DE60101205T2

DE60101205T2 - Silber Hartlotlegierung

Info

Publication number: DE60101205T2
Application number: DE60101205T
Authority: DE
Inventors: Wangen Lin; Brian Schwartz; Viktor Fedorovich Khorunov; F. Michael Hosking; Svitlana Vasylivna Maksymova
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: JP2002254196A; JP4022397B2; DE60101205D1; US20020085944A1; US20030180176A1; EP1219718B1; US6596229B2; SG105518A1; US6936218B2; EP1219718A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Silberlotlegierung und ein Verfahren zum Löten von Metallteilen.
Es ist bekannt, Metallteile, z. B. Stahlteile, unter Verwendung von nichteisenhaltigem Lot, auch als Füllmetall bekannt, mit Lötlampe zu löten, durch Induktion zu löten, mit Lötofen zu löten, oder vakuumzulöten. Typische Füllmetalle umfassen Silber-, Gold-, Nickel- und Kupferlot. Silberlotlegierungen sind teurer und schmelzen im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen als Kupferlegierungen.
Ein Silberlot, welches im Stand der Technik verwendet wurde, ist eine Legierung, welche 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer und 2,0 Gew.-% Nickel enthält. Trotz weit verbreiteter Verwendung dieses Silberlots bleibt ein Erfordernis für eine Legierung bestehen, welche verbesserte Löteigenschaften hat, insbesondere verbesserte Benetzbarkeit.
Silber-Weichlot- oder -Hartlotlegierungen mit Mangan und/oder Nickel zusammen mit Kupfergehalt sind bereits im Stand der Technik veröffentlicht, z. B. in den JP-Veröffentlichungen 57-149022, 57-149093 oder in US-A-2 303 272. Ferner wird Löten von Stahl oder aus freien Stahllegierungen üblicherweise mit den bekannten Lotlegierungen "Braze 580" und "Braze 655" durchgeführt, auf Basis von Silber mit Beteiligung von Cu und Mn oder ferner enthaltend Nickel (Braze 655).
Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Silberlotlegierung mit verbesserter Benetzbarkeit zur Verfügung zur stellen.
Es ist ferner wünschenswert, ein verbessertes Lötverfahren zur Verfügung zu stellen, welches kein Überziehen mit Nickel eines Substrats aus rostfreiem Stahl vor dem Löten erfordert.
Die oben genannten Ziele werden erreicht durch die in den Ansprüchen 1 bis 5 definierte Silberlotlegierung und das in den Ansprüchen 6 bis 13 definierte Lötverfahren.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen des Silberlots und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden nun in größerem Detail, jedoch lediglich beispielhaft, in Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Die Figur ist ein Graph, welcher den Benetzungswinkel zeigt, der erreicht werden kann durch die erfindungsgemäß bevorzugten Legierungen in Abhängigkeit des Mangangehalts der Legierung.
Eine erfindungsgemäße Silberlotlegierung besteht aus 52,25 Gew.-% bis 57 Gew.-% Silber, 38,95 Gew.-% bis 43 Gew.-% Kupfer, 0,5 Gew.-% bis 5,5 Gew.-%, vorzugsweise 1,0 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% Mangan, und bis zu ca. 2,5 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Nickel. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können auch insgesamt bis zu 0,15 Gew.-% an tolerierten, nicht vermeidbaren Verunreinigungen enthalten, z. B. Eisen, Zink, Silicium, Phosphor, Schwefel, Platin, Palladium, Blei, Gold, Aluminium, Magnesium, Zinn, Germanium, Kohlenstoff, und Sauerstoff. Es wurde gefunden, dass ein Manganzusatz innerhalb der o. g. Bereiche die Löteigenschaften der Legierung der vorliegenden Erfindung verbessert, insbesondere die Benetzungseigenschaften, im Vergleich zu einer Silber-Kupfer-Nickel-Lotlegierung, bestehend aus 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer und 2,0 Ge2.-% Nickel.
Besonders brauchbare, erfindungsgemäße Lotlegierungen umfassen: (1) ein Silberlot, bestehend aus 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer und 2,0 Gew.-% Mangan; und (2) ein Silberlot, bestehend aus 0,5 bis 5,5 Gew.-% Mangan, wobei die verbleibende Zusammensetzung Ag, Cu, Ni im proportionalen Verhältnis von 56 : 42 : 2 ist.
Die Silberlotlegierung der vorliegenden Erfindung kann auf jegliche in der Technik bekannte Weise gebildet werden und kann unter Verwendung jeglicher in der Technik bekannten Weise zu jeglicher gewünschter Form gegossen werden. Beispielsweise kann die Silberlotlegierung der vorliegenden Erfindung in Streifenform, Drahtform, Stangenform, Plattenform, Folienform, Rohform, Pulverform, Schrotform, Plättchenform oder Pastenform sein.
