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Lotlegierung Die Erfindung betrifft eine Lotlegierung zum Verbinden
von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus anderen Metallen.
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Hartstofflegierungen bestehen aus Hartstoffen, wie Boriden, Siliziden,
Nitriden, vornehmlich Karbiden und Mischkarbiden der Metalle Titan, Chrom, Vanadium
und Wolfram und einem Bindemetall, wie Stahl oder Eisen, Nickel-, Kobalt-, Kupfer-Verbindungen
und werden durch Pressen der pulverförmigen Komponenten und Sintern der Preßlinge
bei etwa 1050 bis 1150°C hergestellt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Lots zur
Verbindung von Teilen aus Hartstofflegierungen, die nach dem Löten zur Härte steigerung
noch einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Dazu muß die Löt-Temperatur (Schmelzpunkt
des Lotes) so hoch liegen und die Festigkeit des Lotes so stark sein, daß eine nachfolgende
Wärmebehandlung der gelöteten Teile aus der Hartstofflegierung bei 1100 bis 1150
0C ohne Beschädigung und Beeinträchtigung der Lötverbindung möglich ist, Die Löt-Temperatur
darf andererseits nicht so hoch liegen, daß bei Hartstoff-Stahl-Kombination ein
übermäßiges, nicht regenerierbares
Kristallwachstum im Gefüge der
Werkstoffe der zu lötU n Teile eintritt.
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Aus dem gleichen Grund soll die Diffusion des Lotes in die Oberfläche
der zu verbindenden Teile schnell ablaufen. Die Temperatur zum Wiederaufschmelzen
des Lotes soll höher liegen als die Löttemperatur. Außerdem müssen sich die Lötnaht
und die Diffusionszonen einwandfrei zo B. durch Fräsen, Hobeln, Drehen, Bohren,
bearbeiten lassen. Der Ausdehnungskoeffizient muß nahe bei dem der zu verbindenden
Teile liegen, um einen zu großen Verzug bei der Wärmebehandlung nach dem Löten zu
vermeiden.
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Die Korrosionsbeständigkeit der zu verbindenden Hartstoffe oder Stahl-Hartstoff-Kombination
darf nicht eingeschränkt werden.
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Zum nicht lösbaren Verbinden von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander
oder mit Teilen aus Stahl oder anderen Metallen sind folgende Verfahren bekannt:
a) Aufeinanderlegen blank geschliffener Teile aus gesinterten Hartstofflegierungen
und Erwärmen im Vakuum unterhalb der Sintertemperatur der Hartstofflegierung. Es
entsteht dabei eine Diffusionsverbindung zwischen den Teilen. Nachteil dieses Verfahrens
ist, daß Unebenheiten der Oberflächen nicht zu vermeiden sind und sich daher die
Oberflächen der Teile nicht auf genügend großen Abschnitten bet 'thren, sO daß keine
vollständige Diffusion an der Oberflächenebene de aufeinanderliegenden Teile eintritt.
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b) Verwendung von Hochtemperaturloten, z. B. solchen auf der Basis
2 bis 8 % Mangan, 10 bis 20 % Nickel, 72 bis 88 <Yo Kupfer oder 60 bis 65 % Nickel,
20 bis 30 % Mangan, 1 bis 2 % Silizium und bis 15 % Kupfer. Die Schmelz bereiche
dieser Lotlegierungen, meist in Formen von Folien oder Bändern herstellbar, liegen
zwischen 11800C und 12600C.
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z.B. des Nachteilig ist hier, daß Teil-Verdampfung der Lotlegierung,
Mangan, beim Löten unter Vakuum entsteht, wodurch das Lot schlecht fließt.
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Das Ergebnis sind sehr harte, dadurch schlecht bearbeitbare Diffusionsschichten
zwischen den Teilen.
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c) Das Löten mit Pasten und Pulvern auf der Basis Chrom-Nickel-Bor-Silizium.
Der Schmelzbereich dieser Lote liegt zwischen 1120 0C bis 1180°C, je nach der Höhe
des Bor- bzw. Siliziumgehaltes.
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Nachteilig ist das Auftreten von großen Poren in der Lötzone, die
den Zusammenhalt beeinträchtigen und schlechte Bearbeitbarkeit der durch Boride
verhärteten Diffusionszonen. Das Aufbringen des Lotes durch Aufstreichen der meist
mit gelöstem Kunststoff hergestellten Pulver-Pasten mit anschließendem Trockenprozeß
ist umständlich.
