DE3736564C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lotlegierung aus Titan, Kupfer, Silber und Zinn zum Herstellen gasdichter Lötverbindungen zwischen Bauteilen, insbesondere zwischen Bauteilen, von denen zumindest eines aus keramischem Material besteht.

Keramische Bauteile sind durch konventionelle Lote, die meist aus Silber und Kupfer, beispielsweise aus 72 Gew. % Silber (Ag) und 28 Gew. % Kupfer (Cu), bestehen, nicht benetzbar. Daher ist es bisher notwendig, miteinander oder mit einem metallischen Bauteil zu verbindende keramische Bauteile vor dem Verlöten einer Vorbehandlung zu unterziehen. Ein bekanntes Verfahren sieht vor, daß keramische Bauteile zunächst beschichtet werden, um sie durch eine Lotlegierung überhaupt benetzbar zu machen. Die als Keramikmetallisierung bezeichnete Beschichtung sieht zunächst das Auftragen einer Suspension aus organischem Binde­ mittel und Pulverfraktionen aus Metallen, Metalloxiden und Glasbindephasen vor. Anschließend ist Trocknen und Einbrennen bei einer Temperatur über 1000°C erforderlich. Nach dem Abküh­ len erfolgt ein galvanisches Vernickeln der Oberflächen, ein Waschvorgang und ein erneutes Einbrennen bei ca. 1000°C. Die bisher praktizierte Beschichtung von Keramikoberflächen zur Vorbehandlung auf das anschließende Verlöten erfordert einen sehr hohen Material- und Zeitaufwand. Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Lotlegierung zu entwickeln, durch die auch unbe­ handelte Keramikoberflächen zu benetzen sind, damit das aufwen­ dige Beschichtungsverfahren entfallen kann. Die Lotlegierung muß dazu eine Komponente enthalten, die einen die Benetzungsfä­ higkeit steigernden Stoffaustausch mit der Grenzschicht der Ke­ ramik fördert. Dazu geeignete Stoffe sind die Elemente der Gruppen IVa und Va des periodischen Systems der Elemente, also die Metalle Titan Zirkonium Hafnium Vanadium, Niob und Tantal.

Legierungen mit einem hohen Anteil dieser Elemente haften gut auf Keramikflächen. Sie sind jedoch hart und spröde, da die Elemente der genannten Gruppen mit den meisten anderen Metallen im geschmolzenen Zustand intermetallische Phasen bilden. Wegen der gegebenen Eigenspannungen eines Bauteiles sind derartige harte und spröde Legierungen zum Löten ungeeignet. Schon beim Abkühlen nach dem Lötvorgang besteht die Gefahr, daß die Löt­ naht reißt, was zum Versagen des Bauteiles führt.

Legierungen mit einem geringen Anteil von Elementen der Gruppen IVa und Va, beispielsweise mit einem Titangehalt unter 5 Gew.%, ermöglichen stabilere Lötverbindungen. Derartige Legierungen sind aus JP-61 82 995 A in: Patent Abstracts of Japan, Vol. 10 (1986), Nr. 257 (M-513), sowie aus Welding Journal, January 1987, S 26s-32s und auch aus der US-PS 46 67 871 bekannt.

Solche Legierungen haben nicht die notwendigen Eigenschaften, um eine Benetzung von Keramikoberflächen stets zu gewährleisten. Sie sind lediglich zum sogenannten Kontaktlöten von Keramik und Metallen geeignet. Dabei wird das Lot in Form von Folien auf die zu verlötenden Oberflächen aufgelegt, was aus der US-PS 46 67 871 hervorgeht.

Eine solche Arbeitsweise ist nur durchführbar, falls die zu verlötenden Bauteile ausreichend beweglich sind. Das bekannte Kontaktlöten ist nicht durchführbar bei vielen Verbindungen, wie beispielsweise Rohreinsteckverbindungen mit sehr dünnen und langen, ringförmigen Lotspalten. Dabei ist eine Beschichtung der zu verlötenden Bauteile mit Folien wegen des engen Raumes nicht durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine metallische Lot­ legierung zu entwickeln, die geeignet ist, einerseits unbehan­ delte, d.h. unmetallisierte, keramische Bauteile, beispielsweise reines Aluminiumoxid gut zu benetzen und die darüber hinaus in sehr enge Lötspalten gut einzubringen ist. Die Weite solcher Lötspalten beträgt beispielsweise zwischen 0,02 mm und 0,06 mm.

Eine dort einzubringende Lotlegierung muß so fließfähig sein, daß sie allein durch Kapillarkräfte in die Lötspalten gelangt.