Die Silberlotlegierung der vorliegenden Erfindung kann bei einer Temperatur in einem Bereich von ca. 900°C bis ca. 1050°C, vorzugsweise von ca. 950°C bis 1050°C, über eine Zeit hartgelötet werden, welche ausreichend ist, um die Lotlegierung auf ein Substrat schmelzen zu lassen, welches aus einem eisenhaltigen Material, z. B. Stahl und rostfreier Stahl, gebildet ist. Mit Verwendung der Legierungen der vorliegenden Erfindung kann das Löten durchgeführt werden unter Verwendung eines Ofens, lokal unter Verwendung einer Lötlampe, unter Verwendung eines Induktionserhitzers, Eintauchen in ein Lot- oder Flussmittelbad, durch Widerstandserhitzen, Lasererhitzen oder Infraroterhitzen. Abhängig von dem verwendeten Lötverfahren kann dass Löten in einer Inertgasatmosphäre, z. B. Argonatmosphäre, oder einer anderen Art von Schutzatmosphäre durchgeführt werden. Die Silberlotlegierung der vorliegenden Erfindung schmilzt bei den o. g. Löttemperaturen und benetzt das eisenhaltige Substratmaterial ohne Schwierigkeiten, um verbunden zu werden, ohne das eisenhaltige Substratmaterial zu schmelzen.
Die Silberlotlegierung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um Stahlflächen hartzulöten, insbesondere Flächen aus rostfreiem Stahl. Einer der Vorteile von Silberlotlegierungen der vorliegenden Erfindung ist, dass in einer Inertgasatmosphäre, z. B. Argonatmosphäre, kein Flussmittel verwendet werden muss und kein Nickelüberzug des eisenhaltigen Substratmaterials erforderlich ist.
Es wurde gefunden, dass die Silberlötlegierungen der vorliegenden Erfindung eine bessere Benetzungsfähigkeit und Flusseigenschaften haben als andere Lötlegierungen, wie z. B. eine Legierung bestehend aus 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer und 2,0 Gew.-% Nickel.
Um die verbesserten Eigenschaften der Legierungen der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde eine festgelegte Menge einer Lotlegierung, entsprechend den Legierungen der vorliegenden Erfindung, auf eine Reihe von Teilen aus rostfreiem Stahl angebracht. Das Lotvolumen wurde klein gehalten, um ein übermäßiges Ausbreiten der Legierung während des Tests zu verhindern. Jede Probe wurde dann auf eine Löttemperatur von 900°C oder 1000°C in einem Lötofen unter Argonschutzatmosphäre erhitzt. Die Lotlegierung schmolz unter den o. g. Lötbedingungen und bildete einen Benetzungswinkel mit dem rostfreien Stahlteil. Der Winkel an der Kontaktlinie zwischen der flüssigen oder verfestigten Lotlegierung und dem rostfreien Stahlteil wurde dann gemessen. Das wurde entweder in situ durchgeführt oder nachdem das Teil auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Der resultierende Winkel ist ein Indikator der Benetzbarkeit. Je niedriger der Kontakt- oder Benetzungswinkel ist, desto besser ist das Benetzungsverhalten zwischen der Silberlotlegierung und dem Basismaterial. Wie aus 1 ersichtlich, zeigten die auf eine Temperatur von 1000°C erhitzten erfindungsgemäßen Lötlegierungen Benetzungswinkel im Bereich von ca. 1° bis ca. 19° und auf eine Temperatur von 900°C erhitzte erfindungsgemäße Lötlegierungen zeigten Benetzungswinkel, welche von ca. 1° bis zu ca. 37° reichten.
Der typische Benetzungswinkel für eine 56Ag-42Cu-2Ni-Legierung kann von 10 bis 90° reichen, abhängig von den Oberflächenbedingungen des rostfreien Stahls und der Löttemperatur. Wie aus der vorangegangenen Diskussion ersichtlich, reduzieren die erfindungsgemäßen Silberlotlegierungen diesen weiten Bereich der Benetzbarkeit beträchtlich, was zu im Allgemeinen niedrigen Benetzungswinkeln und verbessertem Lotfluss führt. Der vorangehende Test zeigt, dass je höher der Mangangehalt der Legierung, desto niedriger der Benetzungswinkel. 1 zeigt deutlich, dass erfindungsgemäße Legierungen mit einem Mangangehalt von > 1,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% hervorragende Benetzungseigenschaften bieten.
Es ist ersichtlich, dass gemäß der vorliegenden Erfindung eine Silberlotlegierung bereitgestellt wurde, welche die vorangegangenen Ziele, Mittel und Vorteile vollständig erfüllt.