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d) Die Benutzung reiner Kupferfolien oder Preß- bzw. Sinterkörper
aus Kupferpulvern, die bei ca. 1100°C schmelzen. Nachteilig ist, daß der Schmelzbereich
zu niedrigliegt, dadurch erweicht die Lötnaht bei nachfolgender Wärmebehandlung
und bricht wegen zu geringer Festigkeit. Außerdem ist der Unterschied in der Wärmeausdehnung
zwischen Kupfer und Hartstofflegierung zu groß, wodurch starker Verzug beim Härten
eintritt.
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e) Die Verwendung von palladium- und goldhaltigen Loten ist für die
Lötung großflächiger Bauteile wegen des hohen Preises unwirtschaftlich.
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f) Die vielen bekannten Lote unterschiedlicher Legierungen mit Schmelzpunkten
unter 1100°C scheiden für die Lötung von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander
oder mit Teilen aus Stahl aus den schon geschilderten Gründen aus.
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Es wurde gefunden, daß sich Kupfer-Nickel-Legierungen hervorragend
zur Vakuumötung von Hartstofflegierungen, die bearbeitbar und durch eine Wärmebehandlung
in ihrer Härte erhöht werden können, eignen.
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Nickelgehalte von 10 bis 50 % Kupfer, vorzugsweise 15 bis 25 % Nickel
in Kupfer ergeben ausgezeichnete Lötungen von Teilen aus Hartstofflegierungen ohne
irgendwelche Nachteile.
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Folgende Schmelzbereiche bzw. Lötbereiche wurden für die einzelnen
Lot-Zusammensetzungen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs ermittelt.
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90 % Kupfer - 10 % Nickel 1115 bis 11600C 85 % " - 15 % " 1120 bis
11700C 80#% " - 20 % " 1140 bis 11800C 75 % " - 25 % " 1160 bis 12000C 70 % " -
30 % " 1180 bis 12300C 67 % " - 33 % " 1180 bis 12400C 60 % " - 40 % " 1200 bis
12500C 50 % " - 50 % " 1240 bis 12900C.
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Für den vorgesehenen Zweck muß aus dem erfindungsgemäßen Bereich die
Lotlegierung genommen werden, deren Schemlztemperatur deutlich über der Temperatur
liegt, die bei der nachfolgenden Härtungsbehandlung auftritt, damit das Lot nicht
wieder aufschmilzt und die Teile auseinanderfallen. Aus der obigen Aufstellung ergibt
sich, daß Kupferlegierungen mit weniger als 10 % Nickel aufgrund ihres zu niedrigen
Schmelzbereichs ungeeignet sind, weil nicht sichergestellt ist, daß bei der auf
das Löten folgenden Härtungsbehandlung, bei der Temperaturen bis 1100 0C auftreten
können, die Lotlegierung nicht wieder aufschmilzt. Lotlegierungen mit
mehr
als 15 % Nickel sind daher vorzuziehen.
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Eine Lotlegierung aus Kupfer mit mehr als 50 % Nickel ist ebenfalls
für den erfindungsgemäßen Zweck ungeeignet, weil beim Löten mit solchen Legierungen
eine zu hohe Löttemperatur gewählt werden muß, bei der Kristallwachstum und Grobkornbildung
auftritt, welche die zu lötenden Teile spröde und brüchig werden läßt.
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Überraschend ist, daß die üblichen Verunreinigungen z. B. von Eisen.
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Silizium, Mangan, Chrom usw. bei Gehalten von weniger als 1 % keinen
negativen Einfluß auf die Lötung haben und ohne jede Löthilfe wie Borax etc. einwandfreie
Verbindungen entstehen.
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Verwendet werden vornehmlich kaltgewalzte Cu/Ni-Folien in den Stärken
von 0, 03 bis 0,20 20mm, die in Form von Bändern vorliegen und aus denen die notwendigen
Maße ausgeschnitten werden.
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Die Lötvorbereitungen und die Lötung selbst gehen wie folgt vor sich:
Beispiel 1 Für eine Stahldüse wird ein Hartstoffkörper aus 33 Gew.-% Titankarbid
und Rest einer Stahlmatrix, bestehend aus 0, 95 % Kohlenstoff, 1 % Mangan, 17 %
Chrom, 3 % Molybdän, 0, 8 % Kupfer, 0, 02 % Bor, 0, 5 % Vanadium, Rest Eisen in
den Abmessungen 120 mm ~ x 80 mm f bei einer Länge von 700 mm benötigt. Diese Länge
unter Einrechnung von 25 % Schwund beim Sintern ist preßtechnisch über isostatisches
Pressen zwar zu erstellen, würde sich jedoch bei Auftreten der flüssigen Phase beim
Sintern stark deformieren. Es bleibt nur der Ausweg, zwei bereits gesinterte Rohlinge
von 350 mm Länge durch Löten zu verbinden. Zu diesem Zweck werden die zu verbindenden
Flächen glatt und plangeschliffen mit
einer Rauhigkeit von ca. 5
bis 10 mm -zur besseren Haftung des Lotesgut entfettet und nach Aufbringen einer
ringförmigen geschnittenen Kupfer-Nickel-Folie aus 75 % Kupfer 25 % Nickel aufeinandergestellt.
