DE2829339C3

DE2829339C3 - Verfahren zum Hartlöten unlegierter, untereutektoider Stähle

Info

Publication number: DE2829339C3
Application number: DE2829339A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Sakamoto; Teruki Kawagoe Saitama Watanabe
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1978-07-04
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE2829339A1; FR2398115A1; FR2398115B1; BE869164A; GB2001271B; IT1107214B; DE2829339B2; JPS5625903B2; IT7850353A0; US4519854A; JPS5421943A; GB2001271A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten unlegierter uatereutektoider Stähle nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Bisher ist es bei der Herstellung von Gegenständen aus Stahl, die hartgelötet werden, üblich das Material auf etwa 1100° bis 1200⁰C zu erhitzen, um eine Hartlötung mit Kupferhartlot zu erreichen, wobei eine Atmosphäre aus einem Schutzgas, .^mmoniakspaltgas oder dergleichen im Ofen aufrechterhalten wird. Anschließend wird das Material auf Normaltemperatur abgekühlt (Lueger: Lexikon der Technik 1967, Bd. Fertigungstechnik und Arbeitsmaschinen, Stichwort »Löten«). Durch diese Wärmebehandlung erhält man jedoch ein Produkt, das »λιγ eim verhältnismäßig geringe Zugfestigkeit in der Lötv3rbindung besitzt. Um ein Produkt zu erhalten, das nach dem \öten die notwendigen Festigkeitseigenschaften aufweist, ist es deshalb erforderlich, besondere Konstruktionen bzw. Formen des zu lötenden Materials vorzusehen, bei denen größere Materialdicken oder um mindestens einen Gütegrad höherwertige Ausgangsmaterialien verwendet werden. Dies führt zu höheren Gewichten und Kosten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Hartlöten unlegierter, untereuteku>ider Stähle der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein hartgelötetes Produkt ergibt, bei dem sowohl die mechanische Festigkeit des Stahlwerkstoffes als auch die Zugfestigkeit der Lötverbindung verbessert sind.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs genannten Merkmale gelöst.

Es ist zwar durch Lueger, a.a.O., Stichwort »Lötmaschine«, auch schon ein Verfahren zum Hartlöten von Stahlteilen bekannt, bei dem die Stahlteile nach Durchlaufen einer Erwärmungszone auf 400° bis 500⁰C abgekühlt werden und anschließend in ein Wasserbad fallen, in dem sich Flußmittelreste lösen. Bei diesem Verfahren werden die Stahlteile jedoch nur im Bereich der Lötstelle erwärmt. Abgesehen davon, daß dieser Literaturstelle keine Hinweise zu entnehmen sind, daß dadurch die Zugfestigkeit der Lötverbindung verbessert werden könnte, können wegen der Erwärmung nur im Bereich der Lötstelle beim Abschrecken der Stahlteile deren Festigkeitseigenschaften allenfalls auch nur dort beeinflußt werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen im einzelnen erläutert. Die Figuren zeigen in

Fig. 1 ein Diagramm, das die Temperaturverlaufskurvc der Erfindung im Vergleich einer gleichartigen Kurve eines konventionellen Verfahrens zeigt.

Fig. 2 und 3 Diagramme der durch die Erfindung erreichten mechanischen Werte,

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperaturen und der Zugfestigkeit in der Hartlötverbindung,

Fig. 5 und 6 Diagramme der Beziehungen zwischen den Verfahrenstemperaturen 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 0,25% C gefertigt 1st, 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 Wärmeofens transportiert, wo es 2 bis 3 min lang auf 1100 bis 1150° C erhitzt wird, so daß das Hartlot sthmilzt, in die Verbindungsstellen einfließt und diese ausfüllt. Das Werkstück wird anschließend in eine Kühlkammer des Ofens, die einen wassergefüllten Kuhlmantel besitzt, überführt und dort einer Ofenabkühlung unterworfen. Diese Abkühlung wird für eine kurze Zeit gehalten und beendet, wenn das Werkstück eine Temperatur von 570 Sis 720° C, die unterhalb des Umwandlungspunktes A, 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 behandeitert Material sowie einem Material, das in der bekanntet! 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:

