DE2757986A1

DE2757986A1 - Nickel-mangan-loetlegierung

Info

Publication number: DE2757986A1
Application number: DE19772757986
Authority: DE
Inventors: Marvin J Stern
Original assignee: Alloy Metals Inc
Current assignee: Alloy Metals Inc
Priority date: 1977-10-26
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1979-06-28
Also published as: FR2409124A1; FR2409124B1; GB1547117A

Description

Dr.-lng. Reimar König · 3ipl.-lng. Klaus Bergen

Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon -452OO8 Patentanwälte

nS-7986

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22. Dez.1977 31 851 K

Alloy Metals Incorporation, Troy, Oakland/Michigan,USA

"Nickel-Mangan-Lötlegierung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nickel-Mangan-Legierung insbesondere zum Löten oder Niedrigtemperatur-Diffusions-Schweißen von Kohlenstoffstählen, niedriglegierten und rostfreien Stählen, Nickel- und Kupferlegierungen sowie komplizierten Teilen wie Wabenkonstruktionen und geringe Wanddicken sowie Faser-Metall-Reibdichtungen für Turbinen.

Es ist bekannt, beim Niedrigtemperatur-Löten Gold-Nickel-Lötlegierungen zu verwenden. Mit steigendem Goldpreis hat sich das jedoch in zunehmendem Maße als unwirtschaftlich erwiesen. Hinzu kommt die sehr geringe Erosionsbeständigkeit der Gold-Nickel-Legierungen bei dünnen Querschnitten und die damit verbundene Beeinträchtigung der Werkstoff eigai schäften schon bei Temperaturen von 370 bis 540⁰C. Des weiteren sind Nickel-Lötlegierungen mit einem verhältnismäßig hohen Mangangehalt von etwa 23% bekannt; sie erfordern jedoch Löttemperaturen von etwa 1020 bis 1090°C. So beschreibt die US-Patentschrift 2 856 281 eine Nickel-Mangan-Lötlegierung, die sich jedoch nicht hat durchsetzen können, weil sie eine zu hohe Löttemperatur erfordert und sich für ein Mehrfachlöten ohne die Gefahr eines Aufschmelzens nicht eignet. Außerdem eignet sich die bekannte Legierung nicht für das Löten ultra-

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dünner Querschnitte von beispielsweise höchstens 0,05 nun Dicke sowie für ein Löten im Ofen bei einer feuchten, endothermen Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak„

Bekannt sind schließlich auch Nickel-Phosphor- und Nickel-Chrom-Phosphor-Lötlegierungen, die sich jedoch wegen ihrer Sprödigkeit, der Gefahr einer Erosion bei dünnen Querschnitten und ihrer geringen Korrosionsbeständigkeit sowie der Neigung zu einem Ausschmelzen beim Mehrfachlöten nur sehr begrenzt einsetzen lassen. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich beim Löten großer einstückiger 360°-Wabenkonstruktionen, da all diese Legierungen die Gefahr einer Erosion und eines nicht gleichmäßigen Ausfüllens infolge eines schwerkraftbedingten Wanderns bzw. Fließens mit sich bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine für ein Löten bei niedrigen Temperaturen geeignete Legierung zu schaffen, die sich insbesondere zum Löten von Kohlenstoffstählen, niedriglegierten und rostfreien Stählen, Nickel- und Kupferlegierungen Sowie komplizierten Teilen bei niedrigen Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen unter 1010⁰C eignet und eine saubere Lötverbindung mit ausgezeichnetem Gefüge und hoher Scherfestigkeit ergibt, gleichviel ob das Löten in reduzierender Atmosphäre, beispielsweise unter Wasserstoff, im Vakuum oder unter einer inerten Atmosphäre, beispielsweise unter Argon afer Helium stattfindet. Die Legierung soll sich dabei auch für das Löten ungleichartiger Werkstoffe sowie zum Verbinden pulvermetallurgisch hergestellter Teile sowie zum Löten in einer feuchten, endothermen Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak eignen.

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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Nickel-Mangan-Legierung mit 19 bis 23% Mangan, 5 bis 8% Silizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,6 bis 1,8% Bor, 0,01 bis 0,2% Seltene Erden bzw. Erdmetalle, sowie je 0 bis 3% T_antal, Molybdän, Niob, Wolfram und Aluminium und höchstens 0,60% Kohlenstoff, Rest Nickel einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch 19 bis 20% Mangan, 5,5 bis 6,5% Silizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,7 bis 1,2% Bor, 0,02 bis 0,1% Seltene Erden bzw. Erdmetalle, vorzugsweise Mischmetall, und 0,02% Kohlenstoff, Rest Nickel.