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Die Lötfolie steht an den Außen- und Innenrändern um ca. 1 mm über,
um eine vollkommene Ausfüllung des Spalts zwischen den Teilen mit Lot sicherzustellen.
Die Teile werden nun mit austenitischem oder kohlenstoffreiem Draht umwickelt, um
ein Verrutschen zu verhindern.
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So vorbereitet, gelangen die Teile in den Vakuumofen. Eine durch Zirkonoxid
isolierte Graphitplatte dient als Auflage. Nach Evakuieren auf ca. 2 ~ 10 Torr wird
der Ofen in ca. 60 min auf 11000C aufgeheizt. Unter Beobachtung der überstehenden
Lötfolie durch ein Fenster wird die Temperatur bis zum Schmelzen des Lotes weiter
gesteigert.
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Nach einer Haltezeit von 5 bis 10 min zur Diffusion des Lotes bei
Steigerung der Temperatur im Ofen auf 11800C wird der Heizstrom abgeschaltet. Einer
normalen Kühlung in ca. 30 min auf ca. 950°C folgt eine beschleunigte Kühlung durch
Einleiten von Stickstoffgas in den Ofen. In ca. 4 bis 6 Stunden, je nach Größe des
Volumens der zu lötenden Teile ist der Lötvorgang beendet. Das gelötete Teil ist
infolge schneller Abkühlung im Ofen luftgehärtet mit einer Härte von etwa 68 bis
70 HRc.
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Zur mechanischen Bearbeitung wird es einer normalisierenden Crliihbehandlung
auf ca. 43 bis 45 HRc unterzogen. Jetzt kann die rohe Stahldüse durch Drehen auf
die vorgeschriebene Abmessung bearbeitet werden.
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Dieses bereitet keine Schwierigkeiten. Die Kupfer -Nickel-Lotlegierung
ist vollkommen in die beiden Hartstofflegierungsteile eindiffundiert.
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Eine Legierung des Lots mit der genannten Stahlmatrix aus Chrom Molybdän-Eisen
erfolgt ohne einen zusätzlichen HärtJ e+ISekt. Eine Lötfuge ist nicht mehr sichtbar,
da die dünne Folie nach dem Aufschmelzen beim Löten restlos in die zu lötenden Teile
eindiffundier t ist. Dies wird angestrebt, um weiche Fugen in einem Verschleißteil
zu vermeiden.
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Nach der Fertigbearbeitung der Strahldüse erfolgt die Härtung bei
1100 C im Vakuumofen auf 70 bis 72 HRc. Da der Verzug dieser Hartstofflegierung
minimal ist, kann der Einsatz der Düse nach dieser Blankhärtung ohne weitere Bearbeitung
sofort erfolgen.
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Beispiel 2 Die Schneidstempel für einen Rotor-Statorschnitt sollen
verschleißfester gestaltet werden als bei den bekannten 12 %igen Chromstählen üblich.
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Die Ausführung der Stempel ganz aus härtbarer Hartstofflegierung wäre
zu teuer. Es ist deshalb günstiger, den Stempel aus Stahl mit einer Auflage aus
einer Hartstofflegierung zu versehen, um so auch die auf den Stempel wirkenden hohen
Druckkräfte aufnehmen zu können, Zu diesem Zweck wird eine Platte aus 12 %igem Chromstahl
von ca.
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60 mm Höhe, 60 mm Breite und 250 mm Länge auf einer Seite plangeschliffen
(Rauhigkeit 3 bis 8 mm) und gut entfettet. Eine Kupfer-Nickelfolie (85 % Kupfer,
15 % Nickel) in einer Stärke von 0, 06 mm -ebenfalls gut entfettet- wird aufgelegt,
so daß ca. 1 mm Lotrand übersteht. Darauf wird eine ebenso vorbereitete gesinterte
Platte aus einer Hartstofflegierung aus 34, 5 % Titankarbid, Rest Stahlmatrix, bestehend
aus 0, 65 (yo Kohlenstoff, 3 OJo Chrom, 3 % Molybdän, 1 % Kupfer, 0, 02 % Bor, Rest
Eisen und den Maßen 30 mm hoch, 60 mm breit, 250 mm lang aufgebunden. Die so verbundenen
Teile werden, wie im Beispiel 1 beschrieben, in den Vakuumofen eingebracht und bis
11000C bei 2 10#2 Torr erwärmt. Das Schmelzen des Lotes tritt jetzt etwas eher als
im Beispiel 1 ein. Bei 11500C wird der Ofen nach 6 min Haltezeit zwecks vollständiger
Diffusion abgeschaltet und, wie im Beispiel 1 beschrieben, weiter abgekühlt. Eine
normalisierende Glühung bringt den jetzt entstandenen Verbundkörper aus Stahl und
Hartstofflegierung in einen bearbeitbaren Zustand. Trotz der niedrigen Löttemperatur
zeigt sich
ein gewisses Kristallwachstum des 12 zeigen Chromstahls.
