DE19806380B4 - Hartlot-Composit, Verfahren zur Herstellung des Hartlot-Composits und dessen Verwendung - Google Patents

Abstract

Hartlot-Composit in Bandform mit schichtartigem Aufbau, bei dem sich in einer Lotmatrix eine Einlage aus einem höherschmelzendem Metall befindet, wobei die Einlage aus quer zur Bandrichtung und im Abstand voneinander angeordneten Metallstreifen besteht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Hartlot-Composit in Bandform zum Auflöten von metallischen Werkstoffen mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizient, wie z. B. Hartmetallteile, auf metallische Unterlagen. Des weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung des Hartlot-Composits sowie die Verwendung des Hartlot-Composits.
• Bei der Herstellung von Werkzeugen für die schneidende bzw. spanende Bearbeitung, wie etwa Sägeblätter, Bohrer, Fräsen etc., werden die als Schneiden, dienenden Hartmetallteile, dies sind meist Verbundwerkstoffe aus Wolframcarbid und Kobalt, auf die metallische Unterlage, die in der Regel aus Stahl bestehen, aufgelötet.
• CH 225008 betrifft ein Lot, welches Lötmetall und in ihm verteilte Körper aus einem Werkstoff mit einem Schmelzpunkt, welcher höher liegt als derjenige des Lötmetalls, enthält.
• In US-A-3,163,500 wird eine bestimmte Legierung für Sandwich-Komposite beschrieben.
• DE 735 121 betrifft eine bestimmte, beiderseits mit Lot versehene blattförnige Zwischenlage aus einem beim Löten nicht schmelzenden Metall.
• In EP-A-0 240 039 wird ein Lotträger zum Löten mit eingelegtem Lot von genau abgemessener Menge zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen Werkstücken mit paralletbandigem, vorzugsweise großflächigem Lötspalt beschrieben, der durch ein mit Vertiefungen mit darin deponiertem Lotwerkstoff versehenes Feinblech gekennzeichnet ist.
• DE 591 246 betrifft eine bestimmte, beiderseits mit Lot versehene blattförmige Zwischenlage aus Eisen oder Eisenlegierung für Schlitzlötungen, die durch ein Bimetallblech gekennzeichnet ist, auf dessen beiden Seiten Streifen des Grundmetalls mit Streifen des die Deckschicht bildenden Lotmetalls abwechseln.
• In AT 177633 wird eine bestimmte Lötfolie mit beiderseits mit einer Lotmetallauflage versehener, beim Lötprozess nicht schmelzender Drahtgewebe-Zwischenlage beschrieben.
• Für das Auflöten z.B. von Hartmetallsegmenten auf Sägeblätter benutzt man häufig massive Lotbänder. Diese werden manuell oder automatisch als Bandabschnitte zwischen Hartmetall und Stahlträger eingelegt. Die Erwärmung erfolgt induktiv, um die Wärmeeinflußzone im bereits gehärteten Stahlträger möglichst klein zu halten. Bei automatischer Zugabe des Lotbandes im Erwärmungsfeld schmilzt dieses neben der Lötstelle ab und federt zurück, d.h. es trennt sich von der Lötstelle selbsttätig und kann für die nächste Lötung wieder nachgeschoben werden.
• Das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten der beteiligten Werkstoffe Hartmetall und Trägermaterial bringt jedoch Probleme mit sich.
• Das thermische Ausdehnungsverhalten der beteiligten Werkstoffe wird durch den mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α beschrieben. Dieser liegt für Hartmetalle durchschnittlich bei einem Wert von 4 bis 7 × 10^–6/K und unterscheidet sich damit deutlich von dem der Grundkörper, die in der Regel aus Stählen mit einem Koeffizienten α von 11 bis 12 × 10^–6/K hergestellt werden. Nach dem Lötprozeß und der Erstarrung des Lotes resultieren hieraus thermische Spannungen, die zur Verformung des
• Bauteils und in der Folge zur Ablösung oder Zerstörung des Hartmetallteiles führen können (P. Roberts, Brazing Cemented Carbides, Metal Construction, 1/1987 19(1) S. 12 bis 18). Insbesondere die daraus resultierenden Zugspannungen in der Oberfläche des Hartmetalls sind schädlich. Auch bei dem späteren bestimmungsgemäßen Gebrauch der Werkzeuge treten hohe mechanische und thermische Belastungen auf, wobei es aufgrund der Spannungen zu einem vorzeitigen Ausfall kommen kann.
