DE2829339B2 - Verfahren zum Hartlöten unlegierter untereutektoider Stähle - Google Patents
Verfahren zum Hartlöten unlegierter untereutektoider StähleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten unlegierter untereutektoider Stähle und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
Es war bisher üblich bei der Herstellung von Gegenständen aus Stahl, die hartgelötet wurden, das Material
auf etwa 1100 bis 1200° C zu erhitzen, um eine
Hartlötung mit Kupferhartlot zu erreichen, wobei eine Atmosphäre aus einem Schutzgas, Ammoniakspaltgas
od. dgl. im Ofen aufrecht erhalten wurde und anschließend das Material im Ofen langsam auf die Noimaltemperatur
abgekühlt wurde, wie dies durch die Kurve α in Fig. 1 angegeben ist. Durch diese Wärmebehandlung
erhält man ein Produkt, dessen Dauer- und Biegefestigkeit und andere Eigenschaften unter
denen des unbehandelten Ausgangsmaterials liegen. Dieses Produkt besitzt auch nur eine verhältnismäßig
geringe Zugfestigkeit in der Lötverbindung. Um ein
Produkt zu erhalten, das nach dem Löten die notwendigen Festigkeitseigenschaften aufwies, war es erforderlich,
besondere Konstruktionen bzw. Formen des zu lötenden Materials vorzusehen, bei denen größere
Materialdicken oder ein um mindestens einen Gütegrad höherwertiges Ausgangsmaterial verwendet
wurden. Dies führte zu höheren Gewichten und Kosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Hartlöten unlegierter untereutektoider
Stähle der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein hartgelötetes Produkt ergibt, welches in der
Hartlötverbindung eine hohe Biegefestigkeit aufweist und dessen sonstige Festigkeitswerte weit über denen
des Ausgangsmaterials liegen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unlegierte, untereutektoide Stähle, nachdem
sie auf Hartlöttemperatur erwärmt sind, in einem Kühlofen auf eine Temperatur von etwa 570 bis
720° C abgekühlt und danach abgeschreckt werden.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen
und Zeichnungen im einzelnen erläutert. Die Figuren zeigen in
Fig. 1 ein Diagramm, das die Temperaturverlaufskurve
der Erfindung im Vergleich mit einer gleicharti-
ΙΊ
gen Kurve eines konventionellen Verfahrens zeigt,
Fig. 2 und 3 Diagramme der durch die Erfindung erreichten mechanischen Wsrte,
Fig. 4 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperaturen und der Zugfestigkeit in
der Hartlötverbindung,
Fi g. 5 und 6 Diagramme der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperatureiv und den Biegeeigenschaften
des Werkstücks,
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung.
Eine Hinterradgabel für ein Motorrad, das aus einem Stahl mit 0,02 bis 0,85% C gefertigt ist, wird
an seinen Verbindungsstellen mit einem Kupferhartlot versehen. Dieses Werkstück wird in einem Vorwärmofen,
der mit nicht oxidierendem Gas gefüllt ist, vorgewärmt. Dann wird es zum Hauptteil des Wärmeofenstransportiert,
wo es 2 bis 3 min lang auf 1100 bis 1150° C erhitzt wird, so daß das Hartlot schmilzt,
in die Verbindungsstellen einfließt und diese ausfüllt. Das Werkstück wird anschließend in eine Kühlkammer
des Ofens, die einen wassergefüllten Kühlmantel besitzt, überführt und dort einer Ofenabkühlung unterworfen.
Diese Abkühlung wird für eine kurze Zeit gehalten und beendet, wenn das Werkstück eine Temperatur
von 570 bis 720° C, die unterhalb des Umwandlungspunktes A j des Phasendiagramms liegt, erreicht
hat. Dann wird es in eine Abschreckkammer überführt, in der es durch Eintauchen oder Kühlung
in anderer Weise durch Wasser oder ein anderes Kühlmittel abgeschreckt wird. Damit ist das erfindungsgemäße
Verfahren beendet. Der Ablauf dieses Verfahrens ist als Beispiel durch die ausgezogene
Kurve in Fig. 1 gezeigt und dadurch bestimmt, daß das Material aus einer Temperatur von etwa 600° C
heraus abgeschreckt wird.