Die vorerwähnte Legierung eignet sich zum Mehrfachlöten ohne die Gefahr eines Aufschmelzens sowie zum Löten verhältnismäßig dünner Querschnitte wie Wabenkonstruktionen und Wärmeaustauscherteile mit einer Dicke bis 0,05 mm. Die Lötverbindungen sind verhältnismäßig duktil; sie besitzen eine hohe Scherfestigkeit und ein feinkörniges, auf ein Homogenisierungsglühen ansprechendes Gefüge und siüfür Betriebstemperaturen von etwa 870 bis 930⁰C geeignet, obgleich die Löttemperatur etwa 970 bis 995⁰C beträgt. Dabei ermöglichen die spezifischen Gehaltsgrenzen für Mangan, Bor und Seltene Erden bzw. Erdmetalle eine Lötlegierung, die sich zum Löten einstückiger 360°-Wabenkonstruktionen mit von unten bis oben gleichmäßigen Kehlnähten eignet, da die Legierung migrationsbeständig ist. Außerdem zeichnet sich die Lötlegierung durch eine hohe Erosionsbeständigkeit aus.

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Die in Rede stehende Lötlegierung läßt sich als Paste, Pulver, Band oder Folie verwenden. Beim Löten werden die miteinander zu verbindenden Teile auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Lötlegierung, jedoch unter ihrer Schmelztemperatur, vorzugsweise auf höchstens 1010⁰C, normalerweise auf 982 bis 1010⁰C erwärmt.

Die Lötlegierung läßt sich durch Einschmelzen ihrer elementaren Bestandteile im Induktionsofen erschmelzen sowie anschließend zu Folien oder Draht weiterverarbeiten. Die Legierung eignet sich jedoch auch zum Herstellen von Pulver durch Zerstäuben einer Schmelze oder Mahlen in einer Kugelmühle. Danach kann die Lötlegierung direkt auf die miteinander zu verbindenden Teile gebracht und erwärmt werden, oder sie kann als Paste mit einem flüchtigen organischen Träger aufgetragen werden.

Außer den angegebenen Bestandteilen enthält die Lötlegierung noch bestimmte Verunreinigungen, beispielsweise bis etwa 0,03% Kohlenstoff, soweit diese Verunreinigungen die technologischen Eigenschaften nicht beeinträchtigen.

Die Legierung eignet sich insbesondere zum Löten der Nickellegierung 718, A 151-410 und von Greek Ascolloyrostfreien Stählen, bei deren Lösungsglüh- und Austenitisierungstemperaturen von 970 bis 995⁰C

Eine bevorzugte Legierung enthält 19 bis 20% Mangan, bis 8% Silizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,6 bis 1,8% Bor, 0,04 bis 0,2% Seltene Erden oder Erdmetalle, vorzugsweise Mischmetall, Rest Nickel und eignet sich für ein Löten bei

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bis 1010°C. Vorzugsweise enthält die Legierung jedoch

Mangan, 5 bis 6% Silizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,85% Bor, 0,08% Seltene Erden oder Erdmetalle und höchstens 0,02% Kohlenstoff, Rest Nickel.

Die spezielle Kombination der Gehalte an Mangan, Seltenen Erden und Erdmetallen und Bor bei einer Silizium und Kupfer enthaltenden Nickel-Lötlegierung erlaubt ein Löten von Nickel- und Kupferlegierungen sowie rostfreier Stähle bei Temperaturen unter 1010⁰C. Diese verhältnismäßig geringe Löttemperatur ermöglicht zudem auch das Löten von Kohlenstoff stählen und niedriglegierten Stählen. In allen Fällen ergibt sich eine saubere Lötverbindung mit einem verbesserten Gefüge und hoher Scherfestigkeit.

