DE2053553A1

DE2053553A1 - Verfahren zum Verbinden von Metallfla chen

Info

Publication number: DE2053553A1
Application number: DE19702053553
Authority: DE
Inventors: Childress B Wethersfield Conn Gwynjun (V St A )
Original assignee: Contacts Inc
Current assignee: Contacts Inc
Priority date: 1969-11-03
Filing date: 1970-10-31
Publication date: 1971-05-13
Also published as: GB1310277A; US3667110A

Description

CONiDAGiDS INCORPORAiEED

1100 Silas Deane Highway
Wethersfield, Connecticut 6109/7.St.A.

unser Zeichen: C 2804

Verfahren zum Verbinden von Metallflächen

Die Erfindung betrifft ganz allegmein das Verbinden von Metallen und insbesondere die Verbindung von Metallen ohne dazwischen befindliches Lot-, Hartlot- oder Schweißmetall oder -legierung. In der Regel, jedoch nicht unbedingt, erfolgt die Verbindung gemäß der Erfindung auch in Abwesenheit von merklichem mechanischem Druck, d.h. ohne "Klemmkraft¹¹, wie sie zur Verbindung von Metallen nach Ultraschall- oder Wärmekompressionsmethoden erforderlich ist. Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere auf die Verbindung von Metallen oder Legierungen anwendbar, die ein Eutektikum bilden, d.h. eine Zwischen^ zusammensetzung mit niedrigerem Schmelzpunkt als eines der zu verbindenden Werkstücke. Wie sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bestimmter Ausführungsforraen ergibt, können jedoch auch Werkstücke aus kein Eutektikum bildenden Materialien (meistens

Dr.Ha^Mk

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zwei Werkstücke aus dem gleichen Metall) nach einer Plattierung verbunden werden.

Da die Erfindung nachstehend in erster Linie in Bezug auf die Herstellung zusammengesetzter elektrischer Kontakte beschrieben wird - im allgemeinen eine Stahl- oder Kupferniete mit einer Oberseite aus Silber oder einer Silberlegierung - wird hier nur der diesbezügliche Stand der Technik besprochen.

Zusammengesetzte Kontakte wurden durch Löten, Hartlöten, Schweißen, Kaltverbinden, mechanische Verbindung, eine Kombination derselben oder nach anderen Methoden hergestellt. In vielen Fällen kennzeichneten sich die erhaltenen zusammengesetzten Kontakte durch bald auftretende Fehler infolge von durch thermische, elektrolytische, mechanische oder andere Trennkräfte bewirkte Ablösungen. In anderen Fällen des Fehlverhaltens überzogen und/oder legierten sich Lot- oder Zwischenverbindungsmaterialien mit dem aktiven Material der Kontaktfläche so stark, daß Stromunterbrechungen, ein hoher Oberflächenwiderstand, Kontaktschmoren, Funkstörungen und andere unerwünschte Effekte auftraten.

Üblicherweise besteht ein aus zwei Komponenten zusammengesetzter elektrischer Kontakt aus einem Nietkörper aus Stahl oder Kupfer und einer Kontaktfläche aus Feinsilber. . Diese wird dadurch erhalten, daß man den Nietkörper in eine geeignete Halterung steckt, auf die Oberfläche der Niete genügend Lötmaterial aufbringt und darauf ein Scheibchen aus Feinsilber legt« Diese drei so angeordneten Komponenten werden dann in einer geeigneten Atmosphäre einem solohen Temperatur-Zeitzyklus ausgesetzt, dad die Komponenten

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miteinander verlötet werden.

Obwohl die Zwischenflächenverbindung des Silbers mit dem Stahl eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen kann, läßt sie doch oft in Bezug auf die elektrische und/oder thermische Kapazität und Leitfähigkeit innerhalb des Körpers viel zu wünschen übrig.

Außer daß die drei Materialien zur Herstellung der Silberarbeitsfläohe vorher in Stellung gebracht werden müssen, ist auch das erforderliche Hartlötmaterial oft teuer und erfordert eine genaue Legierungsbildung und/oder kostspielige Bearbeitung zur Erzielung einer gewünschten Form, Größe, Dicke und Zusammensetzung. Solche Löt-"Vorformlinge" werden viel verkauft. Wenn drei oder mehr Komponenten durch eine Lötung vereinigt werden sollen, müssen somit insgesamt fünf Teile in Stellung gebracht werden - z.B. eine Silberarbeitsfläche, ein Lötmaterial, ein Hauptkörper, ein zweites Lötmaterial und eine zweite Silberarbeitsfläche. Es wurde stets betont, daß vor dem Instellungbringen bei den bekannten Methoden für eine erfolgreiche Verlötung die zu verbindenden Zwischenflächen so sauber wie möglich gemacht werden müssen und zwar durch chemische, mechanische oder andere Einwirkung und daß die Teile insbesondere frei von jedem Oxid sein müssen. Diese und andere Probleme der bisherigen Technik werden durch die erfindungsgemässe Lehre vermieden.

