DE1521483A1

DE1521483A1 - Verfahren zum Herstellen einer dichten Verbindung zwischen nichtrostendem Stahl und Aluminium

Info

Publication number: DE1521483A1
Application number: DE19651521483
Authority: DE
Inventors: Ragni Wacongne Geb; Bernard Vere
Original assignee: Industrielle de Combustible Nucleaire Ste
Current assignee: Industrielle de Combustible Nucleaire Ste
Priority date: 1964-11-17
Filing date: 1965-11-16
Publication date: 1969-07-31
Also published as: US3368272A; FR1428509A; LU49841A1; NL6514822A; GB1101819A; BE672277A

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Pa. Soci^te Industrielle de Combustible Nucleaire, 98, Avenue du Petit Brogny, Annecy, Haute-Savoie/Frankreich

betreffend:

"Verfahren zum Herstellen einer dichten Verbindung zwischen nichtrostendem Stahl und Aluminium"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum

Herstellen einer dichten Verbindung zwischen nichtrostenden Stählen und legiertem oder unlegiertem Aluminium. Die Erfindung bezieht sich dabei in gleicher V/eise auf derart erhaltene Verbindungen und auf Geräte oder Vorrichtungen, die solche dichten Verbindungen aufweisen«

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Stahlschichten verschiedener Abstufungen bzw. Zusammensetzungen untereinander fest zu verbinden, indem man auf ihre Berührungsflächen eine metallische oder metallähnliche Zwischenschicht aufbringt, die in die beiden Stahlschichten diffundiert. Diese bekannten Verfahren, bei denen so eine Art Haftschicht gebildet wird, gestatten es auch, die antikorrosiven, thermomechaniseheη und schlechterdings die mechanischen Eigenschaften von zusammengesetzten Teilen zu verbessern, die dazu geeignet sind, sehr kostspielige, aus einem einzigen teuren Metall gebildete einteilige Stüoke zu ersetzen.

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Wenn es sich indessen darum handelt, das Innere derartiger zusammengesetzter Teile mit dem Äußeren vollkommen dicht zu verbinden, hat man festgestellt, daß das gewünschte Ergebnis wegen der Unvollkommenheit der erforderlichen festen Verbindungen nicht immer absolut sicher erreicht werden kann.

Andererseits weiß man, daß eine unmittelbare Verbindung zwischen einem Teil aus nichtrostendem Stahl und einem Teil aus Aluminium nur unter ganz bestimmten Herstellungsbedingungen, die indessen auch nicht eine absolut sichere dichte Verbindung gewährleisten, zu verwirklichen ist, was auf schwache inter~ metallische Verbindungen zurückzuführen ist, die sich bei der Schmelzberührung eines Teiles aus nichtrostendem Stahl mit einem Aluminiumteil bilden.

Andererseits ist es aber auch in zahlreichen Fällen, insbesondere bei bestimmten Messungen mit Thermoelementen, unerläßlich, daß die Temperaturfühlerelemente durch die Behälteraußenwandungen zum Inneren hin, wo sich die zu untersuchenden oder zu kontrollierenden Vorgänge abspielen, vollkommen dicht hindurchgeführt sind, und daß diese Dichtigkeit auch über einen großen Temperaturbereich erhalten bleibt. Das ist umsomehr erforderlich, wenn durch die zu untersuchenden Vorgänge oder Reaktionen gefährliche Strahlungen entwickelt werden«

Der Erfindung hat die Aufgabe ztigrundegelegen, dieses Problem in dem besonderen Fall von dichten Durchführungen mit Teilen aus Aluminium und nichtrostendem Stahl zu lösen» Diese Metalle sind nämlich von besonderem Interesse für metallische Verbindungen, die auch gegenüber Helium von dessen gekühltem Zustand bis zu einer Temperatur von mindestens 200° C vollkommen dicht sind. Wie man festgestellt hat, kann ein solches Resultat

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erhalten werden, indem man ein Zwischenmaterial verwendet, das ein Eutektikum mit dem Aluminium oder seinen Legierungen bildet und das mit dem nichtrostenden Stahl gut zu verschweißen bzw, fest zu verbinden ist. Die besten Ergebnisse erhält man mit Nickel oder mit Legierungen, die einen hohen Gehalt an Kiekel aufweisen, das mit Aluminium ein Eutektikum bei 64O⁰C bildet und das üich mit den nichtrostenden Stählen, insbesondere bei Elektronenbeschuß vollkommen fest verbindet.