• Die Reduzierung dieser inneren Spannungen und damit der Schutz des Hartmetalls gegen Ablösung oder Zerstörung wird heute dadurch erreicht, daß Lotbänder eingesetzt werden, die als eine Art Sandwich eine Kupfer-Zwischenschicht mit Dicken zwischen 0,1 und 0,5 mm besitzen. Diese Kupferschicht trägt über das Formänderungsvermögen zum Spannungsabbau bei Produkte dieser Art werden in den Lieferprogrammen der meisten Lothersteller angeboten.
• Die Herstellung derartiger Lot-Composite erfolgt meist durch beidseitiges Plattieren der die Einlage bildenden Kupferfolie mit einer Folie aus der Lotlegierung.
• Bei Lotbändern mit einer Zwischenlage sind insbesondere automatische Verarbeitungsprozesse nicht ohne zusätzliche Hilfseinrichtungen durchführbar. Die durchgehenden hochschmelzenden Zwischenlagen aus Kupfer besitzen für die automatische Verarbeitung dieser Lotbänder den erheblichen Nachteil, daß sie im Erwärmungsfeld (700–800 °C) nicht aufschmelzen, was im übrigen auch nicht gewünscht ist, da sie als Abstandshalter bzw. als Spannungspuffer fungieren sollen. Ein selbsttätiges Abtrennen bzw. Dosieren des Lotes an der Lötstelle ist somit nicht möglich. Damit ist man z.B. bei der Herstellung von Sägeblättern gezwungen, im Falle von Hartmetallsegmenten, für die ein derartiges Schichtlot erforderlich ist, die Sägeblätter manuell zu löten oder über zusätzliche Schneideinrichtungen das Lotband abzutrennen oder als einzelne Bandabschnitte zuzuführen.
• Der Erfindung lag daher die Aufgabenstellung zugrunde, ein Hartlot-Composit in Bandform für das Auflöten von Hartmetallen auf metallische Unterlagen zu entwickeln, das es ermöglicht, bei Löttemperatur eine selbsttätige Abtrennung und Dosierung an der Lötstelle vorzunehmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren für das Hartlot-Composit anzugeben. Schließlich war es eine Aufgabe der Erfindung das Hartlot-Composit bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der beteiligten Werkstoffe und ohne aufwendige Schneideinrichtungen anzuwenden.
• Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Hartlot-Composit gemäß Anspruch 1, die Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 sowie die Verwendungen nach Anspruch 8 oder 9. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Hartlot-Composit in Bandform mit schichtartigem Aufbau, bei dem sich in einer Lotmatrix eine Einlage aus einem höherschmelzenden Metall befindet, bei dem die Einlage aus quer zur Bandrichtung und im Abstand voneinander angeordneten Metallstreifen besteht.
• In einer anderen Ausführungsform betrifft die Erfindung zwei spezielle Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hartlot-Composits. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist schließlich die Verwendung dieser Hartlot-Composite zum Auflöten von Hartmetallteilen auf metallische Unterlagen, insbesondere in automatischen Löteinrichtungen.
• Die Grundidee der Erfindung ist es, bei dem Hartlot-Composit eine Einlage aus quer zur Richtung des Lötbandes angeordneten Metallstreifen vorzusehen, die deutlich höher als das Lot schmelzen.
• Ein derartiges Lotband verbindet die durch die Metallstreifen eingebrachte Abstandshalter- und Spannungspufferfunktion mit der Eigenschaft, bei Löttemperatur während des Lötprozesses an den zu der Grenze der Lötstelle nächstliegenden Trennzonen zwischen den Metallstreifen abzuschmelzen, und ermöglicht somit ein selbsttätiges Dosieren und Abtrennen ohne aufwendige Schneideinrichtungen.
• Hochschmelzend ist in diesem Zusammenhang so zu verstehen, daß der Werkstoff der eingelagerten Metallstreifen deutlich höher schmilzt als das Lot, so daß er während der Erwärmung und des Lötprozesses nicht verflüssigt wird und damit die Funktion einer Abstandshaltung aufrechterhalten kann. Im Schmelzzustand kann zwischen den eingelagerten Metallstreifen ohne weiteres die Trennung des Lotbandes am Rande der Lötstelle erfolgen. Zweckmäßigerweise liegt die Solidustemperatur der quer zur Bandrichtung eingelagerten Metallstreifen mindestens 100 K über der Liquidustemperatur des Lotes.
• Bei dem erfindungsgemäßen Hartlot-Composit können als Lotmatrix im Prinzip alle üblichen Hartlote eingesetzt werden. Bevorzugt sind Standard-Hartlotlegierungen etwa der Basis-Systeme CuAg, AgCuZn, AgCuZnCd, AgCuZnMnNi, AgCuZnMnNi(Cd). Typischerweise werden Legierungen wie das L-Ag49 oder das L-Ag27 (nach DIN 8513) eingesetzt. Diese Lotlegierungen schmelzen ohne weiteres bei einer Löttemperatur von ca. 700°C.