Gegenstände der Erfindung

Ein allgemeiner Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung einer neuen und verbesserten Methode zur Verbindung von Metallen ohne die Verwendung dazwischen

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befindlicher Verbindungsstoffe.

Verschiedene andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden aus derfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich.

Beschreibung von Ausführungsformen

In ihrem einfachsten Prinzip besteht die vorliegende Erfindung in der Verbindung von zwei metallischen Werkstücken, die ein Eutektikum bilden. Keinerlei Re inigung, auBser vielleicht der Entfernung von grobem Schmutz oder Fett, sind erforderlich. Zunächst werden eine oder beide der zu verbindenden Teile ( oder Oberflächen) absichtlich oxydiert und zwar lediglich durch ausreichend langes Erhitzen in Luft. So kann beispielsweise der Oxydationszyklus von mit Silber plattiertem Kupfer zwischen fünf Stunden bei 232°C (45O⁰P) und 45 Minuten bei 538⁰C (100O⁰J?) variieren. Dann werden die zu verbindenden Flächen aneinandergelegt ( ohne daß ein Klemmdruck erforderlich ist) und die oxydierte Anordnung wird wieder erhitzt, diesmal in einer reduzierenden Atmosphäre und bei einer über der eutektischen !Temperatur, jedoch unterhalb des Schmelzpunkts jedes der beiden Werkstücke liegenden Temperatur. Ein geeigneter Zeit-Temperaturzyklus muß für jedes Materialsystem sorgfältig ausgearbeitet werden. In der Regel erhält man bei einem zu intensiven Verbindungszyklus zu viel flüssige Phase und es treten die beim Hartlöten üblichen Probleme auf. Wenn der Zyklus nicht intensiv genug ist, sind die Verbindungen schwach. Die Verbundenen Werkstücke werden dann in einer Schutzatmosphäre zur Vermeidung einer erneuten

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Oberflächenoxydation abgekühlt. Die "Intensität" eines Oxydations- oder Reduktionszyklus bedeutet das Produkt aus Zeit und temperatur.

Bemerkenswert ist, daß bei bestimmten Warmplattierungsverfahren die Werkstücke auf eine Temperatur zwischen der Rekristallisationstemperatur eines Werkstücks und dem Schmelzpunkt eines der Werkstücke erhitzt wurden, jedoch (1) eine 30 bis 50^-ige Kaltwalzverminderung zum Zusammenquetschen der Metalle erforderlich war und (2) der Plattierung ein Abbürsten mit einer Drahtbürste oder andere Reinigungsmethoden vorhergehen mussten.

Die vorliegende Erfindung umfaßt somit im wesentlichen eine Oxydation, das Instellungbringen und eine Reduktion. Die Reduktion muß natürlich die letzte Stufe bilden, die Reihenfolge der ersten beiden Stufen ist nicht wichtig, mindestens bei verhältnismässig kleinen Teilen. Da im allgemeinen nur ein Werkstück oxydiert wird, bildet dies in den meisten Fällen die erste Stufe.

Die Idee, Teile unmittelbar vor ihrer Verbindung absichtlich zu oxydieren wiederspricht jeglichem bekannten Konzept, da Oberflächenoxide lange als Hauptfaktor für schwache, abblätternde oder fehlende Verbindungen angesehen wurden. Die erfindungsgemässe Oxydation ist daher äusserst unge. wohnlich und nachstehend soll eine Erklärung oder Begründung versucht werden, ohne daß natürlich die Erfindung an irgendeine Theorie oder Erklärung gebunden ist.