Unter diesen Voraussetzungen besteht das Verfahren zum Herstellen einer dichten Verbindung zwischen einem Teil aus " nichtrostendem Stahl und einem Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Zwitichenfügung einer Zwischenschicht nach der Erfindung grundsätzlich darin, daß man das Teil aus nichtrostendem Stahl im luftleeren Raum durch Elektronenbeschuß an ein Zwischenteil aus Nickel oder einer Legierung mit einem hohen Nickelgehalt anschweißt bzw. mit diesem fest verbindet, wobei beide Teile in inniger Berührung gehalten werden, daß man sodann das aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bestehende Teil und das Nickelteil in innige Berührung miteinander bringt, daß man das Ganze im luftleeren Raum bis zur Bildungstemperatur eines Nickel-Aluminium-Eutektikums erhitzt, daß man es sodann während ein bis drei Minuten auf dieser i

Temperatur hält, um die gleichmäßige Diffusion des Nickels in das Aluminium sicherzustellen und so eine homogen diffundierte Verbindung zu bilden, und daß man es schließlich im luftleeren Raum bis etwa 50 G langsam wieder abkühlt«

Die Erhitzung kann z.B. durch Induktion unter einem

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Vakuum in der Größenordnung von etwa 3 χ 10 mm Quecksilbersäule erfolgen. Vorzugsweise hält man das Ganze zwei Minuten auf der eutektischen Temperatur. Die sich anschließende langsame Wiederabkühlung soll in der Größenordnung von etwa drei Stunden liegen«

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Für eine gleichmäßige Diffusion des Nickels in das Aluminium ist es wichtig, das aus nichtrostendem Stahl hergestellte und auf das Nickelteil oder ein Nickellegierungsteil geschweißte Element sehr langsam zu drehen« Metallographische Untersuchungen haben eine kompakte, gut verschweißte Verbindung zwischen dem Aluminium und dem nichtrostenden Stahl gezeigt unter der Voraussetzung, daß der Kontakt zwischen dem Nickel und dem Aluminium so vollkommen wie möglich ist, was durch eine sehr sorgfältige Bearbeitung der entsprechenden Oberflächen erreicht werden kann*

Als Legierungen mit hohem Nickelgehalt kommen solche mit einem Gehalt von 75 bis 80$ Nickel infrage, und zwar insbesondere solche, wie sie unter dem Handelsnamen "INGONEL" bekannt sind. Die Aluminiumlegierungen, die an nichtrostenden Stahl angeschweißt bzw. mit diesem fest verbunden werden können, sind insbesondere solche, wie sie auch unter den Bezeichnungen AG5-AU4G--A5 usw. bekannt sind«

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß man ein als Vater- und Mutterteil ausgebildetes Teil aus Nickel und ein als Aufnahmeteil ausgebildetes Teil aus Aluminium verwendet und dem Teil aus nichtrostendem Stahl die Gestalt eines Väterteiles gibt, das in den Mutterbzw. Aufnahmeteil des aus Nickel bestehenden Teiles eingeschweißt bzw. mit diesem fest verbunden wird«

Die Erfindung erlaubt u.a. die Herstellung von Durchführungsstopfen für Thermoelemente an mit einer Aluminiumhülle versehenen Brennelementen, wie sie in Kernreaktoren verwendet werden« Zu diesem Zweck lötet man das Thermoelement auf einen Träger aus nichtrostendem Stahl und stellt sodann, wie bereits

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oben erwähnt, die Verbindung zwischen dem Träger und dem Nickelzwischenteil und anschließend die Verbindung zwischen diesen beiden Teilen und dem Aluminium der Umhüllung her. Die Herstellung solcher Durchführungstopfen ist ein Gegenstand der Erfindung«

Ein Ausführungsbeiapiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt, die einen schematischen Schnitt durch einen Durchführungsstopfen nach der Erfindung zeigt.

Der Durchführungsstopfen nach der Erfindung umfaßt ein Thermoelement 1, das an ein Trägerteil 2 aus nichtrostendem Stahl mit T-förmigem, Längsschnitt und einem Fußteil 3 angelötet ist.

Das Fußteil 3 ist unter Reibung in eine Bohrung 4 eingepaßt, die mit dem gleichen Durchmesser in einem Zwischenteil 5 aus einer legierung mit einem hohen Hickelgehalt hergestellt ist. Das Trägerteil 2 und das Zwischenteil 5 sind im Bereich 6 miteinander verschweißt. Das Teil 5 ist an seiner Außenseite 5¹ kegelstumpfförmig mit einem spitzen Winkel von etwa 5° ausgebildet. Ein Aluminiumstopfen 7 bildet das äußere Ende einer nicht dargestellten Umhüllung eines Brennelementes für einen Atomreaktor. Der Aluminiumstopfen 7 besitzt eine kegelstumpfförmige Bohrung θ mit den gleichen Querschnittsabmessungen wie die äußere Oberfläche des Teiles 5· Das Nickel des Teiles 4 bildet mit dem Aluminium des Stopfens 7 eine eutektische Mischung 9» die gleichmäßig über die länge der aneinandergrenzenden konzentrischen Oberflächen 5' und Θ¹ des Teiles 4 und des Stopfens 7 diffundiert ist.

