DE4209291C2 - Legierung für ein Hartlot - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Legierung für ein Hartlot mit Silber-, Kupfer- und Zinkanteilen sowie einem Galliumanteil, das für universelle Anwendungsfälle vorgesehen ist, also zum Löten beliebiger Stähle, von Kupfer und Kupferlegierungen, von Nickel und Nickellegierungen und dergleichen bestimmt ist.

Man unterscheidet für die universellen Anwendungsfälle cadmiumfreie Hartlote und cadmiumhaltige Hartlote. Bei den cadmiumhaltigen Hartloten liegt der Anteil des Cadmiums bei etwa 15 bis 20 Gew.-%. Der Cadmium­ anteil sorgt insbesondere für ein gutes Schmelzver­ halten des Lotes und für ein hervorragendes Benetzungs- und Fließverhalten. Deshalb lassen sich cadmiumhaltige Hartlote besonders leicht und effektiv verarbeiten.

Seit mehreren Jahren sind Bestrebungen im Gange, die Verwendung von Schwermetallen wie Cadmium allgemein zu vermeiden, und zwar wegen ihrer Unverträglichkeit und Giftigkeit für die Umwelt und für den Menschen. Die daraufhin entwickelten cadmiumfreien Hartlote haben Anteile von 2 bis 5 Gew.-% Zinn bei unverändertem Silber­ gehalt, jedoch bei entsprechend reduziertem Kupfer- und Zinkgehalt. Die cadmiumfreien Hartlote lassen sich wesent­ lich schlechter verarbeiten, und zwar wegen ihrer schlech­ ten Benetzung und des ungenügenden Fließverhaltens. In der Regel müssen Lötstellen länger erwärmt werden, außerdem muß oftmals das Lot mit der Flamme in den Lötspalt "gezogen" werden. Gelegentlich ist sogar eine Nacharbeit erforderlich, weil die Lotoberfläche nicht asymptotisch in die Bauteilfläche übergeht, wie das bei cadmiumhaltigen Hartloten der Fall ist. Darüber hinaus sind cadmiumfreie Hartlote wesentlich spröder als cadmiumhaltige Hartlote, auch ist die Zugfestigkeit einer Lötverbindung etwas geringer.

Zum anderen beschreibt die JP-A-51128-664 bereits ein Hartlot auf Silberbasis zum Löten von Eisen und Nichteisenlegierungen, das sich durch eine gute Lötbarkeit bei geringen Temperaturen und eine gute Verarbeitbarkeit auszeichnet. Bei einem Silbergehalt von 30-50 Gew.-%, einem Kupfergehalt von 10-25 Gew.-%, einem Zinkgehalt von 10-25% und einem Cadmiumgehalt von 15 bis 30% werden Zinn, Indium, Germanium und Gallium mit einem Anteil von insgesamt 1-15% oder einzeln von 1-12% hinzulegiert, so daß bei niedrigen Arbeitstemperaturen ein gutes Fließverhalten, ein gutes Haftvermögen und eine vorteilhafte Verarbeitbarkeit erzielt werden. Mit dieser Hartlotlegierung wird zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften unter anderem bereits die Verwendung von 1-12% Gallium als Legierungsbestandteil vorgeschlagen.

Das angegebene Lot ist jedoch insofern nachteilig, als weiterhin das in hohem Maße umweltschädliche Cadmium als Legierungsbestandteil auftritt.

Mit der DE-OS 27 45 409 ist dann eine Legierung für ein Hartlot mit einem Silberanteil von 50-70 Gew.-%, einem Kupferanteil von 15-30 Gew.-% und einem Zinkanteil von 8-20% bekanntgeworden, bei der auf den Cadmiumanteil vollständig verzichtet wird und ein Galliumgehalt von 0,1-8 Gew.-% vorgesehen ist. Die bevorzugte Ausführungsform unter Verwendung von Gallium in einer Silber- Kupfer-Zink-Legierung enthält 57-64 Gew.-% Silber, 18-25 Gew.-% Kupfer, 15-17 Gew.-% Zink und 2-3 Gew.-% Gallium, wobei in einer speziellen Zusammensetzung mit 62 Gew.-% Silber, 20 Gew.-% Kupfer, 15 Gew.-% Zink und 3 Gew.-% Gallium Arbeitstemperaturen von 690°C und eine Kaltverformbarkeit von 80% erzielt werden.

Bei dem in dem konkreten Beispiel angegeben Silberanteil von 62 Gew.-% und einem Galliumanteil von 3 Gew.-% ist daher trotz des hohen und somit kostenintensiven Silberanteils von 62% eine Arbeitstemperatur erzielbar, die über der bekannter Hartlotlegierungen mit einem Cadmiumanteil liegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein cadmiumfreies Hartlot für universelle Anwendungsfälle mit guter Dehnung und Zugfestigkeit sowie dem Schmelz-, Benetzungs- und Fließverhalten einer cadmiumhaltigen Legierung anzugeben, das zudem kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine Verarbeitung bei geringen Arbeitstemperaturen gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Hartlotlegierung mit Silber-, Kupfer- und Zinkanteilen sowie einem Galliumanteil vor, bei der der Silberanteil 34-45 Gew.-%, der Zinkanteil 25-27 Gew.-%, der Kupferanteil 27-36 Gew.-% und der Galliumanteil 2-2,5 Gew.-% beträgt.

Als weiteren Bestandteil kann die Legierung Silizium mit einem Anteil unter 5 Gew.-% enthalten.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einem kostengünstigen Silbergehalt von 34 bis 45 Gew.-%, der damit weit unter dem der bekannten cadmiumfreien, aber galliumhaltigen Legierungen liegt, und einem Galliumanteil von 2-2,5 Gew.-% gleichermaßen hervorragende Ergebnisse bezüglich der Zugfestigkeit und Dehnung des Lotes und der Benetzbarkeit erzielt werden können, wobei die Arbeitstemperatur noch unter der vergleichbarer Legierungen des Standes der Technik liegt.

Zur Veranschaulichung und vergleichenden Betrachtung der mit den vorgeschlagenen Silber- und Galliumgehalten erreichten vorteilhaften Ergebnisse wird auf die in der beigefügten Tabelle niedergelegten Versuchsreihen 1-3 verwiesen.

In Versuchsreihe 2 sind zwei Legierungen mit einem Cadmiumanteil bzw. einem Zinnanteil drei erfindungsgemäßen Hartloten mit 45 Gew.-% Silber, 25 Gew.-% Zink und 27 Gew.-% Kupfer sowie einem Galliumgehalt von 2,25 und 2,5 Gew.-% gegenübergestellt. Aus den mit jeder der hier angegebenen erfindungsgemäßen Legierungen erzielten Ergebnissen wird deutlich, daß bei einem gegenüber den bekannten galliumhaltigen Legierungen geringen Silbergehalt Arbeitstemperaturen von 680°C möglich sind und bei 720°C gute Dehnungs-, Zugfestigkeits- und vor allem Benetzungseigenschaften erzielt werden können, die - bis auf die Dehnbarkeit des Lotes - sogar besser als die der vergleichbaren cadmiumhaltigen Legierung sind.

In der dritten Versuchsreihe werden die Eigenschaften von zwei erfindungsgemäßen Legierungen mit 34 Gew.-% Silber, 27 Gew.-% Zink und 36 Gew.-% Kupfer sowie einem Galliumgehalt von 2 bzw. 2,25 Gew.-% verglichen. Selbst bei diesem gegenüber dem zutreffenden Stand der Technik vergleichsweise geringen Silbergehalt beträgt die Arbeitstemperatur noch 710°C und bei 780°C liegen die Zugfestigkeit und Dehnung des Lotes, die Benetzbarkeit und die Zugfestigkeit einer stumpfgelöteten Probe über den bei einer cadmiumhaltigen Legierung mit gleichen Silber-, Zink- und Kupferanteilen erreichbaren Werten.