Von einem so behandelten Material sowie einem Material, das in der bekannten Weise behandelt
wurde, d. h. das im Ofen kontinuierlich auf die Normaltemperatur abgekühlt wurde, wie dies in gestrichelter
Linie in Fig. 1 gezeigt ist, und zum Vergleich einem unbehandelten Material, wurden die Härtewerte gemessen.
Die gemessenen Werte sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben:
[HB] | Tabelle | 1 | STKM13A 0,10% C |
|
[HB] | SPCC 0,07% C |
SPCE 0,06% C |
67 | |
Unbehan- deltes Material |
[HB] | 63 | 59,5 | 42 |
Material in bekannter Weise behandelt |
43,5 | 48 | 69,5 | |
Material nach der Erfindung behandelt |
69,5 | 65 | ||
Aus diesen Untersuchungen geht klar hervor, daß das in bekannter Weise behandelte Material eine geringere
Härte besitzt als das unbehandelte Ausgangsmaterial, während das nach der Erfindung behandelte
Material gegenüber dem unbehandelten Material eine ganz erhebliche Verbesserung seiner Eigenschaften
aufweist.
Andere mechanische Eigenschaften des erfindungsgemäß
behandelten Materials sind durch die Kurven α in den Fig. 2 und 3 gezeigt, und zum Vergleich
sind die entsprechenden mechanischen Werte des nach dem bekannten Verfahren behandelten und
des unbehandelten Materials in den Kurven b bzw. c angegeben. Daraus geht klar hervor, daß das gemäß
der Erfindung behandelte Material ganz ausgezeichnete und überlegene Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemäß behandelte Material besitzt im Vergleich zum konventionell behandelten nicht nur
verschiedene wesentlich bessere mechanische Eigenschaften des Materials selbst, sondern auch die Lötverbindungen
zeigen infolge der Wärmebehandlung nach der Erfindung eine außerordentlich hohe Festigkeit.
Das Ergebnis ist in Fig. 4 aufgezeichnet. In Fig. 4 ist ein Fall aufgezeichnet, bei dem eine Stoßverbindung
(Spaltbreite 0,05 mm) von SPCC Stahlmaterial in einer Dicke von 20 mm Kupferhartlot nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Das Produkt weist eine große Zugfestigkeit auf, die
Zugbeanspruchungen von etwa 30 kg/mm2 aufnehmen kann, während das nach dem konventionellen
Verfahren hergestellte nur maximal 25 kg/rim2 aushält.
Die Tatsache, daß die erfindungsgemaße Behandlung des Materials, nämlich daß das Material,
nachdem es für die Hartlötung erhitzt wurde, anschließend im Ofen auf 570 bis 720° C abgekühlt
wird, besonders ausschlaggebend ist, geht aus Fig. 5 und 6 hervor. Fig. 5 zeigt die Ergebnisse von Vergleichs-Rohrbiegeversuchen,
die mit jedem der in der oben beschriebenen Weise behandelten Materialien durchgeführt wurden, um Belastbarkeitswerte festzustellen,
wenn die Ausbiegung 50 mm übersteigt, wobei a) das Material im Ofen auf den angegebenen
Temperaturbereich bzw. darüber hinaus abgekühlt und anschließend abgeschreckt oder b) nach dem
konventionellen Verfahren oder c) gar nicht behandelt wurde. Es geht hieraus hervor, daß durch das erfindungsgemäße
Verfahren ein Produkt erzeugt wird, daß eine außerordentlich hohe Biegefestigkeit besitzt.
