DE69503012T2

DE69503012T2 - Hartlötverfahren von Eisenmetalle in einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre

Info

Publication number: DE69503012T2
Application number: DE69503012T
Authority: DE
Inventors: Kerry Renard Berger; Brian Bernard Bonner; Diwakar Garg
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 1998-10-15
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: CA2156815A1; EP0704273B1; TW265291B; EP0704273A1; JPH08112669A; US5531372A; KR100198520B1; ES2119318T3; KR960007072A; ZA957236B; JP2874748B2; DE69503012D1; CA2156815C

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Hartlöten eisenhaltiger Metalle, z.B. Kohlenstoffstähle, in einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre, das einen guten Lötfluß und eine gute Qualität der Lötnähte mit geringer oder gar keiner Bildung von Ruß auf den Lötnähten zur Verfügung stellt. Die Verfahren ermöglichen das Hartlöten von Komponenten aus eisenhaltigen Metallen (z.B. Kohlenstoffstählen) in kontinuierlichen Öfen unter Verwendung einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre, die ein Gemisch aus drei Gasen - Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid - enthält. Die Feuchtigkeit, die erforderlich ist, um einen guten Lötfluß und gute Qualität der Lötnähte zur Verfügung zu stellen sowie die Bildung von Ruß auf Lötnähten zu minimieren oder eliminieren, wird in situ in der Heizzone des Ofens durch die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet. Unerwartet hat sich gezeigt, daß der Einsatz einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre aus drei Gasen (1) ein kostspieliges und schwierig zu steuerndes externes Befeuchtungssystem überflüssig macht, (2) der Feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre in der Heizzone des Ofens durch einfache Einstellung der Fließgeschwindigkeit von Wasserstoff, Kohlendioxid oder beidem flexibel gesteuert werden kann und (3) die rasche Konditionierung des Ofens erleichtert wird, weil Feuchtigkeit aus der Kühlzone ferngehalten wird. Es hat sich auch unerwartet erwiesen, daß die feuchtigkeitsfreie Atmosphäre guten Lötfluß, gute Ausrundungsbildung und gute Qualität der Lötnähte zur Verfügung stellt, während die Rußbildung auf den Lötstellen minimal gehalten oder ganz eliminiert wird.
Das Löten von eisenhaltigen Metallen (z.B. Kohlenstoffstahlkomponenten) beinhaltet das Zusammenfügen der Oberflächen eisenhaltiger Metalle mit Lötpasten oder Vorformen. Die Lötpasten oder Vorformen enthalten im allgemeinen ein Metall oder eine Metallmischung und ein organisches (oder Kohlenwasserstoff-) Bindemittel. Der Schmelzpunkt des Metalls oder der Metalimischung in Lötpasten oder Vorformen ist im allgemeinen wesentlich niedriger als der der Grundkomponenten des Kohlenstoffstahls. Die Komponenten werden dadurch zusammengefügt, daß man sie mit der Lötpaste oder Vorform neben oder zwischen ihnen nebeneinanderlegt und sie auf eine Temperatur erhitzt, die das Lötmetall bzw. die Lötmetallmischung, nicht jedoch die Komponenten zum Schmelzen bringt.
Die Funktion des organischen oder Kohlenwasserstoffbindemittels ist es, als Träger für das Metall bzw. die Metallmischung zu dienen. Im allgemeinen besteht es aus reinen organischen oder Kohlenwasserstoffverbindungen bzw. Mischungen davon mit einem niedrigen Siedepunkt wie Glykolen und Ethern. Diese Verbindungen werden thermisch zersetzt und von den Nahtstellen entfernt, während man die zu lötenden Komponenten auf die Löttemperatur erhitzt.
