicht gebunden werden.
Eine kadmiumfreie Silberlegierung wird in DE-C-43 23 227 als niedrigschmelzendes Hartlot verwendet. Die Hartlote weisen Arbeitstemperaturen von unterhalb 630°C auf und sollen verformbare und duktile Lötverbindungen ergeben.
In US-A-6,210,636 werden Kupfer-Nickel-Zink-Palladium-Legierungen für gleitende und statische elektrische Kontakte vorgeschlagen.
JP 57-149092 A betrifft ein Silberlotmaterial, welches aus 50 bis 95% Ag, 5 bis 50% Cu, 0,005 bis 1% Mn und/oder Ni und 0,005 bis 5% von mindestens einem aus Pd, In, Sn, Li, Sb und Ge besteht.
JP 63-317294 A offenbart eine Legierung bestehend aus Ag als Basis, 15 bis 35 Gew.-% Cu, 5 bis 25 Gew.-% Pd, 0,001 bis 1,0 Gew.-% von mindestens einem aus Fe, Ni und Co. Die Legierung kann als Füllstoffmetall zum Hartloten verwendet werden.
In JP 63-317293 A wird eine Legierung bestehend aus Ag als Basis, 15 bis 35 Gew.-% Cu, 5 bis 25 Gew.-% Pd, 0,001 bis 1,5 Gew.-% von mindestens einem aus B, Ga und Ge beschrieben. Die Legierung kann als Füllstoffmetall zum Hartloten verwendet werden.
JP 60-127093 A betrifft ein Hartlotmaterial bestehend aus Cu als Basis, 2 bis 30 Gew.-% Pd, 45 bis 90 Gew.-% Ag, 0,5 bis 9 Gew.-% von mindestens einem aus Mn, Ni und Co sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
DE PS 972 667 beschreibt die Verwendung von Legierungen auf der Basis von Ag, die 1 bis 45% Pd, 0 bis 4% Zn und/oder Cd, 0 bis 3% von mindestens einem aus Ni, Pt, Au und Sn enthalten, zum Löten oder Hartlöten.
DE-Patentanmeldung p49991D/49h, 26/01 (bekanntgemacht am 3. Februar 1943) betrifft die Verwendung einer Legierung auf Silber-Basis, die Pd oder Pd und Cu enthält, zum Löten oder Hartlöten.
DE 28 37 054 A offenbart eine Grundlegierung, die im Wesentlichen aus 40 bis 85 Gew.-% Ag, 15 bis 60 Gew.-% Cu und 0,1 bis 10 Gew.-% Ge besteht. Die Legierung kann in der Zahnheilkunde verwendet werden.
Ein elektrisches Kontaktmaterial aus einem bestimmten intern oxidierten eutektischen Silberlegierungssystem ist in DE 29 24 238 A offenbart.
JP 2000-192169 beschreibt in einer Ausführungsform eine Legierung, die aus 60 bis 80 Gew.-% Ag, 1 bis 15 Gew.-% Pd, 2,9 bis 37 Gew.-% Cu und 0,1 bis 2 Gew.-% Ga, Ge und/oder La besteht.
Es war eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hartlotlegierung bereitzustellen, mit der hochfeste, temperaturbeständige und vakuumdichte Verbindungen erzeugt werden können. Die Hartlotlegierung sollte sich vorzugsweise dazu eignen, schwer zu benetzende Metalle, wie Chrom, Molybdän oder Wolfram, bzw. schwer zu benetzende Legierungen, wie Edelstahl oder Legierungen, die Chrom, Molybdän oder Wolfram als Hauptbestandteil enthalten, zu verlöten.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch den Zusatz von Germanium und Kobalt zu Silber-Kupfer-Palladium-Hartlotlegierungen hochfeste, temperaturbeständige und vakuumdichte Lötverbindungen erzielt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft demgemäss die Verwendung einer Legierung bestehend aus:

a) Silber als Basis;
b) 10 bis 40 Gew.-% Kupfer;
c) 0,0001 bis 5 Gew.-% Palladium;
d) 0,0001 bis 5 Gew.-% Germanium; und
e) 0,0001 bis 1 Gew.-% Kobalt

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem die Verwendung dieser Hartlotlegierungen zum Erzeugen einer Lötverbindung auf einem schwer benetzbaren Metall oder einer schwer benetzbaren Legierung.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der Hartlotlegierung für Lötungen mit einer Arbeitstemperatur von 770 bis 820°C.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung der Hartlotlegierung zum Erzeugen einer oder mehrerer Lötverbindungen bei der Herstellung einer Vakuumschaltkammer.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche beschrieben.
