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Verfahren zum Uberziehen von Metallen, insbesondere Unedelmetallen
mit einem Lot Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überziehen von Metallen,
insbesondere Unedelinetallen, wie Magnesium, Aluminium, Titan, Uran, Zirkonium,
Beryllium, Wolfram, Molybdän, Tantal, Hafnium und deren. Legierungen, mit einem
Lot.
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Üblicherweise bringt man das Lot zusammen mit Flußmitteln durch Anwendung
von Wärme zum Schmelzen, worauf es dann den Lotspalt auf Grund seiner benetzenden
Eigenschaften auszufüllen beginnt und nach beendeter Lötung eine feste Verbinnung
der verlöteten Formteile ergibt. Dabei kann das Lot z. B. als Lotring, Lotplättchen
usw. aufgelegt werden und die Lötung in einem Ofen, einem Salzschmelzbad, in einer
Flamme us,w. vorgenommen werden. Es ist dann auch bekannt, Lotschichten durch Plattieren
oder elektrolytisch aufzubringen, einerseits, um eine gleichmäßigere Lotschicht
zu erzielen, und andererseits, um größere Mengen Flußmittel zu vermeiden.
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Für gewisse Zwecke, insbesondere für das Löten solcher Metalle, die
sich leicht mit Oxydschichten überziehen, oberflächlich mit Gas beladen oder Gase
lösen, lassen jedoch auch diese Verfahren noch manchen Wunsch offen.
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Es wurde nun gefunden, daß ganz besonders fehlerfreie Lötungen hergestellt
werden können, wenn das Lot in seiner Gesamtheit oder in Schichten seiner Komponenten
auf dem Werkstück auf der Lotstelle aufgedampft wird.
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Vorzugsweise werden die mit dem Lot zu überziehenden Werkstücke in
an sich bekannter Weise, gegebenenfalls durch Elektropolieren oder chemisches Polieren
vorbehandelt.
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Da das Verdampfen der Lotmetalle im allgemeinen bei erhöhter Temperatur
im Vakuum erfolgen muß, werden sämtliche absorbierten Gase aus dem Lotmetall entfernt,
so, daß eine Reaktion zwischen den absorbierten Gasen und Dämpfen und den zu verlötenden
Metallen, selbst bei höheren Temperaturen, ausgeschlossen ist. Auch die an der Oberfläche
der zu verlötenden Metalle absorbierten Substanzen, z. B. Wasser u. dgl., lassen
sich durch geeignete Maßnahmen, z. B. Beglimmen im Vakuum, leicht erstfernen, wodurch
auch von dieser Seite her eine unerwünschte Verbindungsbildung wirksam verhindert
wird.
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Die aufgedämpfte Lotschicht gewährleistet beim nachträglichen Löten
eine einwandfreie und gleichmäßige Beisetzung und garantiert in gewissen interessanten
Fällen ihrer homogenen porenfreien Ausbildung wegen einen einwandfreien Korrosionsschutz.
der naturgemäß von der Wahl des Lötmaterials und der Dicke der Lotschicht abhängig
ist.
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Der Vorgang des Aufdampfens an sieh bedarf wohl kaum einer eingehenden
Erläuterung technischer Einzelheiten. In den meisten Fällen wird man in der iilalichen
Weise mit Verdampferschiffchen arbeiten, aus denen die Metalle durch hohe Temperaturen
zum Verdampfen gebracht werden. Mitunter können jedoch auch Verfahren wie das kathodische
Zerstäuben bzw. Verdampfen oder das Verdampfen mittels Stoßentladung geeignet sein,
die Lotmetalle bzw. einzelnen Komponenten in den Dampfzustand überzuführen.
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Wie schon angedeutet, besitzt das Verfahren der Erfindung insbesondere
Bedeutung für das Verlöten von Unedelmetallen, wie Uran, Thorium, Wolfram, Molybdän,
Tantal. Niobium, Beryllium, Aluminium, Magnesium, Zirkonium, Titan, Hafnium und
deren Legierungen. In den meisten Fällen wird man dabei ohne weiteres auf Löthilfsmittel,
wie Flußmittel od. dgl. verzichten. Auch Schutzgas wird für die Lötstelle selbst
- wenn nicht bei Löttemperaturen das Metall an sich empfindlich ist - oft überflüssig
sein. Damit wird das erfindungsgemäße Verfahren, vor allem bei der Herstellung von
Brennelementen für Reaktoren, für gelötete Verdampfer von Kühlaggregaten, für Hochvakuumflanschverb-indungen
und überall dort, wo eine vollständige Beseitigung von Flußmitteln eine absolute
Notwendigkeit ist und gleichzeitig eine porenfreie Lötung gefordert wird, angewendet
werden. Jedoch ergeben sich auch bei der Herstellung von Bimetallstreifen, Manteldrähten
und anderen technischen Artikeln Vorteile, die mit anderen Verfahren nicht erreicht
werden.
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Es ist bei dem Verfahren der Erfindung nicht notwendig, die Lotlegierung
aufzudampfen, sondern es ist selbstverständlich auch möglich, die einzelnen
Komponenten
eines Lotes durch schichtweises Aufdampfen hintereinander aufzubringen.
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Auch kann die eine Komponente eines Lotes auf einen Formteil 1, die
andere auf den mit dem Formteil 1 zu verbindenden Formteil 2 aufgebracht werden.