Claims

Silberlotlegierung bestehend aus von 52,25 Gew.-% bis 57,0 Gew.-% Silber, von 38,95 bis 43,0 Gew.-% Kupfer, von 0,5 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% Mangan, bis zu ca. 2,5 Gew.-% Nickel und bis zu insgesamt 0,15 Gew.-% an tolerierten, nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
Silberlotlegierung gemäß Anspruch 1, wobei der Nickelgehalt des Lots in einem Bereich von 1,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% ist.
Silberlotlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Mangangehalt in einem Bereich von 1,0 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% ist.
Silberlotlegierung bestehend aus 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer, 2,0 Gew.-% Mangan und nicht vermeidbaren Verunreinigungen.
Silberlotlegierung bestehend aus 0,5 bis 5,5 Gew.-% Mangan, wobei die verbleibende Zusammensetzung, abgesehen von nicht vermeidbaren Verunreinigungen, Silber, Kupfer und Nickel im proportionalen Verhältnis von 56 : 42 : 2 ist.
Verfahren zum Löten eines Gegenstands, aufweisend: (1) Bereitstellen eines Gegenstands, der aus einem eisenhaltigen Material gebildet ist; (2) Aufbringen eines Lotmaterials auf den Gegenstand, das aus einer Legierung gebildet ist, die aus von 52,25 Gew.-% bis 57,0 Gew.-% Silber, von 38,95 Gew.-% bis 43,0 Gew.-% Kupfer, von 0,5 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% Mangan, bis zu ca. 2,5 Gew.-% Nickel und bis zu insgesamt 0,15 Gew.-% an tolerierten, nicht vermeidbaren Verunreinigungen besteht; und (3) Erhitzen des Gegenstands und des Lotmaterials auf eine Temperatur im Bereich von 900°C bis 1050°C für eine ausreichend lange Zeit, um das Lotmaterial zu schmelzen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Erhitzens Erhitzen des Gegenstands und des Lotmaterials auf eine Temperatur im Bereich von 950°C bis 1050°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schritt des Aufbringens von Lotmaterial ein Aufbringen eines Lotmaterials aufweist, welches aus ca. 56 Gew.-% Silber, 42 Gew.-% Kupfer, 2,0 Gew.-% Mangan und nicht vermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schritt des Aufbringens von Lotmaterial Aufbringen eines Lotmaterials aufweist, welches aus 0,5 bis 5,5 Gew.-% Mangan besteht, wobei die verbleibende Zusammensetzung, abgesehen von nicht vermeidbaren Verunreinigungen, Silber, Kupfer und Nickel im proportionalen Verhältnis von 56 : 42 : 2 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Lotmaterial, das aufgebracht wird, einen Nickelgehalt im Bereich von 1,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Lotmaterial, das aufgebracht wird, einen Mangangehalt im Bereich von 1,0 Gew.-% bis 5,5 Gew.-% hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Gegenstands ein Bereitstellen eines Gegenstands, der aus Stahl gebildet ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bereitstellens eines Gegenstands ein Bereitstellen eines Gegenstands, der aus rostfreiem Stahl gebildet ist, aufweist.