Der Anteil an Kupfer in der Hartlotlegierung beträgt 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 30 Gew.-% und besonders bevorzugt 27 bis 29 Gew.-%.
Die Hartlotlegierungen enthalten das Edelmetall Palladium. Der Anteil an Palladium beträgt 0,0001 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 4,5 Gew.-% und bevorzugt 1 bis 4 Gew.-%. Besonders vorteilhaft haben sich Hartlotlegierungen erwiesen, die einen Palladiumgehalt von 2 bis 3 Gew.-% aufweisen. Aufgrund des niedrigen Palladiumgehalts zeichnen sich die Hartlotlegierungen durch relativ niedrige Arbeitstemperaturen von bevorzugt etwa 790 bis 810°C aus. Ein weiterer Vorteil liegt in den mit dem geringen Palladiumanteil verbundenen geringeren Kosten im Vergleich zu Silber-Kupfer-Palladium-Hartloten, die einen höheren Palladiumanteil aufweisen.
Neben Silber, Kupfer und Palladium enthält die vorliegende Hartlotlegierung einen Zusatz von Germanium und Kobalt.
Germanium ist in den Hartlotlegierungen in einer Menge von 0,0001 bis 5 Gew.-% und bevorzugt 1 bis 4 Gew.-% enthalten
Kobalt ist in einer Menge von 0,0001 bis 1 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 0,5 Gew.-%, enthalten. Die Gegenwart von Kobalt führt zu einer besseren Adhäsion der Hartlotlegierung an ein schwer benetzbares Metall (beispielsweise Chrom, Molybdän oder Wolfram) oder eine schwer benetzbare Legierung (beispielsweise Edelstahl oder eine Legierung, die Chrom, Molybdän bzw. Wolfram als Hauptbestandteile enthält). Legierungen, die Kobalt enthalten, zeichnen sich allgemein durch ein besseres Benetzungsverhalten, insbesondere von schwer benetzbaren Metallen, aus. Des Weiteren besitzten Legierungen, die Kobalt enthalten, im allgemeinen eine größere Festigkeit besitzen als eisenhaltige Legierungen.
Die Hartlotlegierungen basieren auf Silber, d. h. das Silber stellt neben den jeweils vorhandenen Mengen an Kupfer, Palladium, Germanium und Kobalt den Rest der Hartlotlegierung, so dass die Summe der Gewichtsprozente der Bestandteile 100 Gew.-% beträgt.
Neben den vorstehend erwähnten wesentlichen Bestandteilen können die Hartlotlegierungen ggf. andere Metalle als Spurenbestandteile oder nicht vermeidbare Verunreinigungen enthalten, solange sie die gewünschten Eigenschaften nicht beeinträchtigen. Als Spurenbestandteile werden alle Bestandteile mit einer Konzentration von weniger als 0,005 Gew.-% angesehen.
Besonders bevorzugt sind die Silberhartlotlegierungen Ag_65,7Cu₂₈Pd₃Ge₃Co_0,3 und Ag_66,7Cu₂₈Pd₂Ge₃Co_0,3, wobei die angegebenen Zahlen die Menge des jeweiligen Metalls in Gew.-% bedeuten.
Die Hartlotlegierungen können in beliebiger Form vorliegen, z. B. in Form von Stäbchen, Plättchen, Bändern, Drähten, Netzen, Blechen, als Formteile oder als Pulver.