Die Aufgabe besteht also darin, eine Keramikoberflächen, die unbehandelt sind, benetzende und allein durch Kapillarkräfte zu bewegende Lotlegierung zu entwickeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine metallische Lotle­ gierung gelöst, die zusammengesetzt ist aus 20 Gew.% bis 35 Gew.% Titan, 60% Gew.% bis 80 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% bis 15 Gew.% Silber und 0,5 Gew.% bis 5 Gew.% Zinn.

Die Lotlegierung nach der Erfindung ist gut geeignet, keramische Bauteile, wie reines Aluminiumoxid unmittelbar zu benetzen. Ein Aufbringen in Form von Folien ist nicht erforderlich. Darüber hinaus ist die Lotlegierung nach der Erfindung leicht in sehr enge Lötspalten einzufüllen, die beispielsweise nur 0,02 mm breit sind. Die Legierung nach der Erfindung wird im flüssigen Zustand allein durch Kapillarkräfte in die engen Lötspalte hin­ eingezogen.

Während des Lötvorganges entsteht wegen des relativ hohen Titangehaltes der erfindungsgemäßen Legierung durch eine Reak­ tion des Titans, vor allem mit Kupfer, in der Lötzone eine spröde Phase, deren Partikel in einem Netzwerk, das aus einer zinnreichen Phase besteht, eingelagert sind. Dadurch bedingt wird der Vorteil erzielt, daß auftretende mechanische Span­ nungen durch entsprechende plastische Gleitvorgänge in der Lot­ zone weitgehend abzubauen sind.

Eine besonders geeignete Lotlegierung besteht beispielsweise aus 25 Gew. % Titan, 68 Gew. % Kupfer, 5 Gew. % Silber und 2 Gew. % Zinn. Lötversuche an Einsteckverbindungen zwischen Rohren aus Aluminiumoxid, deren Al₂O₃-Anteil größer als 99,5% ist, und Rohren aus einer Eisen-Nickel-Legierung unter Verwen­ dung dieser Lotlegierung ergaben sehr gute Ergebnisse. Bei üb­ lichen Bedingungen unter Vakuum und bei einer Temperatur von ungefähr 930°C ist die erfindungsgemäße Lotlegierung in Löt­ spalten, die schmaler als 0,06 mm sind, einfüllbar. Das Anfüllen der Spalten allein durch Wirkung der Kapillarkräfte ist auch entgegen der Schwerkraft durchführbar. Darüber hinaus ist wegen des relativ hohen Titangehaltes von 25 Gew.% der Lotlegierung eine gute Benetzung der Oberfläche des aus Aluminiumoxid beste­ henden Rohres stets gewährleistet.

Untersuchungen an fertigen Lötverbindungen, die mit der erfin­ dungsgemäßen Lotlegierung hergestellt worden sind, zeigen vor­ teilhaft eine sehr niedrige Heliumleckage, die sich selbst nach 20 Thermoschockbelastungen zwischen 50°C und 600°C nicht verändert. Die elektrischen Eigenschaften des keramischen Bau­ teiles werden durch den Lötprozeß nicht beeinflußt.

Die erfindungsgemäße metallische Lotlegierung ist einem Löt­ spalt beispielsweise entweder pulverförmig oder in der Form eines Preßlings zuführbar. Die Legierung gelangt in beiden Fällen allein durch die Kapillarkräfte in den sehr engen Spalt.

Mit der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, daß eine Lotlegierung bereitgestellt wird, mit der in sehr engen Spalten Lötverbindungen mit keramischen Bauteilen erstmals zu erstellen sind. An leichter zugänglichen Bauteilen wird der Lötprozeß durch die erfindungsgemäße Lotlegierung erheblich vereinfacht, da man ohne aufwendige Metallisierungen der zu verlötenden Keramikoberflächen auskommt.

Claims (4)

1. Lotlegierung aus Titan, Kupfer, Silber und Zinn zum Her­ stellen gasdichter Lötverbindungen zwischen Bauteilen, insbe­ sondere zwischen Bauteilen, von denen zumindest eines aus ke­ ramischem Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Lotlegierung zusammengesetzt ist aus 20 Gew.% bis 35 Gew.% Titan, 60 Gew.% bis 80 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% bis 15 Gew.% Silber und 0,5 Gew.% bis 5 Gew.% Zinn.

2. Metallische Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese zusammengesetzt ist aus 25 Gew. % Titan, 68 Gew. % Kupfer, 5 Gew. % Silber und 2 Gew. % Zinn.

3. Metallische Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese pulverförmig an einem Lötspalt einsetzbar ist.

4. Metallische Lotlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese in der Form eines Preßlings an einem Lötspalt einsetz­ bar ist.