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Verfahren zum Zusammenlöten von Teilen aus Niob Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Zusammenlöten von Teilen aus Niob unter Bildung einer Lötverbindung,
die bei höheren Temperaturen praktisch die gleiche Beschaffenheit aufweist wie das
Grundmetall.
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Der Ausdruck »Niob« bezeichnet hier sowohl das reine Metall als auch
Legierungen auf Niobgrundlage.
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Bis vor wenigen Jahren diente Niob hauptsächlich als mengenmäßig untergeordneter
Legierungsbestandteil von Eisenlegierungen, wie rostfreiem Stahl. Geringe Zusätze
von Niob haben sich als wirksam zur Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften
von Legierungen erwiesen. Als die physikalischen Eigenschaften des Niobs bekannt
wurden, stellte sich heraus, daß dieses Metall eine günstige Kombination von Eigenschaften
aufweist, die es für eine Reihe von Bauzwecken als geeignet erscheinen läßt. Zum
Beispiel ist reines Niob dehnbar und besitzt eine gute Kaltverarbeitbarkeit, so
daß es sich mit Maschinen bearbeiten, zu Blechen oder Stangen auswalzen, stanzen
und zu Draht oder Rohren ziehen läßt. Es besitzt einen hohen Schmelzpunkt (etwa
2400° C) und in reduzierender Umgebung bei hohen Temperaturen gute Korrosionsbeständigkeit
und Festigkeit. Sowohl das reine Metall als auch Legierungen mit hohem Niobgehalt
werden zur Herstellung von Teilen verwendet, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden
sollen, z. B. von Teilen von Düsenmotoren und Kernreaktoren. In Anbetracht seines
niedrigen Einfangquerschnittes für thermische Neutronen und seiner Korrosionsbeständigkeit
und Festigkeit bei hohen Temperaturen eignet sich Niob besonders als Metallhülle
für Kernspaltstoffelemente, die bei hohen Temperaturen betrieben werden. Einen anderen
wichtigen Anwendungszweck findet Niob als Werkstoff für stark korrosive Stoffe,
wie Salzschmelzen und flüssige Metalle.
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Mit steigender Verbreitung dieser und anderer Anwendungszwecke für
Niob wird es immer wichtiger, zuverlässige Methoden und Mittel zu finden, um Niobteile
zusammenzufügen. Bisher war das einzige praktische Verfahren zum Zusammenfügen von
Niobteilen die Schmelzschweißung unter Verwendung von metallischem Niob als Schweißmetall.
Derartige Schweißverbindungen werden in einer inerten Atmosphäre hergestellt, indem
man das Schweißmetall in der Nähe der zu verschweißenden Oberfläche anordnet, das
Schweißmetall auf seinen Schmelzpunkt erhitzt und die so entstandene Schweißverbindung
dann abkühlt. Auf diese Weise hergestellte Schweißverbindungen haben sich als ungeeignet
zur Verwendung bei hohen Temperaturen erwiesen. Bei einem praktischen Versuch wurde
mit Hilfe einer Anzahl von in dieser Weise erzeugten Schweißverbindungen ein Behälter
für geschmolzenes Lithium hergestellt. Bei der Untersuchung auf Dichtigkeit mit
dem Massenspektrometer erwiesen sich sämtliche Schweißverbindungen des Behälters
bei Raumtemperatur als zufriedenstellend. Als der Behälter jedoch mit geschmolzenem
Litihum gefüllt wurde, traten an den Schweißverbindungen Undichtigkeiten auf. Die
metallographische Untersuchung ergab ein übermäßiges Kornwachstum sowohl in der
Schweißverbindung selbst als auch in den daran angrenzenden Bereichen, die der hohen
Temperatur ausgesetzt worden waren. Es hat sich gezeigt, daß ein grobkörniges Gefüge,
wie es bei der Schmelzschweißung unter Verwendung von Niob als Schweißmetall entsteht,
zur Bildung von Rissen bei thermischer Beanspruchung führt und die Korrosion längs
der Korngrenzen einleitet. Das ausgezeichnete Hochtemperaturverhalten des Metalls
kann daher durch Herstellung von Schweißverbindungen unter Verwendung von Niob als
Schweißmetall zunichte gemacht werden.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben, indem sie ein
neues Verfahren zum Hartlöten von Teilen aus Niob vorschlägt, bei welchem die entstehende
Lötverbindung praktisch die gleichen physikalischen
Eigenschaften
aufweist wie das Grundmetall. Ein weiterer Erfindungszweck ist die Anwendung einer
Legierung zum Hartlöten von Niob, bei der die Legierungsbestandteile mit flüssigen
Metallen, wie geschmolzenem Lithium, verträglich sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zusammenlöten von Teilen aus Niob
besteht darin, daß man eine binäre Zirkoniumlegierung, die 12 bis 15 Gewichtsprozent
Niob enthält, in der Nähe der einander gegenüberliegenden Oberflächen der miteinander
zu verbindenden Teile anordnet, die Legierung in einer inerten Atmosphäre erhitzt,
bis sie schmilzt und die Oberflächen benetzt, und die Schmelze dann abkühlt. Bei
einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Lot eine
ternäre Zirkoniumlegierung verwendet, die 12 bis 25 Gewichtsprozent Niob und 0,5
bis 5 Gewichtsprozent Molybdän enthält.