Die Hartlotlegierungen zeichnen sich durch ein ausgezeichnetes Benetzungsverhalten auf schwer benetzbaren Metallen, wie Chrom, Molybdän oder Wolfram oder Legierungen, die diese schwer benetzbaren Materialien als Hauptbestandteil (d. h. in Mengen von mehr als 50 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 60 Gew.-%, bevorzugt von mehr als 80 Gew.-% und besonders bevorzugt von mehr als 90 Gew.-%) enthalten, aus.
Die Edelstähle, die mit den Hartlotlegierungen verlötet werden können, sind nicht besonders beschränkt. Typische Edelstähle sind beispielsweise Stahlsorten, die durch Zulegierung von Chrom, Mangan, Nickel, Titan, Vanadium, Wolfram und beliebigen Gemischen davon hergestellt werden.
Die Hartlotlegierungen werden für das Hartlöten der vorstehend erwähnten schwer benetzbaren Metalle oder Legierungen verwendet.
Das Löten kann unter einer Schutzgasatmosphäre (z. B. Wasserstoff, Argon, Stickstoff oder andere inerte Gase) oder unter Vakuum erfolgen. Die Hartlotlegierungen eignen sich besonders gut für das Löten unter Vakuum, z. B. einem Vakuum von 10^–7 hPa.
Es hat sich zudem überraschenderweise herausgestellt, dass mit den Hartlotlegierungen Lötverbindungen zwischen typischen schwer benetzbaren Metallen erzeugt werden können, die sich sowohl durch eine hervorragende Festigkeit und Temperaturbeständigkeit, als auch dadurch auszeichnen, dass die resultierenden Lötverbindungen vakuumdicht sind.
Besonders vorteilhaft haben sich die Hartlotlegierungen bei der Herstellung von Vakuumkammern, insbesondere Vakuumschaltkammern, erwiesen.
Solche Vakuumkammern werden vor allem für Schaltungen für Hochstromanwendungen (bspw. 2500 Ampere) verwendet. Solche Vakuumkammern sind bekannt und z. B. in ABB "Medium Voltage Components – Vakuum Interrupters and Embedded Poles" (Leaflet No. DECMS 2297 02 E, erhältlich von ABB Calor Emag Mittelspannung GmbH) beschrieben. Das in den Kammern herrschende Vakuum liegt üblicherweise in der Größenordnung von etwa 10^–7 hPa. Die mit Hartlotlegierungen hergestellten Vakuumkammern zeichnen sich durch eine hervorragende Vakuumdichtheit aus, was wiederum mit einer erhöhten Lebensdauer der Vakuumkammern und einem verminderten Anteil von Ausschussware bei der Herstellung der Vakuumkammern einhergeht.

Claims

Verwendung einer Legierung bestehend aus: a) Silber als Basis; b) 10 bis 40 Gew.-% Kupfer; c) 0,0001 bis 5 Gew.-% Palladium; d) 0,0001 bis 5 Gew.-% Germanium; und e) 0,0001 bis 1 Gew.-% Kobalt als Hartlot.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Menge an Palladium 0,1 bis 4,5 Gew.-% beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Menge an Kupfer 20 bis 30 Gew.-% beträgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Menge an Germanium 1 bis 4 Gew.-% beträgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Menge an Kobalt 0,1 bis 1 Gew.-% beträgt.
Verwendung nach Anspruch 1, wobei die Legierung Ag_65,7Cu₂₈Pd₃Ge₃Co_0,3 oder Ag_66,7Cu₂₈Pd₂Ge₃Co_0,3 ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Erzeugen einer Lötverbindung auf einem schwer benetzbaren Metall oder einer schwer benetzbaren Legierung.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei das schwer benetzbare Metall aus Chrom, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei die schwer benetzbare Legierung Edelstahl ist oder eine Legierung, die Chrom, Molybdän oder Wolfram als Hauptbestandteil enthält, ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Lötungen mit einer Arbeitstemperatur von 770 bis 820°C.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Erzeugen einer oder mehrerer Lötverbindung(en) bei der Herstellung einer Vakuumschaltkammer.