Fig. 6 zeigt in etwa gleicher Weise für jedes Material eine Beziehung zwischen der Belastung und dem Betrag
der Ausbiegung nach den genannten Abkühlbehandlungen. Es kann daraus entnommen werden, daß
durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Produkt mit ausgezeichneter Biegefestigkeit bei einer Belastbarkeit
von mehr als 200 kg hergestellt werden kann. Wenn das Abschrecken von einer Temperatur oberhalb
725° C durchgeführt wird, ergibt sich ein solcher Temperaturgradient, daß es schwierig ist, die Abkühlung
zu steuern. Die Beanspruchung des Materials und der Lötverbindung wird sehr hoch. Dies ist nicht erwünscht.
Durch das erfindungsgemaße Verfahren kann ein Material erzeugt werden, das ausgezeichnete mechanische
Eigenschaften besitzt, wenn ein Stahl mit 0,1 bis 0,8% C im Ofen von jeder für die Hartlötung gewünschten
Temperatur d. h. im allgemeinen von etwa 1120° C auf etwa 650° C d. h. einen Temperaturbereich
zwischen 570 und 720° C in einer verhältnismäßig kurzen Zeit, d.h. normalerweise in etwa 10 bis ι
5 Minuten heruntergekühlt wird und dann abgeschreckt wird.
Aus vielen Versuchsreihen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, die an Stählen mit verschiedenen
Kohlenstoffgehalten durchgeführt wurden, wurde gefunden, daß jeder Stahl mit einem C-Gehalt von
0,02-0 25% Zugfestigkeiten unter 80 kg/mm2 liefert
und jeder Stahl mit höheren C-Gehalten zu hart wird.
Das Abschrecken wird derart durchgeführt, daß das Material in eine Kühlflüssigkeit, wie Wasser od. dgl.,
eingetaucht wird oder die Flüssigkeit auf das Werkstück gegossen wird, wobei die Flüssigkeit auf einer
Temperatur von 5 bis 45° C gehalten werden sollte, oder einem kühlenden Gasstrom ausgesetzt wird.
Wenn auf das Werkstück durch eine Flüssigkeit, wie z. B. eine Phosphatlösung od. dgl., ein Grundüberzug
aufgetragen werden soll, ist es zweckmäßig, daß die Behandlung gleichzeitig mit dem Abschrecken
vorgenommen wird.
Nachstehend wird ein praktisches Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
Bezug auf Fig. 7 erläutert:
In Fig. 7 ist mit 1 eine Transportvorrichtung bezeichnet, die ein Tablett 2 schubweise in Pfeilrichtung
mittels einer Schubverrichtung weiter transportiert. Diese Vorrichtung ist am vorderen Ende mit einer
Hubeinrichtung 1-a versehen, durch die das Tablett 2 in eine Zulieferungsstellung gehoben wird und weist
am Ausgangsende eine Hubeinrichtung \-b auf, durch die das Tablett 2 in die Ausgangshöhe abgesenkt wird,
von wo es durch eine andere Schubvorrichtung weiter transportiert wird. Ein gestreckter Wärmeofen 3
überdeckt die obere Fläche der Transportvorrichtung. Der vordere Teil des Ofens bildet eine Vorwärmkammer
5, die mit einer elektrischen Widerstandsheizung ausgerüstet ist. Durch eine Gasleitung 4 wird ein beliebiges
nicht oxidierendes Gas, wie Schutz-Gas, gespaltenes Ammoniak, Stickstoff, Reduktionsgas
od. dgl., in den Wärmeofen 3 eingeführt, so daß die Vorwärmung und die Erhitzung auf Löttemperatur in
einer nicht oxidierenden Atmosphäre vorgenommen wird. Eine Ofenkühlzone 6 mit einem Kühlwassermantel
schließt unmittelbar am Wärmeofen 3 an und am rückwärtigen Ende der Kühlzone 6 und am vorderen