Pur die Herstellung eines solchen Durchführungselementes verwendet man einen Hochfrequenzgenerator mit einer Leistung

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von 2 kw bei einer Frequenz von 3 MHz, einen v-on einem Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von 50 mm gebildeten dicht umschlossenen Raum, eine zweistufige Pumpvorrichtung (mit einer Primärpumpe von 27 cbm je Stunde und einer Sekundärpumpe von 350 1 pro Sekunde), ein Unterdrucküberwachungsgerät und ein Temperaturmeßgerät. Das Thermoelement 1 wird an den aus nichtrostendem Stahl bestehenden Teil 2 mit einer Hochtemperaturlötung und unter Erhitzen auf 950° C im Vakuum angebracht. Sodann schiebt man den Fußteil 3 des Trägerteiles 2 in die Bohrung 4 des Teiles 51 das aus einer legierung mit etwa 80$ Nickel besteht, ein und stellt die Schweifung 6 durch Elektronenbeschuß im Inneren des Unterdruckraumes her« Nach dieser Schweißung führt man den Kegelstumpf 5¹ des Teiles genau zentrisch in die konische Bohrung 8 des aus 99»995'>-igem Aluminium bestehenden Stopfens 7 ein und bringt das Ganze in den Unterdruckraum der zweiten Vakuumstufe (3 x 10"* mm Quecksilbersäule). Das Ganze wird durch Induktion im Laufe einer Stunde auf 640° C erhitzt, und es bildet sich eine eutektische Nickel-Aluminium-Hischung. Die gleichmäßige Diffusion des Nickels in das Aluminium wird nach Bildung des Eutektikums dadurch erleichtert, daß man die Temperatur von 640° C während zweier Minuten aufrechterhält und dabei die ganze Anordnung langsam dreht· Im Anschluß daran läßt man sich dann alles im Laufe von drei Stunden und unter dem gleichen Vakuum bis auf 50° C abkühlen·

Das gleiche Ergebnis wurde unter den gleichen Bedingungen auch mit einem Teil 5 aus sehr reinem Ni9kel erzielt·

Patentansprüche :

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Claims

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Patentansprüche

1) * Verfahren zum Herstellen einer dichten Verbindung zwischen einem Teil aus nichtrostendem Stahl und einem Teil aus einem Material mit einem hohen Aluminiumgehalt unter Zwischenfügung einer Zwischenschicht, dadurch gekannzeichnet, daß man das Teil aus nichtrostendem Stahl im luftleer gepumpten Raum durch Elektronenbeschuß an ein Zwischenteil aus einem Material mit einem höheren Nickelgehalt anschweißt bzw. mit diesem fest verbindet, wobei beide Teile in inniger Berührung gehalten werden, daß man sodann das Teil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und das Nickelzwischenteil in innige Berührung miteinander bringt, daß man das Ganze im luftleeren Raum bis zur Bildungstemperatur eines Nickel-Aluminium-Eutektikums erhitzt, -daß man das Ganze während ein bis drei Minuten auf dieser Temperatur hält, um die gleichmäßige Diffusion des Nickels in das Aluminium sicherzustellen und so eine homogen diffundierte Verbindung zu bilden, und daß man es schließlich im luftleeren Raum bzw· im Vakuum bis auf eine Temperatur von etwa 50° 0 langsam abkühlt«

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung durch Induktion bei einem Vakuum von etwa 3 x 10*" mm Quecksilbersäule durchgeführt wird·

3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Teile zwei Minuten auf der eutektischen Temperatur gehalten werden.

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A) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langsame Abkühlung etwa innerhalb von drei Stunden erfolgt,

5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dae Zwischenteil aus einer Nickellegierung mit einem
Nickelgehalt von etwa 75 bis 80?G hergestellt wird«

6) Verbindungsstück aus nichtrostendem Stahl und Aluminium mit einer hochnlckelhaltigen Zwischenzone, die einer-

W seita an den Stahl geschweißt und andererseits homogen oder gleichmäßig in eine eutektische Nickel-Aluminium-Miechung zwischen der Zwischenzone und dem Aluminium
diffundiert oder verteilt ist·

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