DE4404406A1

DE4404406A1 - Hartlot auf Kupferbasis zum Verlöten von porösen Sinterstählen

Info

Publication number: DE4404406A1
Application number: DE19944404406
Authority: DE
Inventors: Erich Prof Dr Lugscheider; Wolfgang Dr Tillmann; Feng Zezhou
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1994-02-11
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 1995-08-17

Description

Die Erfindung betrifft ein Hartlot auf Kupferbasis zum Verlöten von porösen Sinterstählen untereinander oder mit einem massiven Stahlteil.

Sinterstähle geringer Dichte besitzen eine hohe Porosität, die den Einsatz konventioneller Hartlote für die Verbindung solcher Teile miteinander oder mit massiven Teilen ausschließt, da diese die porösen Körper infiltrieren und damit an der Fügestelle für eine Verbindungsausbildung nicht mehr zur Verfügung stehen.

In der DE-OS 35 06 275 wird ein Verfahren zum Verbinden von porösen Metallkörpern beschrieben, wobei man als Lot eine eutektische Legierung verwendet, die wenigstens einen Bestandteil enthält, der in das zu verbindende Metall leicht eindiffundiert. Dadurch füllt die eutektische Lotlegierung im schmelzflüssigen Zustand zwar die Poren an der Fügestelle, das gut diffusionsfähige Element diffundiert aber aus der Schmelze in den Metallkörper und erhöht dadurch den Schmelzpunkt des Lotes. Dieses erstarrt und verstopft die Poren, so daß ein weiteres Füllen der entfernter liegenden Poren durch das schmelzflüssige Lot blockiert wird. Infolgedessen werden nur die Poren im unmittelbaren Bereich der miteinander zu verbindenden Flächen gefüllt, so daß genügend Lotschmelze an der Fügestelle verbleibt und die Eigenschaften des porösen Werkstoffes nicht verlorengehen. Als Lote werden Eisenlegierungen verwendet, die Chrom, Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal oder Titan, und als gut diffusionsfähige Elemente Kohlenstoff, Phosphor und/oder Bor enthalten. Beim Aufschmelzen entsprechender Pulvergemische bleibt ein Teil des Pulvers im festen Zustand, was eine Verstopfung der Poren fördert. Homogene Lotschmelzen werden nicht verwendet.

In der DE-PS 36 10 723 werden zum Verlöten von porösen Sintermetallteilen Lotpasten mit Hartlotlegierungspulvern aus 40 bis 45 Gew.% Nickel, 35 bis 40 Gew.% Kupfer, 15 bis 20 Gew.% Mangan und 1 bis 2 Gew.% Silizium verwendet. Für das Löten ist hierbei eine Schutzgasatmosphäre notwendig.

Generell sind Lote auf Eisen oder Nickelbasis nicht überall anwendbar. Außerdem bereiten sie oft Schwierigkeiten beim Herstellen von Halbzeug.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hartlot auf Kupferbasis zum Verlöten von porösen Sinterstählen untereinander oder mit einem massiven Stahlteil zu entwickeln, das für alle Lötatmosphären verwendbar ist, sich problemlos zu Halbzeugen auf mechanischem Weg verarbeiten läßt, eine hohe Eigenfestigkeit besitzt und Bestandteile enthält, die bei Löttemperatur rasch in den Eisenwerkstoff eindiffundieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Hartlot 1 bis 6 Gew.% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.% Bor, 0 bis 25 Gew.% Eisen und 0 bis 20 Gew.% Nickel, Rest Kupfer, enthält.

Durch den Zusatz von Eisen und Nickel kann die Arbeitstemperatur und die Festigkeit der Lote heraufgesetzt werden. Vorteilhafterweise arbeitet man jedoch bei Löttemperaturen um 1000°C, was bedeutet, daß die Hartlote kein Eisen und Nickel oder nur wenig Eisen enthalten.

Beim Benetzen des porösen Sinterstahls mit dem schmelzflüssigen Lot diffundieren Silizium und Bor in den Stahl ein, wodurch sich die Zusammensetzung des Lotes und damit der Schmelzpunkt ändert. Es kommt daher zu einer isothermen Erstarrung der Lotschmelze in den Poren. Ein Lot der Zusammensetzung CuSi4 besitzt einen Schmelzbereich von 925-1005°C. Die Arbeitstemperatur beim Verlöten von Sinterstahl beträgt etwa 1020°C. Sinkt der Siliziumanteil im Lot auf 3,4%, so entstehen bei 1020°C die ersten Festphasen. Bei einem Siliziumgehalt von 2% haben sich bei 1020°C etwa 80% Festphasen gebildet.

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele von Loten, die für das Verlöten von porösen Sinterstählen geeignet sind:

Tabelle

Diese Lote sind sowohl im Hochvakuum als auch unter Schutzgasatmosphäre (Argon, Formiergas) verwendbar.

Mit diesen Loten wurden Scher- und Zugversuche durchgeführt, wobei sowohl Sinterstahl-Sinterstahl als auch Sinter-Baustahl (St37) getestet worden sind. Die erreichten Festigkeiten lagen durchweg über den Werten, die in der Literatur für konventionelle Lötungen angegeben sind. Im Zugversuch wurden bei optimierten Haltezeiten Festigkeiten von 250 MPa und mehr ermittelt. Der Bruch trat dabei im Grundwerkstoff auf. Auch nach einer Wärmebehandlung, wie sie zum Einsatzhärten, Nitrieren oder Vergüten verwendet wird, können Festigkeiten von 200 MPa erreicht werden.

In Scherversuchen wurden Festigkeiten von 150-200 MPa im Verbund Sinterstahl-Baustahl gemessen, was der Scherfestigkeit von Sinterstahl entspricht.

Die erreichten Festigkeiten (Zug- und Scher-) der Lötverbindungen entsprechen den Festigkeiten des Sinterstahls, der speziell bei langsamen Abkühlungen (Vakuumofen) an Festigkeit verliert. Werden die Verbunde schnell abgekühlt (Induktionslötung, Lötung im Durchlaufofen), erreicht der Lötverbund Festigkeiten, die der Loteigenfestigkeit entspricht.

Bei keiner der genannten Lotlegierungen kam es zu einer deutlichen Lotinfiltration in den porösen Grundwerkstoff.

Claims

Hartlot auf Kupferbasis zum Verlöten von porösen Sinterstählen untereinander oder mit einem massiven Stahlteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlot 1 bis 6 Gew.% Silizium, 0,1 bis 1,5 Gew.% Bor, 0 bis 25 Gew.% Eisen und 0 bis 20 Gew.% Nickel, Rest Kupfer, enthält.