DE4026394C2

DE4026394C2 -

Info

Publication number: DE4026394C2
Application number: DE19904026394
Authority: DE
Inventors: David Dr. 6450 Gelnhausen De Lupton; Richard 8761 Weilbach De Keilberth
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1990-08-21
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1992-07-23
Also published as: DE4026394A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer löttechnischen Verbindung zwischen Beryllium und Edelstahl oder Beryllium und Nickel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Da sich Beryllium weder mit sich selbst noch mit anderen metallischen Werkstoffen durch übliche Verfahren der Schweiß technik verbinden läßt, stellt in der Herstellung von Bautei len, die insgesamt oder zum Teil aus Beryllium bestehen, die Löttechnik ein äußerst wichtiges Produktionsverfahren dar. Ab hängig von der Verwendung des Bauteiles kommen verschiedene Lote zum Einsatz, beispielsweise metallisches Zink für die ge ringsten Beanspruchungen, Aluminiumlegierungen für mittlere Beanspruchungen oder Legierungen auf Silberbasis für Anwendun gen, bei denen das Bauteil hohen mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt wird.

Bei der Verwendung von Silberbasis-Loten stellt die große Re aktivität des Berylliums mit vielen Elementen des Perioden systems ein besonders gravierendes Problem dar. Obwohl unter praktisch relevanten Bedingungen das Silber selbst keine che mische Verbindung mit dem Beryllium eingeht, bilden die mei sten üblichen Legierungselemente der Lote, z. B. Kupfer oder Palladium, intermetallische Phasen (Beryllide) mit dem Beryl lium. Die Bildung solcher Beryllide erfolgt hauptsächlich an der Grenzfläche Beryllium-Lot, wo sie zur Schwächung der Löt verbindung durch Versprödung führen können. Ein primäres Ziel bei der Durchführung jeder Lötung eines Beryllium-Bauteils un ter Verwendung eines Silberbasis-Lotes muß sein, die Bildung der Beryllide in der Lötnaht auf ein Minimum zu beschränken.

Bekannterweise läßt sich die Bildung der schädlichen Beryllide hauptsächlich durch folgende drei Maßnahmen minimieren:

- Beschränkung der beryllidbildenden Elemente in der Lot legierung auf geringst mögliche Anteile;
- Reduzierung der Löttemperatur auf das in der Praxis er reichbare Minimum;
- Reduzierung der Haltezeit in der Nähe der Löttemperatur während des Lötvorgangs auf das in der Praxis erreichbare Minimum.

Abhängig von der Größe, Form und Verwendung des Bauteils kommen bei jeder Beryllium-Lötung eine oder mehrere dieser Maßnahmen zum Tragen.

Beim Löten großer Beryllium-Bauteile läßt sich allerdings auf grund folgender Probleme in der Praxis normalerweise nur eine dieser Maßnahmen, d. h. die Temperaturreduzierung, anwenden. Bedingt durch die große Wärmekapazität des Werkstücks kann die Haltezeit nicht beliebig reduziert werden: Damit muß zur Er zielung einer stabilen Lötung die Löttemperatur im Vergleich zu kleineren Werkstücken erheblich gesenkt werden. Die übliche Methode zur Reduzierung der Löttemperatur von Silberloten ist das Zulegieren anderer metallischer Elemente, insbesondere Kupfer, was auch die erste der o. a. Maßnahmen disqualifi ziert.

Lote, die sich zum Löten von Beryllium prinzipiell gut eignen, sind die, die auf der Zusammensetzung des Silber-Kupfer-Eutek tikums AgCu 28 Gew.-% basieren. Insbesondere kann durch das Zu legieren von Zinn der Schmelzpunkt dieser Zusammensetzung redu ziert werden und das "Schmelzintervall" (Bereich zwischen So lidus und Liquidus) erweitert werden. Besonders die Zusammen setzung Ag60Cu30Sn10 hat sich zum Löten von Beryllium gut be währt.

Es ist bekannt (L. A. Grant: "Brazing and Soldering", in Be ryllium Science and Technologie Band 2, Herausg. D. R. Floyd und J. N. Lowe, Plenum Press, New York und London, 1979, Sei ten 249 bis 273), daß bei Beryllium-Beryllium-Lötungen mit diesem Lot die optimale Festigkeit größerer Bauteile bei einer Löttemperatur im Bereich 650 bis 680°C erzielt werden kann. Mit zunehmender Temperatur nimmt die erzielbare Festigkeit in folge der oben beschriebenen Beryllidbildung rasch ab.