Beispielsweise werden Kohlenstoffstahlkomponenten im allgemeinen in Atmosphären auf Stickstoffbasis gelötet, die kontrollierte Mengen eines Reduktionsgases wie Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie Feuchtigkeit enthalten. Die Funktion eines Reduktionsgases ist es, die Oberfläche von Kohlenstoffstahlkomponenten vor der Oxidation zu schützen und außerdem das Reduktionspotential sowohl in der Heiz- als auch der Kühlzone des Ofens aufrechtzuerhalten. Die Funktion eines Oxidationsmittels ist es, die Regulierung des Lötflusses zu unterstützen, das organische Bindemittel aus dem Hartlötmaterial zu entfernen und die Bildung von Ruß auf Lötnähten zu verhindern. Es ist bekannt, daß die Verwendung hoher Konzentrationen eines Reduktionsgases in der Atmosphäre das Lötmaterial zum Überlaufen bringt, was die Qualität der Lötstellen beeinträchtigt. Die Verwendung einer niedrigen oder unzureichenden Konzentration eines Oxidationsmittels führt bekanntlich zur Rußbildung auf Lötnähten. Ähnlich ist bekannt, daß die Verwendung niedriger Konzentrationen eines Reduktionsgases oder hoher Konzentrationen eines Oxidationsmitteis däs Lötmaterial und die Komponenten oxidiert, was zu schlechtem Lötfluß, minderer Qualität der Lötnähte und einem inakzeptablen Aussehen der gelöteten Komponenten führt. Deshalb ist es kritisch, die Konzentrationen sowohl eines Reduktionsgases als auch eines Oxidans in der Lötatmosphäre sorgfältig zu wählen, um (1) ein Überlaufen oder Unterlaufen des Lötmaterials minimal zu halten, (2) das Reduktionspotential im Ofen aufrechtzuerhalten, (3) das Aufspalten des organischen Bindemittels zu unterstützen und (4) die Bildung von Ruß auf den Lötnähten zu verhindern.
Wie wichtig es ist, die Konzentrationen von Wasserstoff und Feuchtigkeit in der angefeuchteten Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre zu kontrollieren, ist im einzelnen in einer Abhandlung mit dem Titel "The Effect of Atmosphere Composition on Braze Flow" (Auswirkung der Zusammensetzung der Atmosphäre auf den Lötfluß) beschrieben, die von Air Products and Chemicals, Inc. anläßlich der 14. Annual AWS/WRC Brazing and Soldering Conference in Philadelphia, Pennsylvania, vom 26. bis 28. April 1983 vorgestellt wurde.
Hartlötatmosphären auf Stickstoffbasis, die zum Hartlöten eisenhaltiger Metalle (z.B. Kohlenstoffstahlkomponenten) erforderlich sind, werden im allgemeinen entweder durch Erzeugung an Ort und Stelle unter Einsatz exothermer Generatoren oder durch Befeuchtung von Mischungen aus reinem Stickstoff und Wasserstoff hergestellt. Die exotherm erzeugten Atmosphären auf Stickstoffbasis enthalten im allgemeinen ein Gemisch aus Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Spurenmengen von Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen. Diese Atmosphären werden durch eine Einlaßöffnung in der Überganszone, die sich zwischen den Heiz- und Kühlzonen des Ofens befindet, in den kontinuierlichen Ofen eingeleitet. Ein Teil dieser Atmosphären strömt zur Heizzone und verläßt den Ofen durch die Öffnung in der Beschickungskammer. Der restliche Teil strömt zur Kühlzone und verläßt den Ofen durch die Öffnung in der Austragskammer. Da es schwierig ist, (1) die Zusammensetzung der extotherm erzeugten Atmosphäre auf Stickstoffbasis zu verändern und genau zu steuern und (2) die Gesamtfließgeschwindigkeit zu steuern, bevorzugen Hartlöteunternehmen die Verwendung angefeuchteter Mischungen aus Stickstoff und Wasserstoff. Diese Mischungen auf Stickstoff-Wasserstoff-Basis lassen den Hartlöteunternehmen theoretisch völlige Freiheit in bezug auf die Wahl der Konzentrationen sowohl des Reduktionsgases als auch der Feuchtigkeit. Sie ermöglichen ihnen auch große Flexibilität bei der Veränderung der Gesamtfließgeschwindigkeit und der Zusammensetzung der Hartlöteatmosphäre. In der Praxis geben sie diesen Unternehmen jedoch nicht die Möglichkeit, die Konzentrationen von Feuchtigkeit in der Atmosphäre genau zu verändern und zu steuern. Oft sind Befeuchtungsmittel, die der Atmsophäre auf Stickstoffbasis Feuchtigkeit zusetzen sollen, entweder zu teuer oder haben die falsche Größe, um den ständig wechselnden Anforderungen der Hartlöteunternehmen an die Atmosphäre Rechnung zu tragen. Da ein Teil dieser Atmosphären zur Kühlzone strömt und den Ofen durch die Öffnung in der Austragskammer verläßt, sind hohe Wasserstoffkonzentrationen erforderlich, um das Reduktionspotential in der Kühlzone aufrechtzuerhalten. Deshalb besteht Bedarf nach der Entwicklung einer Atmosphäre auf Stickstoffbasis, die die Verwendung eines Befeuchters überflüssig macht, den Hartlöteunternehmen ein wirtschaftliches Instrument zur Veränderung und genauen Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus in der Heizzone eines Hartlöteofens in die Hand gibt und Wasserstoffgas wirtschaftlich einsetzt.