Dieses ist jedoch infolge der kurzen Lötzeiten durch die Glühung zu regenerieren.
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Aus dem vorliegenden Verbundkörper werden jetzt auf einer Bandsäge
zunächst Platten in der Stärke der Schneidstempel und aus diesen die Konturen der
eigentlichen Stempel herausgesägt. Bei dieser Operation zeigt sich besonders, wie
vorteilhaft das nicht zusätzlich härtende Kupfer-Nickel-Lot zu bearbeiten ist. Die
kombinierten Schneidstempel werden durch Hobeln, Fräsen und Schleifen in die richtige
Form gebracht mit einem Aufmaß von 0, 03mm pro Seite. Anschließend wird aus dem
Salzbad in Öl auf 70/72 HRc gehärtet und auf Fertigmaß geschliffen.
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Dabei erhält der Stahlteil eine Härte von 63 HRc. Alle diese Operationen
überstehen die Lötnähte einwandfrei. Auch hier gilt, möglichst fugenlose Übergänge
vom Hartstoff zum Stahl zu schaffen, um stärker verschleißende Stellen und Bruchanfälligkeit
auszuschalten.
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Dünne Stempel aus Hartstofflegierungen können mit den genannten Nickel-Kupferloten
auch durch induktive oder elektrische Widerstandserwärmung in Verbindung mit leichtem
Druck mit entsprechenden Stählen verbunden werden. Die Lötung an Luft ist trotz
Verwendung von Lötpasten nicht ideal, besser wird unter Schutzgas oder innerhalb
einer Vakuumröhre gearbeitet.
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Die Vorteile bei Verwendung der erfindungsgemäßen Lotlegierung für
das Löten von Teilen aus Hartstofflegierungen untereinander oder mit Teilen aus
anderen Metallen, insbesondere Stahl, liegen darin, daß eine schnelle Diffusion
der Lotlegierung in die Oberfläche der zu verbindenden Teile stattfindet, wobei
praktisch keine Fugenbildung auftritt, daß eine Härtung der Diffusionszonen im gelöteten
Bereich z0 B0 aufgrund des Entstehens harter intermetallischer Phasen nicht eintritt,
die
gute Bearbeitbarkeit der gelöteten Teile sichergestellt ist, keine negative Beeinflussung
der Korrosionsbeständigkeit der zu lötenden Teile auftritt, beim Löten keine zu
Poren führende Verdampfung von Bestandteilen der Lotverbindung im Vakuum stattfindet,
trotz niedriger Löttemperaturen eine hohe Festigkeit der Lotverbindung festzustellen
ist, daß infolge höherer Aufschmelztemperaturen nach dem Löten infolge eingetretener
Legierungsbildung des Lotes mit den gelöteten Teilen keine Gefahr des Aufschmelzens
der Lotlegierung bei der nachfolgenden Härtebehandlung besteht, und daß schließlich
die erfindungsgemäße Lotlegierung einen im Verhältnis zu Hartstofflegierungen und
auch Stahl günstigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
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Die erfindungsgemäße Lotlegierung ist zum nichtlösbaren Verbinden
von Teilen aus gesinterten Hartstofflegierungen ungeeignet, wenn die geometrische
Form oder Größe die Herstellung eines einstückigen Körpers nicht zuläßt. Die unlösbare
Verbindung von Teilen aus gesinterten Hartstofflegierungen mit Teilen aus Metall,
insbesondere Baustahl, Werkzeug- oder Schnellarbeitsstahl, führt zu größerer Wirtschaftlichkeit
und ermöglicht es, die Forderungen nach zähem und elastischem Grundkörper mit verschleißfester
Oberfläche zu vereinigen. Diese Forderungen treten auf bei Preßstempeln, Matrizenplatten,
Ventilkegel, Ventilplatten, Plunger für Pumpen, Preßformen für Kohle-, Keramik-,
Porzellanindustrie und Pulvermetallurgie, Backenbrecher und Prallplatten für die
Zerkleinerungsindustrie, Strahldüsen, Rutschen, Blech- und Papierschneidemesser,
Panzerplatten usw.