Ende des Wärmeofens 3 sind Verschlußeinrichtungen 7,7 vorgesehen, die entsprechend dem Vorschubtakt
geöffnet bzw. geschlossen werden. Mit 8, 8 sind Abgasmhre bezeichnet. Daraus geht hervor,
daß auch die Ofenkühlung in einer Atmosphäre aus nicht oxidierendem Gas durchgeführt wird. An die
Rückseite der Ofenkühlkammer 6 schließt eine Kühlkammer 9 an, unter der ein Kühltank 10 mit einer
Kühlflüssigkeit, wie Wasser od. dgl. angeordnet ist. Das Innere der Kammer 9 wird über eine Gaszuführleitung
11 mit nicht oxidierendem Gas versorgt, das über die Abgasleitung 8 abgeführt wird. Am rückwärtigen
Ende der Kammer 9 ist eine Verschlußeinrichtung 12 vorgesehen, die entsprechend dem Vorschubtakt
geöffnet bzw. geschlossen wird. Auf diese Weise wird das zu behandelnde Material in einer nicht
oxidierenden Gasatmosphäre abgekühlt. Durch die Hubeinrichtung 13 wird das Tablett 2 abgesenkt, für
eine festgelegte Zeit in die Kühlflüssigkeit im Kühltank 10 eingetaucht, so daß das Material auf dem Tablett
abgeschreckt wird und dann wieder angehoben. An einen Vorratsbehälter 14 für die Kühlflüssigkeit
ist eine Pumpe IS angeschlossen, die in den Kühltank 10 fördert, so daß die Kühlflüssigkeit in diesem Tank
10 je nach Bedarf durch frische Flüssigkeit ersetzt werden kann, um die Temperatur im Kühlbad voizugsweise
auf 5-45° C zu halten. Bei Verwendung
einer Kühlflüssigkeit, durch die ein Grundüberzug aufgetragen wird, wie wäßrige Phosphatlösung
od. dgl. an Stelle von Wasser, kann die anschließende Behandlung des Werkstückes d. h. der Phosphatbeizvorgang
entfallen.
Das anmeldungsgemäße Verfahren wird nachfolgend erläutert:
Eine Hinterradgabel eines Motorrades aus einem Material STKM 13 A mit weniger als 0,25% C, die
an den Verbindungsstellen mit Hartlot, wie Kupferlot versehen ist, wird auf ein Tablett 2 aufgelegt. Eine
Mehrzahl solcher Tabletts wird nacheinander durch die Schubeinrichtung der Transporteinrichtung 1 in
Pfeilrichtung taktweise in den Wärmeofen eingeschoben. Die Hinterradgabel wird nach einer Vorwärmung
in der Kammer 5 in das Zentrum des Wärmeofens 3 verschoben und dort auf 1100 bis 1150° C erwärmt,
wobei die Spitzentemperatur von 1120° C für 2 bis 3 Minuten aufrechterhalten wird. Dadurch schmilzt
das Lot und füllt die Verbindungsfugen aus. Nach dem Hartlöten wird die Hinterradgabel weiter zur Ofenkühlungszone
6 transportiert. Dort wird sie auf eine optimale Temperatur von etwa 650° C, d. h. in einem
Temperaturbereich zwischen 570 bis 720° C, also unterhalb des Umwandlungspunktes Ar1 des Phasendiagramms
abgekühlt, damit das Material selbst bei schnellster anschließender Abkühlung sich nur gering
verformt. Anschließend wird die so abgekühlte Hinterradgabel im Takt weiter transportiert und in die
Kammer 9 für das Abschrecken eingeführt. Dort wird sie durch Eintauchen in den Kühltank 10, der Wasser
od. dgl. enthält, mittels der Hubvorrichtung 13 innerhalb von 30 bis 60 Sekunden unter dem Schutz der
nicht oxidierenden Atmosphäre ganz abgeschreckt. Anschließend wird sie durch die Hubvorrichtung 13
in die Ausgangsstellung angehoben. Dann werden die Verschlußeinrichtungen 7, 12 geöffnet und das Tablett
2 wird entsprechend der Taktbewegung der Transporteinrichtung 1 aus der Kammer 9 ausgeschoben.