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Jede metallische Oberfläche bietet in der Regel Myriadm Eemmnisse für eine erfolgreiche Verbindung. Sie ist schmutzig (Staub und Fett) sie enthält Einschlüsse (Verunreinigungen) enthält Oxide sowohl von dem Grundmetall als auch von den Verunreinigungen. Wenn das Grundmaterial ein sogenanntes filmbildendes Metall, z.B. Aluminium oder Titan ist, besitzt es überall einen Oxidfilm. Ausserdem sind an seiner Oberfläche Gase und andere Stoffe adsorbiert. In der Hegel sind gründliche Reinigungsverfahren zur Entfernung dieser Verunreinigungen erforderlich. Man nimmt an, daß die Oxydation einer Oberfläche so erfolgen muss, daß ein. sauerstoffhaltiger Stoff durch alles, was sich auf der Oberfläche befindet, einsohliesslich von Oxidfilmen, hindurchdiffundieren muss, bis das Basismetall erreicht ist. Wem das eintritt, bildet sich das Oxid. Mit fortschreitender Oxydation kann dann angenommen werden, daß die Metall-Oxidzwischenfläche von der ursprünglichen Oberfläche, die als stationär angesehen werden kann, wegwächst. Die ursprüngliche Oberfläche kann aus einem verschmutztem Metall oder einem Oxid bestanden haben, trotzdem ist das Metall an der Metall-Oxidzwischenfläche ( ursprünglich innerhalb des Metallkörpers) rein. Anders betrachtet könnte gesagt werden, daß die Oxydation alles auf der ursprünglichen Oberfläche Befindliche von dem Metall abhebt und dann das unter der Oxidschicht befindliche Metall vollständig rein ist.

Es folgt die Reduktion. Wenn die oxydierte Oberfläche einer reduzierenden Atmosphäre und einer geeigneten Temperatur ausgesetzt wird, tritt wahrscheinlich etwas anderes als eine Umkehr der Oxydation ein.

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Man ninrarfc an, daß die Oxidschicht physikalisch, d.h» die Sauerstoffatome, die Metallatome und alles entfernt werden und nicht nur eine umgekehrte Oxydationsreaktion abläuft.Mit der Entfernung der Oxidschicht wird auch die ursprüngliche, sich einer Verbindung widersetzende Oberfläche entfernt und zurück bleibt die oft angestrebte aber selten erzielte "nascierende" Oberfläche aus reinem Metall, die sehr leicht selbst im festen Zustand eine Verbindung eingeht, wenn die Werkstücke lange genug auf Temperatur gehalten werden. Man darf annehmen, daß eine solche Oberfläche, wenn sie an einer anderen anliegt, eine Diffusionsbarriere ähnlich derjenigen einer Korngrenze bildet. Unter solchen Bedingungen wird offensichtlich die Verbindung erleichtert.

Es läßt sich nur schwer sagen, ob bei der erfindungsgemässen Verbindung in der Verbindungszone stets eine flüssige Phase zugegen ist. Es ist natürlich möglich, Bindungen ohne jede flüssige Phase zu erzielen, diese sind jedoch schwächer und die Verbindungszyklen dauern langer. Zum Beispiel können Verbindungen zwischen Silber und oxydiertem, silberplattiertem Kupfer oder zwischen oxydiertem Conmet Nr. 4 (75$ Ag, 24,5# Cu, 0,5$ Ni) und nicht-oxydiertera Kupfer hergestellt werden, jedoch bei 7O4°C (1300⁰F) und bei einem dreistündigen Zyklus. Dem stehen sieben Minuten bei etwa QOO⁰C (1475⁰F) gegenüber. Aus wirtschaftlichen Gründen ist daher das mit einer flüssigen Phase arbeitende System offenbar bevorzugt. Unter den reduzierenden Bedingungen des Verbindungszyklus dürfte jedoch der nascierende Zustand der Verbindungs-

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flächen wichtiger zur Erzielung einer guten Verbindung sein als die Anwesenheit oder Abwesenheit einer flüssigen Phase. Man nimmt an, daß die Oberflächenaktivität einer solchen Oberfläche sehr hoch sein muß und daß die Fähigkeit einer solchen Oberfläche zur Eingehung einer Verbindung, sei es durch Legierungsbildung, Diffusion, Imprägnierung oder dergleichen, viel besser ist, als wenn sich die Oberfläche in einem stabilen (d.h. nicht-naecierenden) Zustand befindet.

Die Verbindungszyklen sind in der Regel so kurz, daß auf jeden Fall sich nur ein sehr dünner Flüssigkeitsfilm ausbilden würde. Bei Durchführung des Verbindungszyklus in Halterungen, die von den Werkstücken nicht benetzbar oder nicht damit legierbar sind, treten keine Probleme wie Kleben usw. auf. In der Regel werden Halterungen aus Keramik oder Kohle verwendet.