Im Rahmen umfangreicher Untersuchungen, die dem hier beschrie benen Erfindungsvorschlag vorausgegangen sind, konnte keine festhaftende Verbindung zwischen dem Lot Ag60Cu30Sn10 und ei nem hitzebeständigen Stahl (AISI 316L) erzielt werden. Selbst durch die Erhöhung der Löttemperatur auf 750C° konnte keine zufriedenstellende Haftung zwischen Stahl und Lot erreicht werden (Scherfestigkeit < 20 N/mm²).

Aus der US-PS 34 78 416 ist weiterhin ein Verfahren zum Ver binden von Beryllium mit Stahl bekannt, bei dem zwischen die beiden zu verbindenden Metalle eine dünne Schicht aus Au, Ag, Cu oder Al gebracht wird. Anschließend wird erhitzt und die Verbindung über mehrere Stunden zusammengehalten. Mit diesem Verfahren wird jedoch nur eine Festigkeit von ca. 40 N/mm² er zielt und die zu verbindenden Teile müssen sehr genau aneinan der angepaßt sein.

Des weiteren ist aus der US-PS 31 05 294 ein Verfahren zur Verbindung von Beryllium mit verkupferten Stählen, welche im wesentlichen aus Eisen mit geringen Beimengungen von Kohlen stoff, Silicium oder Mangan bestehen, bekannt. Die Benetzung dieses Stahls stellt kein wesentliches löttechnisches Problem dar. Demgegenüber stellt sich die Benetzung eines Edelstahls mit einem Cr-Gehalt < 15% durch ein Silberbasislot besonders problematisch dar. Die Probleme werden noch weiter erschwert, indem die durch das Löten größerer Beryllium-Bauteile erfor derlich werdenden langen Haltezeiten auf Löttemperatur zu ei ner Versprödung der Lötnaht durch Beryllidbildung führen. Da mit muß insbesondere die Löttemperatur auf ein Minimum be schränkt werden. Unsere Erfahrung hat gezeigt, daß insbeson dere bei der Verwendung höher schmelzender Lote (das Lot Ag 72%/Cu 28% schmilzt bei 779°C) die Anwesenheit von erhöhten Kupferanteilen in der Lötnaht zu Festigkeitsverlusten in der Lötnaht führt.

In der US-PS 37 79 721 wird die Verbindung zwischen Beryllium und Eisen beschrieben, wobei die beiden Materialien mit Hilfe einer Legierung gelötet werden. Die Berylliumoberfläche ist dabei mit einer Silberschicht und einer Nickelschicht überzo gen. Ein Überzug über der Eisenoberfläche ist in diesem Bei spiel nicht erwähnt. Benetzungsprobleme treten ebenfalls nicht auf.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zum Verbinden von Edelstählen mit Beryllium oder Nickel mit Beryllium bei großen Oberflächen und großer Festigkeit der Verbindung zu ent wickeln.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 8 beschreiben vorteilhafte Ausgestal tungen des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Verbindung von Edelstählen und Nickelbasislegierungen, welche einen Cr-Anteil von über 15% aufweisen mit Beryllium bzw. Berylliumlegierun gen.

Das Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert.

Es wird ein Edelstahlrohr aus AISI 316 L (A⌀ 11 mm, I⌀ 9 mm, L = 120 mm) zwischen zwei Berylliumplatten (je 100 × 40 × 10 mm) gelötet, wobei der weitgehend vollflächige Kontakt zwischen dem Stahlrohr und einer in beide Be-Platten eingefrästen halb kreisförmigen Nut sowie zwischen beiden Be-Platten durch eine Lötverbindung gewährleistet wird.

Die Nute werden mit einem Durchmesser von 11,4 mm in die Beryllium-Platten eingefräst. Das Beryllium wird dann gesäu bert und die Oberfläche auf konventionelle Weise einige Minu ten in einem Gemisch bestehend aus je 2 Vol.-% Flußsäure, Sal petersäure und Schwefelsäure, Rest Wasser, gebeizt. An schließend wird das Beryllium mit demineralisiertem Wasser ge spült und mit heißer Luft getrocknet.

Das Stahlrohr wird mechanisch gesäubert, in einem handelsübli chen, alkalischen Entfettungsbad entfettet und dann in Lei tungswasser gespült. Anschließend wird das Rohr in 5%iger Schwefelsäure 30 bis 60 Sekunden lang aktiviert und in demine ralisiertem Wasser gespült. Das Vergolden erfolgt dann 1 Mi nute lang in einem handelsüblichen stark sauren Goldbad.