Die zum Hartlöten erforderliche Wasserstoffgasmenge kann verringert werden, wenn man zwei oder mehrere Gaszuführungsöffnungen verwendet, von denen sich mindestens eine in der Heiz- und Kühlzone befindet. Diese Art der Anordnung gibt dem Betreiber die Möglichkeit zur Einleitung einer angefeuchteten Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre in die Heizzone und einer trockenen Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre in die Kühlzone. Dadurch wird Feuchtigkeit von der Kühlzone ferngehalten und der wirtschaftliche Einsatz von Wasserstoff erleichtert. Diese Anordnung erfordert allerdings sehr feine Instrumente, um den Ofen im Gleichgewicht zu halten und zu verhindern, daß Luft eindringt. Außerdem erfordert sie immer noch einen kostspieligen und schwierig zu steuernden Befeuchter.
US-A-2,085,587 offenbart die Verwendung einer exotherm erzeugten Atmosphäre, die Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf enthält, als einhüllende gasförmige Reduktionsatmosphäre zum Hartlöten von eisenhaltigen Metallteilen bei einer Temperatur von etwa 1.100ºC. Das Gas wird durch Reinigung der gasförmigen Verbrennungsprodukte aus einer Kohlenwasserstoffquelle wie Stadtgas, Erdgas oder Butan an der Luft gewonnen. Bei der Reinigung werden Sauerstoff und etwaige ungesättigte Kohlenwasserstoffe entfernt und der Feuchtigkeitsgehalt gesteuert, um Kondensation im Hartlöteofen zu vermeiden. Typischerweise enthält das in den Hartlöteofen eingeleitete Gas 61 % Stickstoff, 15 % Wasserstoff, 9 % Kohlenmonoxid, 5 % Kohlendioxid und 10 % Wasserdampf.
US-A-4,450,017 offenbart die Verwendung einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre auf Stickstoffbasis zum Entkohlungsglühen von Kohlenstoffstählen. Dabei wird das Metall, das entkohlt werden soll, bei einer Temperatur, die der Ferrit-Austenit-Übergangstemperatur von etwa 927ºC nahekommt, der Einwirkung einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre, die 1 bis 50 % Kohlendioxid, 1 bis 20 % Wasserstoff und ansonsten Stickstoff enthält, ausgesetzt. Dieses Patent lehrt nichts über (1) die Bildung von Feuchtigkeit in situ in der Heizzone des Ofens durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid und (2) den Einsatz einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre zum Hartlöten von Kohlenstoffstählen bei einer Temperatur über 1.080ºC.