Die Gehalte an Nickel und Mangan sind so eingestellt,daß sich eine feste Lösung ergibt; solche bzw. schmelzpunkterniedrigende Bestandteile enthaltende Legierungen sind bislang wegen ihrer Sprödigeit, ihrer verhältnismäßig geringen Erosionsbeständigkeit und der hohen Löttemperatur in der Praxis nicht eingesetzt worden. Zwar ist es bekannt, mit Hilfe von Silizium die Löttemperatur zu verringern; mit Hilfe einer Nickel-Mangan-Silizium-Lötlegierung hergestellte Lötverbindungen sind jedoch bei allemal hoher Löttemperatur zu spröde und zu wenig erosionsbeständig für zahlreiche Verwendungszwecke. Auch ist es bekannt, mit Hilfe von Kupfer die Löttemperatur zu verringern und das Fließvermögen der Legierung zu erhöhen, gleichwohl bleibt die erforderliche Löttemperatur noch zu hoch. Erst die Anwesenheit von Bor und Seltenen Erden oder Erdmetallen innerhalb der oben angegebenen Gehaltsgrenzen bewirkt bei einer Nickel-Mangan-Lötlegierung bestimmter Zusammensetzung eine Verringerung der Löttemperatur und erlaubt ein Löten von Kohlenstoff- oder niedrig-

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legierten Stählen, Nickel- und Kupferlegierungen sowie rostfreien Stählen.

Da,- Silizium dient einer Verringerung der Löttemperatur; jedoch bleiben bei Siliziumgehalten unter 5% und über 8% die Löttemperaturen nach wie vor hoch und ergibt sich eine Sprödigkeit. Auch das Kupfer verringert die Löttempeperatur, wenngleich es in erster Linie das Fließvermögen der Legierung verbessert. Kupfergehalte unter 3% ergeben eine zu hohe Viskosität und zu hohe Löttemperaturen. In ähnlicher Weise führen Kupfergehalte von 7 oder 8% zu einer Erhöhung der Löttemperatur.

Die Legierung enthält unter 2% Bor, das die Löttemperatur vermindert und die Festigkeit erhöht. Die Seltenen Erdmetalle hingegen dienen vornehmlich als Raffinations-, insbesondere Desoxydationsmittel; sie erhöhen die Benetzbarkeit sowie die Warmeigenschaften und die Zähigkeit der Lötverbindung. Außerdem verringern die Seltenen Erdmetalle die Löttemperatur und bewirken ein feinerkörniges Gefüge der Lötverbindung; sie verbessern zudem das Gefüge und die Scherfestigkeit der Lötverbindung. Hierfür eignen sich insbesondere Lanthan, Prasiodym, Neodym, Yttrium und Mischmetall sowohl in elementarer als auch in oxydischer Form. Besonders geeignet ist jedoch Mischmetall, das üblicherweise aus 40 bis 74% Cer und unterschiedlichen Mengen .Lanthan, Neodym und Prasiodym besteht, beispielsweise 53 bis 56% Cer, 24% Lanthan, 10 bis 15% Neodym und Spurenelemente enthält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen des näheren erläutert.

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Bei allen Versuchen wurden im Induktionsofen die elementaren Legierungsbestandteile eingeschmolzen. Im einzelnen handelte es sich um die folgenden Legierungen:

Beiaaiel 1

Mangan

6% Silizium

5% Kupfer 0,85% Bor 0,08% Mischmetall 0,02% Kohlenstoff Rest Nickel

Beispiel 2

20% Mangan 5,5% Silizium 5% Kupfer 1,5% Bor 0,2% Lanthan 0,03% Kohlenstoff

2% Aluminium Rest Nickel

Beispiel 3

19% Mangan 6,2% Silizium 4,7% Kupfer 0,9% Bor 0,05% Mischmetall 2,5% Tantal 2,0% Molybdän 1,5% Niob Rest Nickel

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Beispiel 4

20% Mangan 6,596 Silizium 4% Kupfer 1% Bor 0,08% Yttrium Rest Nickel

Beispiel 5

1996 Mangan 6,2% Silizium 4,7% Kupfer 0,996 Bor 0,0596 Mischmetall 2,596 Tantal 2,096 Molybdän 1,596 Niob Rest Nickel

Beispiel 6

19,596 Mangan 6,596 Silizium 5,296 Kupfer 0,7596 Bor 0,0196 Lanthan 0,7596 Wolfram Rest Nickel

Beispiel 7

1996 Mangan 7,496 Silizium

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5,8% Kupfer 1,5% Bor 0,0896 Mischmetall Rest Nickel

Beispiel 8

22,7% Mangan 6,3% Silizium 4,6% Kupfer 1,48% Bor 0,079% Mischmetall Rest Nickel

Beispiel 9

20% Mangan

6% Silizium 4,5% Kupfer 1% Bor

0,08% Mischmetall Rest Nickel

Beispiel

21% Mangan 6,3% Silizium 4,6% Kupfer 1,4% Bor 0,075% Mischmetall 0,009% Kohlenstoff Rest Nickel