Tabelle 1

SPCC SPCE STKM13A 0,07% C 0,06% C 0,10% C

Unbehan-

deltes

Material [HB] 63 59,5 67

Material in
bekannter
Weise
behandelt [HB] 43,5 48 42

Material
nach der
Erfindung
behandelt [HB] 69,5 65 69,5

Aus diesen Untersuchungen geht klar hervor, daß j das in bekannter Weise behandelte Material eine ge-1 ringere Härte besitzt als das unbehandelte Ausgangs-I material, während das nach der Erfindung behandelte J

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 Eigenschäften des Materials selbst, sondern auch die Lötverbindungen zeigen infolge der Wärmebehandlung nach der Erfindung eine außerordentlich hohe Festigkeit. Deis Ergebnis ist in Fig. 4 aufgezeichnet. In Fig. 4 ist ein Fall aufgezeichnet, bei dem eine Stoßverbindung (Spaltbreite 0,05 mm) vor. SPCC Stahlmaterial in einer Dicke von 20 mm mit Kupfer'^artlot 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/mm² aushält. Die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Behandlung des Materials, nämlich daß das Material, nachdem es für die Hartlötung erhitzt wurde, anschließend im Ofen auf 570 bis 720⁰C abgekühlt wird, besonders ausschlaggebend ist, geht aus F i g. 5 und 6 hervor. F i g. 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 Abkühlbchandlungen. 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 5u von einer Temperatur oberhalb 725⁰C 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 erfindungsgemäße Verfahren kann ein Material erzeugt werden, das ausgezeichnete mechanische Eigenschaften besitzt, wenn ein Stahl mit 0,02 bis 0,25·% C im Ofen von jeder für die Hartlötung gewünschten Temperatur d. h. im allgemeinen von etwa 1120° C auf etwa 650⁸ C d. h. einen Temperaturbereich zwischen 570 und 720° C in einer verhältnismäßig kurzen Zeit, d. h. in 10 bis 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 StabJ 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 Schubvorrichtung weitertransportiert. Diese Vorrichtung ist am vorderen Fnde mit einer Hubeinrichtung 1-a versehen, durch au das Tablett 2 in eine Zulieferungsstellung gehoben wird und weist am Ausgangsende eine Hubeinrichtung 1-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 Vorschubt^kt geöffnet bzw. geschlossen werden. Mit 8, 8 sind Abgasrohre 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 w'rd und dann wieder angehoben. An einen Vorratsbehälter 14 für die Kühlflüssigkeit ist eine Pumpe 15 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 vorzugsweise 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 Spitzenternperatur von 1120° C für 2 bis is 3 Minuten aufrechterhalten wird. Dadurch schmilzt das Lot und füllt die Verbindungsfugen aus. Nach dem Hartlöten wird Hie 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 Abkühlungsich 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 Taktbewe.gung 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 Tauch-Vorgang zu wiederholen. Das dem Tablett entnommene Material wird der nächsten Fertigungsstation zugeführt und das nun leere Tablett wird durch die Hubvorrichtung l-o 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 angehoben 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 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 Phosphatlösung 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 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 wii'd die Ofenkühlung von 1120° C auf etwa 600° C in 6 bis 7 Minuten 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 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 Schnellkühltänk 10 überführt werden 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 Behandlung durchgeführt werden kann* Ein Förderband 17 fördert das getauchte Material aus dem Schnellkühltank 10 heraus.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Hartlöten ungslierter untereutektoider Stahlteiie unter Schutzgas, bei dem die mit Lot versehenen Stahlteile auf eine Hartlöttemperatur von 1100° bis 1200⁰C erwärmt und anschließend abgekühlt werden, dadurch gekennzeichne t, daß Stahlteile mit einem C-Gehalt von 0,02 bis 0,25% verwendet werden, daß nach der Erwärmung in 5 bis 10 Minuten auf eine Temperatur zwischen 570° und 720⁰C abgekühlt und danach abgeschreckt wird.