Überraschend wurde jetzt herausgefunden, daß die zum Hartlöten erforderliche Wasserstoffgasmenge geringer ist und gleichzeitig ein kostspieliger und schwierig zu steuernder Befeuchter überflüssig wird, wenn man eine feuchtigkeitsfreie Mischung aus drei Gasen verwendet, die Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid enthält. Die gasförmige Mischung kann durch eine in der Übergangszone befindliche Einlaßöffnung eingeleitet werden. Ein Teil des Beschickungsgases strömt zur Heizzone und verläßt den Ofen durch die Öffnung in der Beschickungskammer. Beim Durchströmen der Heizzone wird ein Teil des im Beschickungsgas vorhandenen Kohlendioxids in der nachfolgend beschriebenen Reaktion mit Wasserstoff umgesetzt und bildet die zum Hartlöten von Kohlenstoffstählen erforderliche Feuchtigkeit:
CO&sub2; + H&sub2; => CO + H&sub2;O
Die in situ in der Heizzone des Ofens gebildete Feuchtigkeitsmenge hängt von der Konzentration sowohl des Kohlendioxids als auch des Wasserstoffs im Beschikkungsgas ab. Sie kann durch Verändern der Strömungsgeschwindigkeit des Kohlendioxids, Wasserstoffs oder beider gesteuert werden. Sie hängt auch stark von der Betriebstemperatur des Ofens ab. Deshalb ist es besonders wichtig, eine bestimmte Mindesttemperatur im Ofen aufrechtzuerhalten.
Der restliche Teil des Beschickungsgases strömt zur Kühlzone und tritt durch die Öffnung in der Austragskammer aus dem Ofen aus. Da dieser Teil des Beschikkungsgases keine Feuchtigkeit enthält und die Temperatur in der Kühlzone nicht hoch genug ist, um die Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid zu erleichtern, ist die Kühlzone von feuchtigkeitshaltigen Gasen isoliert. Dies trägt dazu bei, sowohl die zur Aufrechterhaltung eines Reduktionspotentials in der Kühlzone erforderliche Wasserstoffmenge als auch die Konditionierungszeit des Ofens zu verringern.
Die Feuchtigkeitsmenge, die zum Hartlöten eisenhaltiger Metallkomponenten erforderlich ist, hängt von Beschaffenheit und Typ der während des Hartlötevorgangs verwendeten Hartlötpaste oder Vorform ab. Für einige Hartlötpasten sind Atmosphären mit einem hohem Taupunkt (hohem Feuchtigkeitsgehalt) erforderlich; für andere dagegen sind entweder mittlere oder niedrige Taupunkte (mittlerer oder niedriger Feuchtigkeitsgehalt) notwendig. Allgemein benötigen nickelhaltige Hartlötpasten Atmosphären mit einem niedrigen Taupunkt (niedriger Feuchtigkeitsgehalt). Hartlötpasten, die einen niedrigen Taupunkt oder niedrigen Feuchtigkeitsgehalt erfordem, werden im allgemeinen zum Hartlöten von Stahlkomponenten bevorzugt, wo es sehr wichtig ist, den Kohlenstoffgehalt im Basismetall aufrechtzuerhalten. Die in der Erfindung offenbarten Atmosphären eignen sich zum Hartlöten von Kohlenstoffstahlkomponenten mit Hartlötpasten, die sowohl einen niedrigen als auch einen hohen Taupunkt aufweisen.
Die Erfindung stellt eine neuartige, feuchtigkeitsfreie Atmosphäre zum Hartlöten von Kohlenstoffstählen zur Verfügung, die guten Lötfluß und gute Qualität der Lötnähte mit minimaler oder gar keiner Rußbildung auf den Lötnähten gewährleistet. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Hartlöten von mit einer Hartlötpaste oder Vorform zum Hartlöten zusammengestelltem eisenhaltigem Metall zur Verfügung gestellt, bei dem die Zusammensetzung unter einer Atmosphäre aus einem angefeuchteten, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch ausreichend lange erhitzt wird, um eine brauchbare hartgelötete Verbindung herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofentemperatur mindestens 1.080ºC beträgt und das Gasgemisch in situ aus einem feuchtigkeitsfreien Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet wird, in dem die Wasserstoff- und Kohlendioxidmengen so beschaffen sind, daß sie reagieren und ausreichend Feuchtigkeit bilden, um die Bildung von Ruß und die Oxidation der Oberfläche zu verhindern.
Die Erfindung stellt auch die Verwendung von Kohlendioxid in einer feuchtigkeitsfreien gasförmigen Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff zur Verfügung, um in einem Ofen in situ bei mindestens 1.080ºC eine angefeuchtete Atmosphäre zu bilden, unter der eisenhaltige Metalle ohne Rußbildung oder Oberflächenoxidation hartgelötet werden können.