Bei dieser Arbeitsweise sind die Oberflächen beider zu verlötenden Formteile bei
geeigneter Wahl der Lötmetalle gegen korrodierende Einflüsse geschützt. Besonders
für das Verlöten- empfindlicher Werkstoffe ergibt sich dann auch die öglichkeit,
-durch geschickte Auswahl der Aufdampfschichten ein Löten mit flüssigem Lot zu vermeiden
und durch Diffusion im festen Zustand zu einer hochfesten, thermisch beständigen
Verbindung zu gelangen. Zum Beispiel bringt man auf den metallischen Werkstoff r?
eine Schicht a., die sich durch Diffusion an der Grenze Ala vereinigt, auf.
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Auf die Schicht u dampft man eine Schicht X auf, die wiederum mit
a und auch mit b, einer auf das Werkstück B aufgedampften, in den
Eigenschaften a
äquivalenten Schicht, eine feste Verbindung eingeht. Ein solcher
Schichtaufbau würde sich auch bei Einsatz einer Lötlegierung ausbilden, jedoch sind
dann wesentlich höhere Temperaturen und längere Zeiten erforderlich, während durch
das Aufdampfen der Schichten die endgültige Reihenfolge schon vorweggenommen ist.
Dabei kann die Schicht X gegebenenfalls gleichzeitig ein Diffusionsbindernis für
die metallischen Werkstoffe A und B sein, wenn eine entsprechende Auswahl der Komponenten
eines solchen Mehrschichtenlotes getroffen wird.
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So wird auf diese Weise ein in jeder Hinsicht maximaler Effekt erreicht.
Der Werkstoff wird schonendst behandelt, und- die Lötverbindung ist dennoch von
einer hervorragenden Festigkeit, wie sie nach anderen Verfahren kaum erreicht werden
kann.
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Das Verfahren der Erfindung soll im einzelnen durch die folgenden
Beispiele erläuteit werden. Beispiel 1 Verlöten von Verdampferblecben Die zugeschnittenen
Bleche werden, je nach Anlieferung, entfettet und/oder gebeizt -- mit Vorteil wird
man oft noch eine chemische oder elektrolytische Politurbehandlung nachschalten
- und an den Stellen, die nicht mit Lot bedeckt werden sollen, mit Lack abgedeckt.
Sodann bringt man die Formteile in die Aufdampfvorrichtung und bedampft mit Aluminium.
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Nach Abziehen des Lackes bleiben nur die Lötstellen mit Lot bedeckt.
Die so vorbehandelten Bleche werden zum Verlöten mit einem gleichfalls gereinigten
Eisenblech verpreßt und dabei auf etwa 600° C erhitzt. Die Lötungen sind homogen
und von ausgezeichneter mechanischen Fertigkeit, wie sich beim Rufweiten entsprechend
verlöteter Bleche zu Rohren ergab.
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Beispiel 2 Brennelemente Brennelementkerne aus Uran werden üblicherweise
mit einem »Can« aus z. B: Aluminiumlegierungen versehen. Für die Lötung zwischen
Kern und Can werden Porenfreiheit, gute Wärmeübertragung, geringe Schichtdicke wegen
des Neutroneneinfangquerschnittes der Lotmetalle und oft auch noch Diffusionsbehinderung
zwischen Kern und Can gefordert.
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Diesen Forderungen kann weitgehend Rechnung getragen werden, wenn
man auf einen Urankern zunächst eine Schicht Zink, sodann eine Schicht Zinn und
darauf wieder eine Schicht Zink aufdampft. Dabei gelten weitgehend die schon weiter
oben im allgemeinen Teil der Beschreibung erläuterten Bedingungen. Selbstverständlich
können die Schichten auch teilweise oder ganz auf den Can-Werkstoff aufgebracht
werden oder andere Lotkombinationen gewählt werden. Das Can wird dabei zweckmäßig
so auf den Kern aufgebracht, daß es einen Druck ausübt, z. B. durch Aufpressen,
Aufschrumpfen oder Aufziehen. Bei einer ausreichend langen thermischen Behandlung
bei Temperaturen, die die Struktur des Kerns noch nicht verändern, resultiert eine
ausgezeichnete Verbindung zwischen Kern und Can unter gleichzeitigem Aufbau einer
diffusionshindernden Zwischenschicht. Die thermische Behandlung wird dabei, um ein
Aufweiten des Caiis zu vermeiden, vorzugsweise unter Druck vorgenommen. Da als Can-Werkstoffe
außer Aluminium auch Beryllium, Magnesium, Zirkonium, Stahl usw. in Frage kommen,
sind auch die Lotmetalle bzw. Lotlegierungen zahlreich. Beispiel 3 Manteldrähte
Bei der Herstellung von Manteldrähten mit einem Kern aus Unedelmetall und einem
Mantel aus Edelmetall ist man aus wirtschaftlichen Gründen bestrebt, den Edelmetallmantel
möglichst dünn zu halten. Diesem Bestreben steht als Hindernis die Diffusion. des
Unedelmetallkerns in das Edelmetall, auch schon bei üblichen Löttemperaturen, entgegen.
Dem kann man auf einfache Weise begegnen, indem man auf den Unedelmetallkern Lotschichten
aufdampft, die gleichzeitig die Diffusion behindern, und durch eine Temperaturnachbehandlung
die Struktur des fertigen Manteldrahtes stabilisiert bzw. Kern und Mantel einesteils
durch das Lot verbindet und anderenteils durch Diffusionsbehinderung trennt.