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Beispiel 11

1996 Mangan

7,496 Silizium

5,8% Kupfer

1,6% Bor

0,08% Mischmetall

0,01196 Kohlenstoff

Rest Nickel

Die einzelnen Lötlegierungen wurden zum Löten in einem
hohen Vakuum, unter Inertgasatmosphäre oder unter einer
Atmosphäre aus feuchtem endothermem disoziierten Ammoniak bei Löttemperaturen bis 1010⁰C eingesetzt. In allen Fällen ergaben sich bei optimaler Ausbeute ausgezeichnete Lötverbindungen mit einem feinkörnigen Gefüge, hoher Duktilität und geringer Kerbeempfindlichkeit bei höheren Temperaturen. Außerdem war ein Mehrfachlöten mit drei bis fünf Durchgängen ohne Aufschmelzen der Lötlegierungen möglich und eigneten sich die Lötverbindungen für Betriebstemperaturen von 870 bis 930⁰C sowie für ein Reparaturlöten
nach dem MIG- bzw. WIG-Verfahren oder mit Hilfe eines
Plasmabrenners.

Die geringere Löttemperatur der vorgeschlagenen Lötlegierung zeigt sich an deren niedrigerer Liquidus- und Solidustemperatur. So liegen beispielsweise die Solidustemperaturen der Lötlegierungen nach der US- Patentschrift 2 856 281 über 980 bis 1004⁰C und deren Liquidustemperaturen bei 1004 bis 1027°C, während die Solidustemperatur der Lötlegierungen der Beispiele 1 und 7 854°C und die Liquidustemperaturen 896⁰C betrugen. Die Lötlegierung des Beispiels 8 besaß hingegen eine Solidustemperatur von 857°C und eine Liquidus-

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temperatur von 963°C. In ähnlicher Weise besaß die Lötlegierung gemäß Beispiel 10 eine Solidustemperatur von 902 bis 910⁰C bei einer Liquidustemperatur von 957 bis 96O⁰C.

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Claims

Z757986 Alloy Metals Incorporation, Troy, Oakland/Michigan, USA Patentansprüche;

1. Nickel-Mangan-Legierung zum Löten von Kohlenstoffstählen, niedriglegierten Stählen, rostfreien Stählen sowie Nickel- und Kupferlegierungen, bestehend aus 19 bis 23% Mangan, 5 bis 896 Silizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,6 bis 1,8% Bor, 0,01 bis 0,296 Seltenen Erdmetallen, jeweils 0 bis 3% Tantal, Molybdän, Niob, Wolfram und Aluminium, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel.

2. Lötlegierung nach Anspruch 1, die jedoch 19 bis 20% Mangan enthält.

3. Lötlegierung nach Anspruch 1 oder 2, die jedoch 0,7 bis 1,296 Bor und 0,08% Seltene Erdmetalle enthält.

4. Lötlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, die jedoch Mischmetall enthält.

5. Lötlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1, 2 und 4, die jedoch 19 bis 20% Mangan, 5,5 bis 6,5% SiLizium, 4 bis 6% Kupfer, 0,7 bis 1,2% Bor, 0,04 bis

0,1% Seltene Erden sowie je 0 bis 3% Tantal, Molybdän, Niob, Wolfram und Aluminium, Rest einschließlich

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erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel enthält.

6. Lötlegierung nach Anspruch 5, die jedoch 19% Mangan, 0,85 bis 1% Bor und 0,08% Seltene Erdmetalle enthält.

7. Legierung nach Anspruch 6, die jedoch 19% Mangan, 5bis 8% Silizium, 4 bis 5% Kupfer, 0,8$Bor und 0,08% Mischmetall, Rest einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen Nickel enthält.

8. Verfahren zum Löten von Kohlenstoffstählen, niedriglegierten Stählen, rostfreien Stählen sowie Nickel- und Kupferlegierungen unter Verwendung einer Lötlegierung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Teile in Kontakt miteinander gebracht und nach dem Aufbringen der Lötlegierung auf die Kontaktoberflächen erwärmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennz e i c '.
beträgt.

zeichnet, daß die Löttemperatur 982 bis 1010⁰C

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten im Vakuum, unter Inertgas oder unter einer Atmosphäre aus feuchtem dissoziiertem Ammoniak erfdgt.

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