Wenn die vorstehende Theorie zutrifft, kann der Oxydations-Reduktionszyklus als eine verbesserte Reinigungmethode angesehen werden, und zwar eine, die eine echte nascierende, sich leicht verbindende Oberfläche schafft. Die vorstehend erwähnte Verwendung von ein Eutektikum bildenden Werkstücken schafft eine praktische und wirtschaftliche Methode zur tatsächlichen Verbindung. Da eine Diffusion durch die Zwischenfläche rasch erfolgt, bildet sich schnell eine kleine Menge einer flüssigen Phase aus eutektischer Zusammensetzung, fließt an Stellen, wo sich infolge von Oberflächenunregelmässigkeiten Hohlräume befinden und bildet beim Abkühlen eine verbesserte Verbindung. Gemäß der Erfindung erzielte

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Verbindungen halten in der Regel höhere Temperaturen als die Verbindungstemperatur aus, was viele in üblicher Weise verlötete Stücke ebenfalls tun. Es ist dies wahrscheinlich auf die Bildung höhersehmelzender Stoffe infolge Legierungsbildung zurückzuführen. Daß man gemäß der Erfindung tatsächlich verbesserte Verbindungen erhält, ergibt sich aus den nachstehenden Beispielen. Die dortigen Daten bezeugen dieBrauchbarkeit der Erfindung, ohne daß man an die vorstehend gegebenen Erklärungen dafür gebunden ist.

Beispiele

Als BeispMe für die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Methoden wurden zunächst Proben bestehend aus 2500 kompletten Sätzen aus Niete und Scheibchen wie folgt behandelt:

(1) Die ersten Proben aus 2500 Kupfernieten wurden sorgfältig in einer Cyanidlösung chemisch gereinigt, gewaschen, dann getrocknet und sofort in geeignete Kohlehalterungen unmittelbar auf vorher chemisch gereinigte feine Silberscheibchen angebracht.

(2) Die zweite Prüfmenge, bestehend aus 2500 Kupfernieten, wurde zunächst absichtlich in Luft 2 Stunden bei 371⁰C (700⁰P) oxydiert, dann auf feine Silberscheibchen, wie vorstehend in (1), aufgelegt.

(3) Die dritte Prüfmenge aus 2500 Kupfernieten wurde zuerst in Cyanidlösung gereinigt und dann elektrolytisch mit Feinsilber in einer Stärke von 0,0025 mm (0,0001") plattiert. Die plattierten Nieten wurden dann zwei Stunden bei 371⁰C in Luft absichtlich

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oxydiert und auf Peinsilberscheibchen wie in (1) und (2) aufgelegt.

Alle drei Prüfmengen kamen dann auf einen förderriemen eines Durchlaufofens, wobei sie in und durch die Heizzone und Kühlzone dieses Ofens mit der gleichen linearen Geschwindigkeit von 30 cm/Minute bewegt wurden. Die Heizzone dieses besonderen Ofens war 91 cm ( 36 ^M) und die Temperatur wurde auf 866 + 3°0 (1590 + 5⁰J¹) eingestellt. Die umgebende (reduzierende) Atmosphäre bestand aus dissoziierten] Ammoniak ( NH,) mit einem Taupunkt von -45,6⁰C (-50⁰P). Die Gesamtzyklusdauer von der anfänglichen Anbringung bis zur Wanderung durch den Ofen und Austritt in die Kühlzone nach der Abkühlung betrug 12 Minuten.

Bei der Prüfung zeigte sich, daß keines der Kupfer- und Silberteile aus der ersten (nicht-oxydierten) Prüf menge zusammengeschweißt war. Etwa 30 der 2500 Kupfernieten hafteten anscheinend an den Silberscheibchen, trennten sich jedoch rasch wenn man sie in eine Schale fallen ließ.

Die voroxydierten Kupfernieten aus der Menge (2) ergaben eine bleibende Vereinigung von etwa 88?έ (2216) der ursprünglichen 2500 Proben. Die verbundenen Silberscheibchen konnten von den Kupfernieten durch Quetschen (Deformierung) in einem Schraubstock nicht getrennt werden, bis sie weniger als 50# ihres ursprünglichen Durchmessers aufwiesen; sie trennten sich auch nicht bei Anwendung eines Meißels, oder beim Flachdrucken ihrer Kanten. Die Verbindungen dieser Prüfmenge waren gleich, wenn nicht sogar fester, als eine normale mit Silberlöt-

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mittel hartgelötete Verbindung.

Bei der Prüfmenge (3) ( 2 Stunden voroxydiertes Kupfer rait einer 0,0025 mm dicken Silberplattierung ) waren 2496 von 2500 Silberscheibohen fest und bleibend mit den Kupfernieten verbunden. Mechanische Prüfungen, einschliesslich der Anwendung eines Meißels, eines Schraubstocks und einer Abflachung mittels eines Hammers zeigten, daß die Silberscheibchen unmöglich von den Kupfernieten zu trennen waren. Scherungstests ergaben höhere Werte als man sie mit in üblicher Weise mit einem Silberlötmittel hartgelöteten Anordnungen erzielt.