• Die im Composit quer zur Bandrichtung angeordneten Metallstreifen bestehen zweckmäßigerweise aus Kupfer, Kupferbasislegierungen, Nickel, Nickelbasislegierungen, Silber oder höherschmelzenden Silberbasislegierungen.
• Diese Metalle bzw. Legierungen besitzen Schmelzbereiche deutlich über denen der üblichen Hartlotlegierungen. So hat beispielsweise Kupfer einen Schmelzpunkt von 1083 °C, Silber einen Schmelzpunkt von 960 °C und Nickel einen Schmelzpunkt von 1455°C; der ebenfalls einsetzbare Werkstoff CuNi30Fe schmilzt bei 1180 bis 1240°C.
• Bei dem erfindungsgemäßen Hartlot-Composit liegt die Fertigdicke zweckmäßigerweise zwischen 0,2 und 1,0 mm, wobei die Einlage eine Dicke von 0,1 bis 0,6 mm aufweist.
• Die Breite der eingelagerten Metallstreifen (in Bandrichtung gesehen) wird zweckmäßigerweise zwischen 1 und 10 mm und vorzugsweise bei etwa 5 mm gewählt. Die Trennzonen zwischen den Streifen sind zweckmäßigerweise 1 bis 3 mm breit.
• Die Herstellung des erfindungsgemäßen Hartlot-Composits erfolgt in der Weise, daß parallel im Abstand voneinander angeordnete Streifen aus dem höherschmelzenden Metall beidseitig mit einer Folie aus einer Lotlegierung plattiert und hieraus dann Bänder in anwendungsspezifischer Breite geschnitten werden. Bei der Plattierung werden die Metallstreifen quer zur (späteren) Bandrichtung ausgerichtet und fixiert. Die Plattierung erfolgt in an sich bekannter Weise auf hierfür üblichen Anlagen.
• Besonders vorteilhaft ist das Herstellverfahren, wenn man aus einer etwa als Endlosband dem Plattierungsprozess zugeführten Folie aus dem höherschmelzenden Metall, je nach Breite in ein oder mehreren parallelen Reihen, hintereinander und quer zur (späteren) Bandrichtung angeordnete rechteckige Aussparungen ausstanzt, hierauf dann beidseitig die Folien aus Lotlegierung plattiert und hieraus schließlich die Bänder schneidet. Der Bandschnitt erfolgt entlang der seitlichen Begrenzung der ausgestanzten rechteckigen Aussparungen oder parallel hierzu innerhalb ihrer lateralen Ausdehnung. Aus verarbeitungstechnischen Gründen ist es zweckmäßig, die laterale Dimension (quer zur Bandrichtung) der Aussparungen um ca. 5 mm größer zu wählen, als die Breite des späteren Bandschnittes. Durch Lage und Dimension dieser Aussparungen werden in dem resultierenden bandförmigen Hartlot-Composit die quer zur Bandrichtung angeordneten Einlagen aus höherschmelzendem Metall und die Trennzonen definiert. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß eine schwieriger zu handhabende Ausrichtung und Fixierung einzelner Metallstreifen bei der Plattierung nicht erforderlich ist.
• Die erfindungsgemäßen Hartlot-Composite können vorteilhaft beim Auflöten von Hartmetallteilen auf metallischen Unterlagen eingesetzt werden. Durch die im Composit eingelagerten, quer und im Abstand voneinander angeordneten hochschmelzenden Metallstreifen wird ein für den Abbau und Ausgleich von thermischen Spannungen ausreichend breiter Lötspalt erzeugt. Der besondere Vorteil ist die Möglichkeit des selbsttätigen Dosierens und Abtrennens des Lotbandes.
• Mit der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, die für das Löten von Hartmetallen benötigten Schichtlote in automatischen Lötmaschinen zu verarbeiten, ohne daß hierzu aufwendige Schneideinrichtungen zum Abtrennen der Bandabschnitte erforderlich sind. Ebenso können damit bislang manuell durchgeführte Lötprozesse, für die das Lotband vor dem Löten in kleine Bandabschnitte zerteilt wird, auf automatischen Maschinen mit einem Endlosband durchgeführt werden, so daß eine erhebliche Arbeits- und Zeitersparnis möglich wird.
• Es zeigt 1 schematisch in perspektivischer Aufsicht das erfindungsgemäße bandförmige Hartlot-Composit (1). In eine Matrix aus Lotlegierung (2) sind Streifen aus einem höherschmelzenden Metall (3) eingelagert. Diese sind quer zur Bandrichtung und im Abstand voneinander ausgerichtet.