Das Lot (Ag60% Cu30% Sn10%) wird in Form einer 0,2 mm dicken Folie eingesetzt. Vor dem Gebrauch wird die Folie beidseitig gebürstet und 350°/30 Minuten unter H₂-Atmosphäre geglüht.

Die vorbehandelten Einzelteile werden in folgender Reihenfolge aufeinandergelegt:

obere Be-Platte,
obere Lotfolie,
Edelstahlrohr,
untere Lotfolie,
untere Be-Platte.

Beide Lotfolien werden so zugeschnitten, daß sie rundum ca. 4 mm über die Breite und Länge der Be-Platten stehen. Das vor montierte Lötstück wird dann zwischen zwei Stahlplatten auf einer hydraulischen Presse bei 1,5 kN Kraft zusammengepreßt, um den richtigen Sitz der Lotfolie in beiden Nuten sicherzu stellen. Die Stahlplatten werden schließlich mit Schrauben fest zusammengespannt.

Das zusammengespannte Lötstück wird in einem Vakuumofen bei einem Druck 10^-4 mbar während ca. 30 Minuten auf ca. 600°C aufgeheizt. Diese Temperatur, die knapp unterhalb des Solidus des verwendeten Lotes liegt, wird ca. 40 Minuten gehalten, um den Temperaturausgleich des relativ großen Lotstückes zu er möglichen. Anschließend wurde die Temperatur auf die Löttempe ratur von 700°C erhöht, und 30 Minuten gehalten. Die Probe kühlt dann im Ofen auf Raumtemperatur ab.

Die ermittelten Scherfestigkeitswerte für die so erzeugte Löt stelle beträgt 185 bzw. 197 N/mm². Der Bruch erfolgte teil weise an der Grenzfläche Stahl-Lot und teilweise im Lot selbst. Damit konnte bewiesen werden, daß die Festigkeit der Lötverbindung zum Stahl nicht maßgebend für die Festigkeit der gesamten Lötverbindung war.

Versuche unter analogen Bedingungen, jedoch ohne die Vergol dung des Rohres, lieferten Festigkeitswerte unter 20 N/mm², und der Bruch erfolgte ausschließlich an der Grenzfläche Stahl-Lot.

Nach dem Lötvorgang konnte die Goldschicht nicht mehr festge stellt werden. Offensichtlich dient das Gold zur Aktivierung der Stahloberfläche, während die Lötung zum direkten Verbund des Lotes mit der Stahloberfläche führt.

Das Verfahren ist nicht auf Edelstahl AISI 316L beschränkt, sondern kann auch bei allen austenitischen Edelstählen und Nickelbasislegierungen mit Cr-Gehalten < ca. 15 Gew.-% verwen det werden. Eine Erklärung für die Wirksamkeit der Vergoldung könnte darin liegen, daß die normalerweise vorhandene Chrom oxidschicht auf dem Cr-haltigen Werkstoff durch das galvani sche (oder z. B. sputter-technische) Verfahren entfernt wird, und sich wegen der schützenden Goldschicht nicht mehr bilden kann.

Für die Beschichtung des Stahles können auch andere Edel metalle verwendet werden wie z. B. Silber, welche mit dem Lot vollständig mischbar sind. Die Schichtdicke sollte zwischen 0,1 und 1 µm liegen. Es können auch andere Beschichtungsver fahren, wie z. B. Sputtern benutzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer löttechnischen Verbindung zwischen Beryllium und Edelstahl oder Beryllium und Nickel unter Verwendung eines Lotes, welches auf der Zusammenset zung des Silber-Kupfer-Eutektikums AgCu 28 Gew.-% basiert, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Nickelbasislegierung mit mindestens 15% Chroman teil oder als Edelstahl ein austenitischer Edelstahl mit mindestens 15% Chromanteil eingesetzt wird,
b) auf die Stahloberfläche vor dem Löten eine dünne Me tallschicht, die aus einem Edelmetall besteht, welches mit dem Lot vollständig mischbar ist, aufgebracht wird und dann
b) der Lötvorgang bei einer Temperatur zwischen 650°C und 750°C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lot, das aus 58 bis 62% Ag, 28 bis 32% Cu und 8 bis 12% Sn besteht, verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß Gold für die dünne Metallschicht verwen det wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Metallschicht zwi schen 0,1 und 1 µm aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Metallschicht durch Galvanisieren aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lötvorgang bei 700°C durchgeführt wird, wobei Lot mit einer Zusammensetzung von 60% Ag, 30% Cu und 10% Sn verwendet wird.