Als weiterer Test wurden die 2500 nicht-verbundenen Kupfernieten aus der Prüfmenge (1) dann mit einer 0,0025 mm dicken Silberplattierung versehen und zwei Stunden in Luft bei 371⁰C (700⁰F) oxydiert, worauf man sie den gleichen Ofen bei der ursprünglichen Förderbandgeschwindigkeit von 30 cm/Minute in diisoziiertem Ammoniak bei der ursprünglichen Temperatur von 866⁰C (159O⁰F) durchlaufen ließ. Bei der Prüfung zeigte sich, daß jetzt 2486 Teile in zufriedenstellender Weise verbunden oder verlötet waren.

Bei den folgenden Tests wurden die folgenden Metalle und Legierungen erfolgreich mit oxydierten, silberplattierten Kupfernieten verbunden:

MünzBÜber	Fe
	Ni
Sterlingsilber	5$> Cu,
9O?6'Ag, 105έ	Ag
90$ Ag, IO96	Mo
75?έ Ag, 24,
40$ W, 6Ο96
50$ Ag, 50$

Ni

Ag, 105έ CdO 109820/U50

Die zur erfolgreichen Verbindung dieser Stoffe angewendeten Erhitzungszyklen sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben. In allen Fällen waren die Verbindungen 100^-ig annehmbar. In allen Fällen wurden die Kupfernieten zunächst entfettet, Peinsilber wurde in einer Stärke von 0,0025 mm aufplattiert und man oxydierte zwei Stunden in Luft bei 357 - 385°C (675 - 725⁰P). Die Nieten wurden in Halterungen auf vorher dort angeordnete Scheibchen aus dem angegebenen Metall oder der Legierung angeordnet. Die Ofenatmosphäre war entweder^ Wasserstoff oder dissoziierter Ammoniak. Drei öfen wurden zur Durchführung der Tests verwendet, wovon jeder eine unterschiedliche Leistung und Länge der Heiz- und Kühlzone aufwies, so daß sich für jeden Ofen verschiedene Zyklen ergaben. Die Ofeneigenschaften sind in Tabelle II angegeben.

Tabelle I - Erhitzungszyklen

Kontakt- Ofen A Ofen B Ofen C

oberflä- Temperatur Riemen- Temperatur Riemen- Temperatur Riemen-

chenmat. geschw. geschw. geschw.

Peineil- 804-816°C 20 cm

DoZr ö 5ί.··ο ^o U b>27 OTB

843-871⁰C 31,5 cm

877-882 38 cm

832-8 38"C

20 cm 832-838"0 25 ca 22,5 cm 843-87KC 30 ca ,_n„ 25 cm 882-888⁰C 32,5 ca 899-910⁰C 30 cm 893-921 C 35 ca

860-87 KC 877-893?C

Münz-u. 804-816„C Ster- 832-838⁰C lingsil- 843-871⁰C ber

22,5 cm 832-838"c 22,5 cm 832-838"0 25 ca 27,5 cm 860-871⁰C 24om 843-871⁰C 31,5 em 32,5 cm 877-893 C 26,5 cm 882-888°C 34,5 ca

Conmet
17

788-804"C 807-816⁰C

22,5 cm 25 cm

788-80433 807-816⁰C

24 cm

25 ca

788-80433 27,5 CB

-O₁

810-816^wC 32,5 »o

Cossets
ir.20-30-37 ir.42-43-44 Mr.45-68-80 Έτ.81-84-86

gleich trie Peinsilber

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Conmets Hr.61 & 62

827-838^üC 22,5 cm 832-841"θ 24 cm 838-86O"C 25 era 849-86O⁰C 25 cm 849-862⁰C 25 cm 866-877 C 27,5 cm

Conmets Hr. 71 & 72

801-81 (TC 793-801⁰C

25 cm 801-810°C 25 cm 816-827°C 27,5 cm 32,5cm 793-801⁰C 30 cm 799-810⁰C 32,5 cm

Tabelle II - Ofeneigenschaften

Ofen

Hersteller

Typ

Durchsatz

Riemenbreite

A B C

C.I. Hayes BAL-M 30-3/Stunde Sargent & Wilbur CAW-030288 8-1/ " Sargent & Wilbur CEW-3212 4,5-1/"

15 cm 7,5 cm 9 cm

Das Verständnis der Erfindung wird durch die Betrachtung einer anderen Verbindung als bei dem Silber-Kupfersystem erleichtert. Kupfer kann mit Kupfer verbunden werden, vorausgesetzt, daß mindestens ein Werkstück in der Verbindungsfläche silberplattiert ist und mindestens ein Werkstück unplattiert ist. Die Verbindung erfolgt in Wasserstoff oder dissoziiertem Ammoniak während 5-30 Minuten in einem Temperaturbereich von 538 - 1010 C (1000 - 185O⁰P). Interessant ist, daß die Intensität des Verbindungszyklus ( Produkt aus Zeit und Temperatur) proportional zu dem Gesamtvolumen zur Erzielung optimaler Verbindungen zu sein scheint. Der Grund hierfür ist nicht bekannt.