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Das Hartlöten von Niob wird durch die chemische Reaktionsfähigkeit
des Metalls und durch die Art beeinflußt, in der die zusammenzulötenden Teile hergestellt
sind. Bei Temperaturen unterhalb seines Schmelzpunktes reagiert Niob mit den meisten
Gasen; z. B. mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und den Oxyden des Kohlenstoffes,
wie CO und C02. Die Umsetzung von Niob mit Spuren irgendeines dieser Gase führt
zur Herabsetzung der Dehnbarkeit des Metalls durch Bildung einer die Sprödigkeit
verursachenden Phase. Wenn man also eine dehnbare Lötverbindung herstellen will,
muß die Anwesenheit dieser Gase in den zusammenzulötenden Teilen, in dem Lot oder
in der Lötatmosphäre sorgsam vermieden werden.
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Hinsichtlich der Art, in der die zu verlötenden Stellen hergestellt
sind, hat sich herausgestellt, daß Gußteile eine dehnbarere Lötverbindung ergeben
als Teile, die nach anderen Verfahren, z. B. durch Pulvermetallurgie; hergestellt
worden sind. Geschmiedete Formen des Metalls bilden ebenfalls starke, dehnbare Lötverbindungen.
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Bei der Durchführung der Erfindung kann die Lötlegierung zweckmäßig
durch Schmelzen eines Gemisches von Zirkonium und 12 bis 15 Gewichtsprozent Niob
im Lichtbogen und Vergießen der entstehenden Schmelze hergestellt werden. Diese
Legierung wird dann in die zum Löten geeignete Form gebracht, indem man sie zu einem
Stab oder Draht verarbeitet. Zirkoniumlegierungen, die weniger als etwa 12% Niob
enthalten, neigen zur Bildung spröder Lötstellen, obwohl das Lötmetall ausgezeichnete
; Fließfähigkeit besitzt. Bei Legierungen mit mehr als etwa 2511/o Niob liegt der
Schmelzpunkt so hoch, daß in den der hohen Temperatur ausgesetzten Zonen des Grundmetalls
eine Kornvergrößerung stattfindet, die zu einer Versprödung der Lötstelle führt.
In der Praxis wird zur Erzielung von Lötverbindungen, die die größtmögliche Dehnbarkeit,
Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, eine binäre Zirkoniumlegierung
bevorzugt, die 15 bis 20 Gewichtsprozent Niob enthält. Fügt man der Legierung aus
Zirkonium t und 12 bis 25% Niob eine geringe Menge Mplybdän hinzu, so kann man die
Bildung der spröden Phase vermeiden und gleichzeitig die Festigkeit der Lötverbindung
erhöhen, ohne die Fließfähigkeit des Lotes zu beeinträchtigen. Das Molybdän kann
in Mengen t von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent zugesetzt werden.
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Die miteinander zu verlötenden Nioboberflächen werden zunächst gereinigt,
um Fett; Schmutz, Zunder u: dgl. zu entfernen. Die gereinigten Teile werden in einander
anstoßender Lage so angeordnet, daß das Lot sich in der Nähe der miteinander zu
verlötenden Oberflächen befindet: Dann wird das Lot in einer inerten Atmosphäre,'
wie Argon oder Helium, geschmolzen, bis es die miteinander zu verbindenden Oberflächen
benetzt. Die Benetzung ist dann erfolgt, wenn ein flüssiger Film des Lotes an der
Oberfläche des Metalls entlangfließt und an der Oberfläche verbleibt, obowhl die
Hauptmenge der Lotschmelze von dieser Oberfläche abfließt. Die Löttemperatur richtet
sich nach der Zusammensetzung des Lotes, liegt aber allgemein im Bereich von 1725
bis 1750° C, wenn man mit der binären Zirkonium-Niob-Legierung arbeitet. Verwendet
man die ternäre Zirkonium-Niob-Molybdän-Legierung, so liegt die Löttemperatur etwas
höher. Als Wärmequelle kann ein durch inertes Gas abgeschirmtes Gebläse verwendet
werden: Um die Löttemperatur schnell zu erreichen; hat es sich als praktisch erwiesen,
eine durch inertes Gas abgeschirmte Wolfram-Lichtbogenelektrode oder eine gleichwertige
Wärmequelle zu verwenden.