• 2 zeigt in Aufsicht ein bandförmiges Folienstück (4) aus dem höherschmelzenden Metall, das zur beidseitigen Plattierung mit Folie aus Lotlegierung vorgesehen ist. Aus dem Folienband sind parallele Reihen hintereinander angeordneter rechteckiger Aussparungen (5) ausgestanzt, deren laterale Dimension (y) quer zur Bandrichtung ausgerichtet ist. Die Breite der Aussparungen in Bandrichtung (x) definiert den Abstand der Metallstreifen im fertigen Lot-Composit. Die Dimension (y) der Aussparungen begrenzt die maximale Bandbreite des Lot-Composits. Durch den Abstand (z) der Aussparungen wird die Dimension der Metallstreifen in Bandrichtung des fertigen Hartlot-Composits vorgegeben. Die Linien A-A' und B-B' zeigen den Schnittverlauf zur Erzeugung der Bänder nach der Plattierung an.
• 3 zeigt in Seitenansicht schematisch und beispielhaft den Auflötvorgang von Hartmetallsegmenten (7) auf einen Träger aus Werkzeugstahl (6; ausschnittsweise gezeigt). In einer automatischen Löteinrichtung (nicht gezeigt) werden simultan das Hartmetallsegment (7) und der von einem Endlosband zugeführte Abschnitt des Hartlot-Composits (1) zusammengeführt und an der vorgesehenen Stelle des Trägers (6) plaziert. Die in dem Composit eingelagerten hochschmelzenden Metallstreifen (3) verlaufen quer zur Bandrichtung. Der Bereich der Lötstelle wird induktiv bis zum Erschmelzen des Lotes aufgeheizt (nicht gezeigt). Der Lotspalt (8) wird vollständig mit Lot ausgefüllt, wobei die hochschmelzenden Metallstreifen (3') erhalten bleiben und als Abstandshalter und Spannungspuffer dienen. Am Rande der Lötstelle schmilzt das Lotband in der Trennzone zwischen zwei Metallstreifen ab und wird der nächsten Lötstelle zugeführt.

Claims (9)

1. Hartlot-Composit in Bandform mit schichtartigem Aufbau, bei dem sich in einer Lotmatrix eine Einlage aus einem höherschmelzendem Metall befindet, wobei die Einlage aus quer zur Bandrichtung und im Abstand voneinander angeordneten Metallstreifen besteht.
2. Hartlot-Composit nach Anspruch 1, wobei die Lotmatrix aus einer Standard-Hartlotlegierung, vorzugsweise der Basis-Systeme CuAg, AgCuZn, AgCuZnCd, AgCuZnMnNi, AgCuZnMnNi(Cd), und die Einlage aus Kupfer, Kupferbasislegierungen, Nickel, Nickelbasislegierungen, Silber oder höherschmelzenden Silberbasislegierungen besteht.
3. Hartlot-Composit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fertigdicke 0,2 bis 1,0 mm und die Dicke der Einlage 0,1 bis 0,6 mm beträgt.
4. Hartlot-Composit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Breite der eingelagerten Metallstreifen (in Bandrichtung gesehen) 1 bis 10 mm und die Breite der Trennzonen zwischen den Metallstreifen 1 bis 3 mm beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Hartlot-Composits gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei parallel und im Abstand voneinander angeordnete Streifen aus einem höherschmelzenden Metall beidseitig mit einer Folie aus einer Lotlegierung plattiert werden und hieraus dann Bänder geschnitten werden, bei denen die Metallstreifen quer zur Bandrichtung ausgerichtet sind.
6. Verfahren zur Herstellung eines Hartlot-Composits gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei aus einer aus Endlosband bestehenden Folie aus einem höherschmelzenden Metall in ein oder mehreren parallelen Reihen hintereinander und quer zur Bandrichtung angeordnete rechteckige Aussparungen ausgestanzt werden, hierauf dann beidseitig Folien aus einer Lotlegierung plattiert werden und hieraus schließlich entlang der seitlichen Begrenzung der Aussparungen oder parallel hierzu innerhalb der lateralen Ausdehnung der Aussparungen Bänder geschnitten werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die laterale Dimension der Aussparungen um etwa 5 mm größer als die Breite des Bandschnittes gewählt wird.
8. Verwendung der Hartlot-Composite gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Auflöten von Hartmetallteilen auf metallische Unterlagen.
9. Verwendung der Hartlot-Composite gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 als selbstdosierendes Lot in automatischen Lötvorrichtungen.