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Kupfer oder Silber können leicht gemäß der Erfindung mit nickelplattiertem Stahl nach verschiedenen Methoden verbunden werden. Bevorzugt wird der nickelplattierte Stahl versilbert oder verkupfert und dann 45 - 90 Minuten in Luft bei 343 - 482⁰C (650 - 900⁰F) oxydiert. Andererseits können auch Verbindungen zwisohen Silber und nickelplattiertem Stahl erhalten werden, indem man zuerst das Silber verkupfert und dann dieses Stück zwei Stunden bei 343 - 427°C ( 650 - 80O⁰F) oxydiert. Obwohl die vorstehenden Methoden bevorzugt sind, wurden doch auch die folgenden Materialien sowohl mit nickelplattiertem als auch mit nicht-plattiertem, absichtlich oxydiertem Stahl verbunden? oxydiertes Kupfer, oxydiertes Sterlingsilber, Münzsilber und Conmet Kr. 4. Silber-Kadmiumoxidlegierungen (85/15) und 90/10) wurden mit oxydiertem Kupfer, silberplattiertem Kupfer (ebenfalls oxydiert) und nickelplattiertem Stahl, der anschliessend kupferplattiert, silberplattiert und ein bis zwei Stunden bei etwa 400⁰C (75O⁰F) oxydiert wurde, verbunden. Bei der Verbindung von Silber mit Kupfer hat sich gezeigt, daß die Silberplattierung auf dem Kupfer mit guten Ergebnissen durch eine Zinnplattierung ersetzt werden kann. Es existieren natürlich viele Silber-Zinnlötlegierungen, das erklärt jedoch nicht die günstigen Effekte einer absichtlichen Oxydation, gefolgt von einer Verbindung in einer reduzierenden Atmosphäre. Ein anderes dem Hartlöten sehr ähnliches System verbindet nickelplattierten Stahl mit Wolfram. Der plattierte Stahl wird kupfer- und silberplattiert und dann oxydiert. Bei der Verbindung bildet sich eine Ag-Cu-Ki-Legierung, die fest haftet, jedoch nicht merklich sich mit einem der Werkstücke legiert.

Verbindungen mit Aluminium, einem Metall mit einer natürlichen Oxidschicht, können wie folgt erhalten werden:

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Zur Verbindung von Silber mit Aluminium soll das Silber kupferplattiert und oxydiert werden. Zur Verbindung von Kupfer mit Aluminium soll das Kupfer silberplattiert und oxydiert werden (30 Minuten bei 316⁰C (600⁰P) waren ausreichend). In jedem der beiden Systeme wurden auch Verbindungen erzielt, indem man das Aluminium silber- und kupferplattierte und das plattierte Stück 2 Stunden bei 232⁰C (45O⁰P) oxydierte. Die Verbindungszyklen waren die gleichen wie vorstehend angegeben, jedoch muß darauf geachtet werden, den Schmelzpunkt des Aluminiums nicht zu überschreiten.

Bei weiteren Tests ergaben aus drei Metallkomponenten, nämlich Peinsilber auf·Kupfer auf Peinsilber bestehende Kontakte leicht und reproduzierbar 100?6-ig annehmbare Verbindungsfestigkeiten.

Obwohl vorstehend festgestellt wurde, daß ein oder beide Werkstücke vor der Verbindung oxydiert werden können, empfiehlt es sich doch in gewissen Fällen beide zu oxydieren. Jedoch muß dann die Menge des gebildeten Oxids klein gehalten werden, d.h. man wendet kürzere (oder weniger intensive) Oxydationszyklen an. Bei der Verbindung von Silber-Kadmiumoxidlegierungen mit Kupfer empfiehlt es sich das Kupfer zu versilbern und zu oxydieren und das Ag/CdO zu verkupfern und zu oxydieren. Es ergibt dies festere Verbindungen und zwar wahrscheinlich weil das CdO selbst während des Reduktionszyklus langsamer reduziert wird.