Zu gleicher Zeit wird ein frisches Tablett in die Kammer 9 eingeführt und nachdem die Verschlußeinrichtungen
7, 12 wieder geschlossen sind, wird die Hubeinrichtung 13 betätigt, um den Tauchvorgang
zu wiederholen. Das dem Tablett entnommene Material wird der nächsten Fertigungsstation
zugeführt und das nun leere Tablett wird durch die Hubvorrichtung 1-b der Transportvorrichtung 1 abgesenkt,
mit einem neuen zu behandelnden Werkstück beladen und dann taktweise in Pfeilrichtung
der Eingangsseite zugeführt. Dort wird es durch die Hubvorrichtung l-o auf die obere Stufe angeho-"«
ben und im Arbeitstakt in den Ofen eingeführt. Auf diese Weise arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren
mit schrittweisem Vorschub, jedoch kontinuierlich.
Wird bei dem beschriebenen Verfahren z. B. eine
in wäßrige Phosphatlösung als Flüssigkeit für einen
Grundüberzug gleichzeitig als Kühlflüssigkeit für die schnelle Abkühlung benutzt, so kann der Überzug bei
der beim Abkühlen auftretenden Reaktionstemperatur erzeugt werden. Nach Bedarf wird die wäßrige
i") Phosphatiösung teilweise oder ganz durch frische
Flüssigkeit aus dem Vorratstank 14 ersetzt, wodurch Korrekturen der Temperatur, der Flüssigkeitskonzentration,
des pH-Wertes od. dgl. vorgenommen werden können. Das Abschrecken kann statt durch
Eintauchen auch durch Bespülen oder Besprühen oder in anderer Weise durchgeführt werden. In einem
solchen Fall sind statt des Flüssigkeitstanks 10 Sprühdüsen od. dgl. an der Decke der Kammer 9 vorzusehen,
so daß die Flüssigkeit in geeigneter Weise dem
-1I Werkstück zugeführt wird. Das Abschrecken kann
auch durch Einblasen von Kühlgas in die Kammer 9 oder in anderer Weise vorgenommen werden.
Bei der beschriebenen Behandlung wird die Ofenkühlung von 1120° C auf etwa 600° C in 6 bis 7 Mi-
si> nuten durchgeführt.
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel. Am Ein- und Ausgang für das Material sind statt der festen
Verschlußvorrichtungen Gasschürzen 16,16 aus nicht oxidierendem Gas vorgesehen. Der Schnellkühltank
i"> 10 ist so angeordnet, daß seine Flüssigkeitsoberfläche
vom Gasstrom der rückwärtigen Schürze überstrichen wird, so das das Werkstück, ohne mit der Außenluft
in Berührung zu kommen, aus der Kammer 6 des Kühlofens in den Schnellkühltank 10 überführt wer-
4(i den kann, wo es dem Abschrecken auch in Verbindung
mit einer Grundierungs-Behandlung unterworfen wird.
Das Tablett 2 wird kontinuierlich durch ein endloses Förderband 1 bewegt, so daß eine kontinuierliche
■ι ·> Behandlung durchgeführt werden kann. Ein Förderband
17 fördert das getauchte Material aus dem Schnellkühltank 10 heraus.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zum Hartlöten unlegierter untereuiektoiderStähle,dadurch
gekennzeichnet, daß die zu verlötenden Teile auf Hartlöttemperatur erwärmt, in einem Kühlofen auf eine Temperatur
zwischen 570 und 720° C abgekühlt und danach abgeschreckt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlöten in einer nicht
oxydierenden Atmosphäre erfolgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus einem Wärmeofen einer Kühlufenabteilung einer Abschreckabteilung und
einer Fördereinrichtung besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschreckabteilung ein
Tauchbad oder eine Gießvorrichtung für eine Flüssigkeit aufweist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
8281 | Inventor (new situation) |
Free format text: NAKANISHI, YASUO, IRUMA, SAITAMA, JP SAKAMOTO, KAZUNORI ANDO, GIICHI WATANABE, TERUKI, KAWAGOE, SAITAMA, JP |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |