DE4333798C2 - Verfahren zum Aufbringen von Hartstoffen auf Stähle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Hartstoffen auf Grundkörper aus Stahl bei Temperaturen oberhalb 570° unter Verwendung eines Dreischichtenlots, bei dem die Mittelschicht aus einer Kupfer- oder Nickellegierung besteht und beiderseits mit einer Schicht aus einem Hartlot versehen ist, dessen Arbeitstemperatur wenigstens um 50°C unterhalb des Schmelzpunktes der Kupfer- oder Nickellegierung der Mittelschicht liegt, so daß durch die Wahl der Arbeitstemperatur und der Legierung beim Auflöten ein Aufschmelzen der Mittelschicht verhindert wird.

Hartstoffe, insbesondere Hartmetalle und Cermets werden im großen Umfang in der Schneidtechnik zum Bearbeiten von Holz, Stahl und Gestein eingesetzt. Dazu ist es erforderlich, die Hartstoffteile mit einem Grundkörper aus Stahl zu verbinden. Dies erfolgt in der Regel durch Klemm- oder Schraubverbindungen oder vorzugsweise durch Löten.

Beim Einsatz dieser Bearbeitungswerkzeuge treten in der Verbindungszone zwischen Hartmetallteil und Grundkörper hohe und komplexe Beanspruchungen auf, wie Druck-, Zug- und Scherspannungen. Außerdem entstehen beim Löten durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Hartstoff und Stahl beim Abkühlen beträchtliche Spannungen, die durch duktil bleibende Lote ausgeglichen werden können. Solche duktilen Lote, wie beispielsweise CuMnNi-, CuMnCo-, CuMnSi- und AgCuZnMnNi-Legierungen, besitzen mechanische Fertigkeiten, die für viele Anwendungen ausreichend hoch sind. Für extreme Anwendungsfälle, wie sie häufig in der Schneidtechnik auftreten können, werden Lote mit höheren Festigkeiten gefordert.

In der DE 40 36 777 A1 werden ausscheidungshärtbare Lote, wie CuNiSi-, CuBe-, CuZr- oder CuTi-Legierungen, zum Verbinden von Hartmetallteilen mit Grundkörpern aus Stahl verwendet. Diese Lote besitzen eine hohe Duktilität nach dem Abkühlen und erreichen eine hohe mechanische Festigkeit nach dem Aushärten durch eine Anlasserwärmung.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß aufgrund des hohen Schmelzpunktes dieser ausscheidungshärtbaren Kupfer-Legierungen hohe thermische Spannungen in dem Verbund Hartmetall und Stahl entstehen. Dies kann insbesondere bei Hartmetallen mit geringem Kobalt-Bindeanteil zum Versagen des Bauteils führen.

In der Löttechnik sind Mehrschichtenlote bekannt. Sie dienen beispielsweise dazu, spröde, an sich nichtverformbare Lötteile herzustellen, indem man die duktilen Lotkomponenten aufeinanderplattiert und entsprechende Lotformteile herstellt. Die eigentliche Lotlegierung entsteht erst beim Aufschmelzen des Schichtlotes.

Aus der GB-PS 677 012 ist ein Dreischichtenlot bekannt, bestehend aus einer Zwischenschicht aus Stahl, Kupfer oder Kupfer-Nickellegierung, auf die beidseitig eine Lotschicht aufplattiert ist. Die Zwischenschicht bleibt beim Lötvorgang fest und hat die Aufgabe die Lotbindung zu verstärken, um thermische Spannungen aufzunehmen. Dieses Lot wird auch für Hartmetallwerkzeuge verwendet, besitzt aber noch keine optimalen Festigkeitswerte.

Auch in der US-PS 3,676,088 werden Mehrschichtenlote beschrieben, wobei die Zwischenschicht aus einer Kupferlegierung besteht. Diese Lote dienen als Ersatz für die spröden Kupfer-Phosphorlote und dienen nicht zum Auflöten von Hartmetallen auf Stahl.

Zum Auflöten von Hartmetallen auf Stahl dient ein Mehrschichtenlot gemäß DE-PS 8 63 737, bestehend aus einer Zwischenschicht aus Kupfer oder Nickel, beidseitig plattiert mit einem Silberlot. Nach dem Löten erfolgt noch eine Wärmebehandlung, um eine weitere Diffusion zwischen dem Silber und dem Metall der Zwischenschicht zu erreichen. Hohe Härtewerte können daher nicht erreicht werden.

Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbringen von Hartstoffen auf Grundkörper aus Stahl bei Temperaturen oberhalb 570°C unter Verwendung eines Dreischichtenlotes gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1 zu ent­ wickeln, bei dem nicht nur die hohe mechanische Festigkeit einer aushärtbaren Lotlegierung, sondern auch eine Reduzierung der thermischen Spannungen des Hartstoff/Stahl-Verbundes erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Mittelschicht eine aushärtbare Kupfer- oder Nickelschicht verwendet wird, daß nach dem Löten so schnell abgekühlt wird, daß keine Ausscheidungen in der Zwischenschicht eintreten, und daß danach eine Temperaturbehandlung bei 250 bis 550°C zur Ausscheidungshärtung der Mittelschicht angeschlossen wird.

Es wird also eine an sich bekannte aushärtbare Kupfer- Legierung oder Nickel-Legierung als Mittelschicht eines Mehrschichtenlotes verwendet. An diese Mittelschicht wird auf beiden Seiten ein an sich bekanntes Hartlot anplattiert, wobei die Arbeitstemperatur des anplattierten Lotes wenigstens um 50°C unterhalb der Schmelztemperatur der ausscheidungshärtbaren Mittelschicht liegen muß. Da durch die Wahl der Arbeitstemperatur und der Legierung die Mittelschicht während des Lötvorganges nicht aufschmilzt, kann die Ausbildung einer dickeren Lotschicht erreicht werden, die die thermischen Spannungen zwischen dem Grundkörper und dem Hartstoffteil deutlich reduziert.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Mehrschichtenlotes mit einer aushärtbaren Mittelschicht besteht darin, daß beim Lötprozeß, der praktisch einem Lösungsglühen der aushärtbaren Zwischenschicht entspricht, die hohe Duktilität der Zwischenschicht während der gesamten Abkühlphase erhalten bleibt.

Da die thermischen Spannungen vor allem beim Abkühlen entstehen, kann die im lösungsgeglühten Zustand vorliegende Mittelschicht die thermischen Spannungen zu einem großen Teil abbauen. Beim Abkühlen ist lediglich darauf zu achten, daß die Abkühlung so schnell erfolgt, daß keine Ausscheidungen auftreten.

Die aushärtbare Lot-Mittelschicht bietet nun die Möglichkeit, durch eine dem Lötprozeß nachgeschaltete Ausscheidungserwärmung die mechanische Festigkeit der Lötverbindung zu erhöhen ohne die thermischen Spannungen wesentlich zu erhöhen. Mit den erfindungsgemäßen Lötverfahren kann daher eine hochfeste und gleichzeitig spannungsarme Lötverbindung hergestellt werden.

Als Mittelschichten werden vorzugsweise solche aushärtbaren Kupfer- und Nickellegierungen ausgewählt, deren Schmelzpunkt weit über der Arbeitstemperatur des verwendeten, anplattierten Lotes liegt, und die Anlaßtemperaturen im Bereich von 250-550°C aufweisen.

Vorteilhafterweise verwendet man für die Mittelschicht des Mehrschichtenlotes Kupferlegierungen mit Beimengungen eines oder mehrerer der Metalle oder Elemente Indium, Chrom, Beryllium, Nickel, Magnesium, Scandium, Silizium, Zinn, Titan, Zirkonium, Hafnium und Mangan bzw. Nickellegierungen mit Beimengungen eines oder mehrerer der Metalle Aluminium, Kupfer, Titan und Beryllium.

Bewährt haben sich als aushärtbare Lotmittelschichten folgende Kupferlegierungen:
Cu mit 15 bis 25 Gew.-% Mn und 15 bis 25 Gew.-% Ni
Cu mit 7 bis 8,5 Gew.-% Mn und 2 bis 3 Gew.-% Si
Cu mit 0,4 bis 2 Gew.-% Cr
Cu mit 0,4 bis 1 Gew.-% Hf und 0,3 bis 0,5 Gew.-% Zr
Cu mit 0,1 bis 0,4 Gew-% Zr
Cu mit 0,5 bis 2 Gew.-% Ti
Cu mit 6 bis 10 Gew.-% Ni und 6 bis 10 Gew.-% Sn
Cu mit 1 bis 2 Gew.-% Ti, 2 bis 3 Gew.-% Si und 0,3 bis 0,8 Gew.-% Cr
Cu mit 0,5 bis 20 Gew.-% In
Cu mit 1 bis 4 Gew.-% Be
Cu mit 1 bis 3 Gew.-% Ni und 0,4 bis 0,8 Gew.-% Si bzw. Nickellegierungen
Ni mit 2 bis 6 Gew.-% Al und 1 bis 2 Gew.-% Titan
Ni mit 20 bis 40 Gew.-% Cu und 2 bis 4 Gew.-% Al
Ni mit 1 bis 3 Gew.-% Be.

Besonders bewährt haben sich Cu mit 20% Mn und 20% Ni, Cu mit 7,65 Mn und 2,35% Si, Cu mit 1% Ti, Cu mit 2% Ni und 0,6% Si, Ni mit 4% Al und 1,5% Ti, Cu mit 0,6% Cr, Cu mit 0,2% Zr und Cu mit 0,66% Hf und 0,04% Zr.

Als anplattierbare Lotschichten haben sich folgende Lotzusammensetzungen bewährt:
Ag mit 25 bis 34 Gew.-% Cu, 18 bis 25 Gew.-% Zn, 1 bis 5 Gew.-% Mn und 0,3 bis 1 Gew.-% Ni mit einer Arbeitstemperatur von 650 bis 700°C,
Ag mit 20 bis 35 Gew.-% Cu, 4 bis 8 Gew.-% In, 1 bis 3 Gew.-% Ni und 1 bis 3 Gew.-% Mn mit Arbeitstemperaturen von 710 bis 600°C,
Cu mit 15 bis 20 Gew.-% Ag, 20 bis 30 Gew.-% Zn, 15 bis 20 Gew.-% Cd, 2 bis 3 Gew.-% Mn und 0,3 bis 0,7 Gew-% Ni mit Arbeitstemperaturen von 570 bis 780°C Cu mit 10 bis 15 Gew.-% Mn und 1 bis 4 Gew.-% Ni mit Arbeitstemperaturen zwischen 950 und 1000°C.

Das Lot der anplattierten Schicht und die aushärtbare Legierung der Mittelschicht müssen stets so gewählt und kombiniert werden, daß zwischen der Arbeitstemperatur des Lotes und der Schmelztemperatur der Zwischenschicht ein Temperaturunterschied von wenigstens 50°C liegt.

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele von geeigneten Mehrschichtenloten mit Angaben der Arbeitstemperatur, Auslagerungstemperatur und erreichte Scherfestigkeit der Lotschicht.

Claims (2)

1. Verfahren zum Aufbringen von Hartstoffen auf Grundkörper aus Stahl bei Temperaturen oberhalb 570°C unter Verwendung eines Dreischichtenlotes, bei dem die Mittelschicht aus einer Kupfer- oder Nickellegierung besteht und beiderseits mit einer Schicht aus einem Hartlot versehen ist, dessen Arbeitstemperatur wenigstens um 50°C unterhalb des Schmelzpunktes der Kupfer- oder Nickellegierung der Mittelschicht liegt, so daß durch die Wahl der Arbeitstemperatur und der Legierung beim Auflöten ein Aufschmelzen der Mittelschicht verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittelschicht eine aushärtbare Kupfer- oder Nickellegierung verwendet wird, daß nach dem Löten so schnell abgekühlt wird, daß keine Ausscheidungen in der Mittelschicht auftreten, und daß danach eine Temperaturbehandlung bei 250 bis 550°C zur Ausscheidungshärtung der Mittelschicht angeschlossen wird.

2. Verfahren zum Auflöten von Hartstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittelschicht aushärtbare Kupfer- und Nickellegierungen der Zusammensetzung Kupfer mit 20 Gew.% Mangan und 20 Gew.% Nickel, Kupfer mit 7,65 Gew.% Mangan und 2,35 Gew.% Silizium, Kupfer mit 1 Gew.% Titan, Kupfer mit 2 Gew.% Nickel und 0,6 Gew.% Silizium, Nickel mit 4 Gew.% Aluminium und 1,5 Gew.% Titan, Kupfer mit 0,6 Gew.% Chrom, Kupfer mit 0,2 Gew.% Zirkonium und Kupfer mit 0,66 Gew.% Hafnium und 0,04 Gew.% Zirkonium eingesetzt werden.