Ein anderer Vorteil der Erfindung ist der folgende: Beim Hartlöten mit üblichem Lötmittel liegt die Gesamtdicke zusammengesetzter Teile zwischen 0,0015" bis 0,005" höher als diejenige der ursprünglichen Komponente, und zwar infolge von Änderungen der Pließ-

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eigenschaften der Hartlötmaterialien plus ihrer Netz- und/oder Legierungswirkungen mit den Komponenten, welche sie verbinden. Wie bis jetzt festgestellt werden konnte, variiert die Dickezunahme bei Anwendung der erfindungsgemässen Methoden stets um weniger als höchstens 0,025 mm ( 0,001").

Ferner zeigen sorgfältig durchgeführte Querschnitte, daß die nach dem erfindungsgemässen Verfahren gebildete ψ Zwischenflächenverbindung 95-1005ε beträgt, während bei dem normalen Hartlöten mit Lötlegierungen zahlreiche kleine Hohlräume verbleiben; eine übliche Hartlötung wird als annehmbar angesehen, wenn 70-80$ der aneinandergrenzenden Zwischenfläche verlötet sind. Die aussergewohnliche elektrische und mechanische Festigkeit und sowohl Wärmeleitfähigkeit als auch elektrische Leitfähigkeit, die man erzielt, sind ausgeprägte Vorteile gegenüber gewöhnlichen Hartlötmethoden.

Obwohl die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf die Herstellung zusammengesetzter Nietkontakte b beschrieben wurde, kann sie natürlich auch auf die Herstellung von Schrauben und BuckelschweiBkontakten, etreifenförmigen Materialien, Eineätzen, Auflagen, BeSchichtungen, Kantenverkleidungen, im Abstand befindlichen Kontakten auf Blechen ( zum anschlieseenden Stanzen und Formen) Drähten, Dioden und zur Verbindung von keramischen Materialien und Metallen angewendet werden. Im letzteren Fall wird ein keramischer Isolator mit Silber verkleidet, indem man eine anraoniakalloche Silberaitratlösung auf 66⁰C (150⁰F) erwärmt und dann Formaldehyd oder Ameisensäure zugibt. Sie Verkleidung

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wird bei 704 - 76O⁰O (1300-HOO⁰F) gesintert und das * Ganze wird dann in einer Stärke von 0,025 mm (0,001") verkupfert. Das Kupfer wird zwei Stunden bei 482⁰C (90O⁰F) oxydiert und die Verbindung erfolgt dann gemäß der Erfindung.

Der hier verwendete Ausdruck "nominell sauberes" Metall bedeutet ein Metall, von welchem die groben Oberflächenverunreinigungen entfernt wurden, das jedoch nicht unbedingt einer chemischen, mechanischen, Ultraschallreinigung oder anderen Reinigungsmethoden, wie sie bei den bisherigen Verfahren erforderlich waren, unterworfen wurde. Der Ausdruck " nebeneinander" bedeutet, daß die Werkstücke über die zu verbindende Fläche sich in Oberflächenkontakt befinden, ohne daß unbedingt ein Klemmdruck angewendet zu werden braucht (natürlich sind in vielen Fällen die Werkstücke nicht selbsttragend, weshalb sie eine gewisse Einspannung benötigen, um sie nebeneinander zu halten).

Die Erfindung kann weitgehende Abänderungen erfahren, ohne daß dadurch ihr Rahmen verlassen wird.

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Claims

Patentansprüche

M./Verfahren zum Verbinden metallischer Oberflächen durch Erhitzen dieser nebeneinander befindlichen Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eine der Oberflächen anfänglich durch Erhitzen in einer freien Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre oxydiert und dann eine für das gebildete Oxid reduzierende Atmosphäre während des Erhitzens der nebeneinander angeordneten Oberflächen vorsieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Erhitzung zur Verbindung der Oberflächen ausreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbin-denden Oberflächen sich auf einem Werkstückpaar befinden und diese Werkstücke aus Metallen, metallisierten und/oder plattierten Keramiken bestehen,

4. Verfahren naoh Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eines der Werkstücke ein Metallkörper mit einer nicht über 0,0025 mm (0,0001") dicken Plattierung eines zweiten Metalls auf mindestens einer Seite seiner Oberflächen besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das andere Werkstück aus diesem zweiten Metall besteht.

6. Verfahren naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß das erste und das zweite Werkstück aua ein Eutektikum bildenden Metallen bestehen und dass die Erhitzung bei einer Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur jedoch unterhalb des Schmelzpunkts beider Metalle durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Werkstück eine nicht über etwa 0,0025 mm (0,0001") dicke Metallplattierung oder mehrere solcher Plattierungen trägt und die Oberfläche eines Werkstücks eich mit der Oberfläche des anderen Werkstücks während der Verbindung legieren kann.

8. Verfahren zur Verbindung nominell sauberer Metalle, die ein erstes und ein zweites Werkstück bilden, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eines der Werkstücke in einer freien Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre so lange und bei einer zur Bildung eines Oxidüberzugs ausreichenden Temperatur erhitzt, das erste und das zweite Werkstück an der gewünschten Verbindungsfläche nebeneinanderlegt, das erste und das zweite Werkstück in einer für das Oxid reduzierenden Atmosphäre und bei einer solchen Temperatur erhitzt, daß sich eine kleinere Menge einer flüssigen Phase in der Verbindungsfläche bildet, daß diese zweite Erhitzung zur Bildung einer Verbindung zwischen den Werkstücken ausreicht und daß man dann die verbundenen Werkstücke in einer eine erneute Oxydierung verhindernden Atmosphäre abkühlt.

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-' 20 -

9« Terfahren naoh Anspruoh 8, dadurch gekennzeichnet,« daß die Werkstücke aus ein Eutektikum bildenden verschiedenen Metallen bestehen und die zureite Erhitzung bei einer Temperatur unterhalb des Sohmelz-r punkte Jedes dieser Werkstücke, jedoch oberhalb der eutektischen Temperatur des von ihnen gebildeten binären Systems erfolgt und daß die flüssige Phase nur in der gewünsohten Terbindungsfläohe gebildet wird.

10. Terfahren naoh Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,

daß eines der Werkstücke, mindestens an der gewünschten Terbindungsfläohe mit einem dünnen Überzug des Metalle des anderen Werkstücks Vor der Oxydationsetufe versehen wird.

11. Terfahren naoh Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eines der Werkatüoke aus Kupfer oder einer hochprozentigen Kupferlegierung besteht und daß die erste Erhitzung in Luft mit einer zwei Stunden bei einer Temperatur von etwa 371⁰O (700⁰F) entsprechenden Intensität erfolgt.

12. Terfahren naoh Anspruch 11» dadurch gekennzeichnet, daß das andere Werkstück Silber oder eine Silberlegierung ist und daß das Kupferwerkstüok zusätzlich , mit einem dünnen überzug aus Silber vor der Oxydation Überzogen wird. ; ι

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13· Terfahren zum Verbinden eines ersten und zweiten Werkstückes, wobei das erete aus Kupfer, Nickel, Eisen oder aus Legierungen iron Kupfer, Nickel und Eisen und das zweite WerketUok aus Silber oder einer

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Silberlegierung besteht, dadaroh gekennzeichnet, dais ι η das erste Werkstück in einer freien Sauerstoff .rthaltenden Atmosphäre hie zur Bildung eines Oxidüberzugs darauf bei einer geeigneten Temperatur erhitzt, das erste und das zweite Werkstück über die gewünschte Verbindungsfläohe aneinanderlegt, die Werkstücke in einer für das gebildete Oxid reduzierenden Atmosphäre bei einer !Temperatur zwischen etwa 760 und 871⁰O ( 1400 und 1600⁰P) erhitzt, wobei diese zweite Erhitzung bis zur Verbindung der Werk- * stücke zu mindestens 90# der Zwischenflächen dauert und daß man die verbundenen Werkstücke in einer eine erneute Oxydation verhindernden Schutzatmosphäre abkühlt.

14· Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß man das erste Werkstück mit einer etwa 0,0025 mm (0,0001") dicken Silberplattierung vor der Oxydation versieht.

15. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet,

daß die Oxydation durch Erhitzen in Luft mit einer i Intensität von etwa awei Stunden bei 371⁰O ( 700⁰P) durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück aus Eisen oder Stahl besteht und daß mindestens die gewünschte Verbindungsfläche vor der Oxydation mit Nickel platti'-v. wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gskaim&eiohnet,

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dafi das nickelplattierte Werkstück vor der Oxydation noch mit Silber oder Kupfer plattiert wird.

16. Verfahren zum Verbinden eines hochschmelzenden metallischen Werkstücks mit einem zweiten metallischen Werkst üok, dadaroh gekennzeichnet, daß man mindestens an den Verbindungsflächen zwei aufplattierte Metallschichten vorsieht, die unter den Verbindungsbedingungen eine Legierung bilden können, daß man mindestens eines der Werkstücke in einer freien Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre bis zur Bildung eines Oxidüberzugs erhitzt, die Werkstücke an der gewünschten Verbindungsfläche aneinanderlegt, in einer für das Oxid reduzierenden Atmosphäre mit einer solchen Intensität erhitzt, daß sich die Schichten legieren und daß man dann die verbundenen Werkstücke in einer Schutzatmoaphäre abkühlt.

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