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Beim Hartlöten ist es wichtig, daß die Temperatur der zu verlötenden
Teile und des Lotes rasch von einem Punkt unmittelbar unterhalb des Schmelzpunktes
des Lotes bis zur Mindestlöttemperatur gesteigert wird. Das schnelle Schmelzen des
Lotes ermöglicht den kapillaren Fluß des geschmolzenen Lotes durch die ganze Lötstelle
hindurch. Erhitzt man zu langsam, so schmilzt ein Teil des Lotes früher als der
Rest, beginnt dann zu erstarren und legiert sich mit dem Grundmetall, wodurch der
weitere Zustrom des Restes des Lotes zu der Lötstelle versperrt wird.
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Wenn das Lot geschmolzen ist und die zusammenzulötenden Oberflächen
benetzt hat, werden die Lotschmelze und die der hohen Temperatur ausgesetzten Stellen
in der Nähe der Lötverbindung in einer inerten Atmosphäre abgekühlt. Der nachteilige
Einfluß von Gasen, wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff usw., auf Niob wurde
bereits erwähnt. Daher soll das erfindungsgemäße Lötverfahren in seiner Gesamtheit
in einer Atmosphäre eines inerten Gases; wie Helium oder Argon, durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäß zu verlötenden Teile können jede beliebige Form
haben. Sie können in Form von Blechen, Rohren, Barren, Stangen, Platten usw. oder
jeder beliebigen Kombination derartiger Formen vorliegen; die Erfindung ist auch
nicht auf eine besondere Art von Lötverbindungen beschränkt. Im Rahmen der Erfindung
liegt die Herstellung von Stoßverbindungen, Dberlappungsverbindungen, Blatt- und
Sattelverbindungen, Verbindungen von Rohr und Kopfstück sowie anderen Formen von
Lötverbindungen.
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Die miteinander zu verlötenden Teile können sich gegenseitig berühren
oder durch einen Spalt voneinander getrennt sein, der 0,76 mm weit sein kann. In
jedem Falle benetzt das geschmolzene Lot die Oberflächen und füllt den Spalt durch
Kapillarwirkung unter Bildung einer guten, nichtporösen, dehnbaren Lötstelle aus.
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Beispiel Zwischen Niobrohren von 12,7 mm Durchmesser werden . Versuchslotungen
unter Verwendung eines Lötdrahtes aus einer Legierung aus 85% Zirkonium und 15%
Niob und eines Lötdrahtes aus einer : Legierung,
bestehend aus 80%
Zirkonium, 15% Niob und 5% Molybdän, einer mit Argon gefüllten Trokkenkammer und
einer Wolfram-Lichtbogenelektrode als Wärmequelle durchgeführt. Beim Schmelzen des
Lotes ergibt sich ein glatter Fluß, und das Metall füllt den Spalt durch Kapillarwirkung
aus, benetzt das Niob-Grundmetall gut und liefert eine dehnbare Lötverbindung. Die
Dehnbarkeit der Lötverbindungen wird geprüft, indem man das Rohr in Längsrichtung
über die Lötstelle hinweg aufsägt und die beiden Rohrhälften in einem Winkel von
90° biegt. Dann werden Proben zur metallographischen Untersuchung der Makrostruktur
und der Mikrostruktur der Lötstelle hergestellt und geprüft. Die Lötstellen zeigen
keine Sprödigkeit in der Lötnaht oder in dem Grundmetall, was sich aus der Tatsache
ergibt, daß keine Risse beobachtet werden. Die Proben zeigen, daß das Lot einen
Teil des Grundmetalls gelöst, das Grundmetall vollständig benetzt, den Spalt durch
Kapillarwirkung ausgefüllt und auf der Unterseite eine glatte Form angenommen hat.
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Eine Anzahl von nach dem obigen Beispiel hergestellten Lötverbindungen
werden 100 Stunden der Einwirkung flüssigen Lithiums bei 1000° C ausgesetzt. Die
metallographische Untersuchung der Lötstellen zeigt ein feinkörniges Gefüge ohne
jedes Anzeichen von Korrosion zwischen den Körnern. Auch nach der Einwirkung des
flüssigen Lithiums erweisen sich die Lötstellen als dehnbar, da sie sich in einem
Winkel von 90° biegen lassen, ohne rissig zu werden.
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In einem Parallelversuch wird eine Anzahl von verschweißten Niobteilen,
bei denen die Schweißverbindungen mit Niob als Schweißmetall hergestellt sind, für
die gleiche Zeitdauer dem gleichen flüssigen Metall ausgesetzt. Die Untersuchung
dieser Schweißverbindungen zeigt, daß sie an den Schweißstellen und auch in den
der hohen Temperatur ausgesetzten Bereichen in der Nähe der Schweißstellen ein grobkörniges
Gefüge aufweisen. Außerdem sind diese Schweißverbindungen spröde und lassen sich
nicht einmal in einem kleinen Winkel biegen, ohne weitgehend rissig zu werden.