Bei den in der Tabelle mit Reihe 1 wiedergegebenen, zur vorliegenden Erfindung vergleichsweise durchgeführten Versuchen, wurden entsprechend dem in der Beschreibungseinleitung dargestellten Stand der Technik (DE 27 45 409) Hartlote mit 56 Gew.-% Silber, 17 Gew.-% Zink und 22 Gew.-% Kupfer, jedoch mit einem Galliumanteil mit mehr als 3-5 Gew.-% untersucht und mit bekannten handelsüblichen Legierungen mit einem Cadmium- bzw. einem Zinnbestandteil verglichen. Neben einer Arbeitstemperatur, die mit 650°C unter der für die im Stand der Technik beschriebenen cadmiumfreien Lote mit einem Galliumanteil von max. 3 Gew.-% liegt, sind die für die Verarbeitung und Bearbeitung des Lotes wichtigen Eigenschaften insgesamt mit denen cadmiumhaltiger Hartlotlegierungen vergleichbar.

Als besonders bedeutsam für die Auswertung hat sich die Benetzung erwiesen. Sie wurde dadurch bestimmt, daß eine vorgeschlagene Probenmenge bei einer bestimmten Temperatur auf St 37 unter Anwendung eines geeigneten Flußmittels erschmolzen wurde. Im Anschluß daran wurde die Fläche nach Quadratmillimetern ausgezählt. In der ersten, lediglich vergleichsweise durchgeführten Versuchsreihe mit Silbergehalten von 56% in der untersuchten Legierung ergaben sich Benetzungen, die bei Loten mit 3,5-5 Gew.-% Gallium in etwa dem cadmiumhaltigen Hartlot entsprachen. Auch nach dem persönlichen Urteil eines Anwenders im praktischen Versuch verhalten sich diese beiden Proben wie ein cadmiumhaltiges Hartlot. Ähnliche Ergebnisse sind jedoch auch für die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung in der zweiten Versuchsreihe bei 45% Silberanteil festzustellen. Die mit 2,25 und 2,5 Gew.-% Galliumanteil legierten Hartlote übertreffen die Benetzung des cadmiumhaltigen Hartlotes. In der dritten Versuchsreihe mit einem Silbergehalt von nur 34 Gew.-% in der untersuchten Legierung war wiederum zu erkennen, daß das Zulegieren von Gallium auch in diesem Fall die Benetzung stark verbessert.

Die in den Tabellen wiedergegebenen Werte für die Zug­ festigkeit ist an Rundproben aus Lotmaterial festgestellt worden. Das gleiche gilt für die Dehnung. Die Zugfestig­ keit der Lötprobe ist ebenfalls an Rundproben festgestellt worden, die aus St 37 bestanden und stumpf mit einem Spalt von 0,1 mm entsprechend der DIN-Norm aneinandergelötet waren.

Insgesamt kann festgestellt werden, daß bei höheren Silbergehalten - beispielsweise in Versuchsreihe 1 mit 56 Gew.-% Silberanteil - die Wirkung des Galliums deutlicher zum Vorschein kommt. Gleichwohl sind auch bei Silbergehalten von 45% und 34% und einem Galliumanteil von 2-2,5% gemäß Versuchsreihe 2 und 3 die beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich der Benetzbarkeit, der Dehnung und Zugfestigkeit gleichermaßen erreichbar. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß mit dem erfindungsgemäßen Hartlot bei günstigen Arbeitstemperaturen von 680°C gearbeitet werden kann, und die Arbeitstemperatur damit unter der liegt, die beispielsweise mit einer bekannten Legierung mit 62 Gew.-% Silber, 20 Gew.-% Kupfer, 15 Gew.-% Zink und 3 Gew.-% Gallium entsprechend dem in der DE-OS 27 45 409 geschilderten Stand der Technik erreicht wurde.

Claims (2)

1. Legierung für ein Hartlot mit Silber-, Kupfer- und Zinkanteilen sowie einem Galliumanteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Silberanteil 34-45 Gew.-%, der Zinkanteil 25-27 Gew.-%, der Kupferanteil 27-36 Gew.-% und der Galliumanteil 2-2,5 Gew.-% beträgt.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weiterer Legierungsbestandteil Silizium mit einem Anteil unter 5 Gew.-% enthalten ist.