DE1146728B - Verfahren zum Zusammenloeten von Teilen aus Niob - Google Patents

Verfahren zum Zusammenloeten von Teilen aus Niob

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DE1146728B
DE1146728B DEU7475A DEU0007475A DE1146728B DE 1146728 B DE1146728 B DE 1146728B DE U7475 A DEU7475 A DE U7475A DE U0007475 A DEU0007475 A DE U0007475A DE 1146728 B DE1146728 B DE 1146728B
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DE
Germany
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niobium
solder
soldering
soldered
parts
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Application number
DEU7475A
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English (en)
Inventor
Richard Lewis Heestand
Marion Lewis Picklesimer
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US Atomic Energy Commission (AEC)
Original Assignee
US Atomic Energy Commission (AEC)
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/32Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C

Description

  • 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.
  • Der Ausdruck »Niob« bezeichnet hier sowohl das reine Metall als auch Legierungen auf Niobgrundlage.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Zusammenlöten von Teilen aus Niob durch Aneinanderfügen der zu verlötenden Flächen der Niobteile und Auflage des Lotes in Lötspaltnähe, Erhitzen des Lotes auf seinen Schmelzpunkt und anschließendes Abkühlen der Lötverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot eine 12 bis 25% Niob enthaltende binäre Zirkoniumlegierung verwendet und das Erhitzen, Schmelzen des Lotes und Abkühlen in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot eine 15 bis 20% Niob enthaltende binäre Zirkoniumlegierung verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot eine 12 bis 25% Niob und 0,5 bis 5 % Molybdän enthaltende temäre Zirkoniumlegierung verwendet wird.
DEU7475A 1959-11-23 1960-09-21 Verfahren zum Zusammenloeten von Teilen aus Niob Pending DE1146728B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1483315B1 (de) * 1964-10-21 1971-06-09 United Aircraft Corp Verwendung eines hochschmelzendes lot zum herstellen eines dreischichtigen verbundkoerpers

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1483315B1 (de) * 1964-10-21 1971-06-09 United Aircraft Corp Verwendung eines hochschmelzendes lot zum herstellen eines dreischichtigen verbundkoerpers

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