Der für das Hartlöteverfahren erforderliche Stickstoff ist rein und enthält weniger als 10 ppm rückständigen Sauerstoff. Er kann entweder an Ort und Stelle mit einer allgemein bekannten kryogenen Destillationstechnik hergestellt oder durch Reinigung von nicht kryogen erzeugtem Stickstoff zugeführt werden. Auch Wasserstoff kann an Ort und Stelle unter Einsatz einer Ammoniakdissoziierungsvorrichtung hergestellt oder in Gasform in komprimierten Gaszylindern bzw. durch Verdampfung von verflüssigtem Wasserstoff zugeführt werden. Kohlendioxid wird in Gasform in komprimierten Gaszylindern oder verdampfter flüssiger Form zugeführt.
Erfindungsgemäß werden eisenhaltige Metalle, z.B. Kohlenstoffstahlkomponenten in einem über 1.080ºC betriebenen kontinuierlichen Ofen unter Einsatz einer feuchtigkeitsfreien Atmosphäre aus drei Gasen - Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid - hartgelötet. Die Fließgeschwindigkeiten von Wasserstoff und Kohlendioxid werden vorzugsweise so eingestellt, daß sie ein Verhältnis von Wassserstoff zu Kohlendioxid von mindestens 1,0 in der gasförmigen Beschickungsmischung ergeben. Darüber hinaus werden sie vorzugsweise so gesteuert, daß sie in situ die erwünschte Menge Feuchtigkeit ergeben und in der Heizzone des Ofens ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von mehr 2,0 herstellen.
Folgende Experimente und Beispiele sollen die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung erläutern, ihren Umfang jedoch nicht einschränken.
Eine Anzahl von Experimenten wurde in einem kontinuierlichen Watkins-Johnson-Förderbandofen durchgeführt, der zum Hartlöten von 1010-Kohlenstoffstahlkomponenten bei etwa 1.100ºC betrieben wurde. Der Ofen bestand aus einer 22,25 cm (8,75 inches) breiten, etwa 12,5 cm (4,9 inches) hohen und 218 cm (86 inches) langen Heizzone und einer 229 cm (90 inches) langen Kühlzone. Ein flexibles Förderband mit einer festgelegten Geschwindigkeit von 13 cm (5 inches) pro Minute wurde in allen Experimenten dazu verwendet, Kohlenstoffstahlkomponenten zum Hartlöten in den Ofen zu transportieren. Eine Gesamtströmungsgeschwindigkeit von etwa 350 SCFH [standard cubic feet per hour (Standard-Kubikfuß/Stunde), 9900 Standardliter/Stunde] einer Mischung aus Stickstoff und Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff, angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff oder Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid wurde in die Übergangszone des Ofens geleitet, um die Atmosphäre zum Hartlöten von Kohlenstoffstahlkomponenten herzustellen.
Eine im Handel erhältliche Hartlötpaste, CNG-1900-750, die eine Atmosphäre mit einem hohen Taupunkt erfordert, wurde bei den meisten Hartlöteexperimenten verwendet. Sie wurde von Fusion, Inc., aus Willoughby, Ohio, bezogen. Eine nickelhaltige experimentelle Hartlötpaste, 212D, die eine Atmosphäre mit einem niedrigen Taupunkt erfordert, wurde ebenfalls in den Hartlötexperimenten verwendet. Sie wurde von SCM Metal Products, Inc., Research Park Triangle, North Carolina geliefert.
Die Qualität der hartgelöteten Nähte wurde entweder durch Augenschein oder Analyse eines Querschnitts beurteilt.

Experiment 1

Flache Streifen von 1010-Kohlenstoffstahl wurden mit im Handel erhältlicher (Fusion, Inc.) und experimenteller (SCM Metal Products, Inc.) Hartlötpaste in einem bei 1.100ºC betriebenen Watkins-Johnson-Förderbandofen unter Verwendung einer reinen und trockenen (Taupunkt weniger als -55ºC) Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff mit 4,0 Vol.-% Wasserstoff hartgelötet. Die Verwendung der im Handel erhältlichen Hartlötpaste ergab inakzeptable Lötnähte mit starker Rußbildung und minimalem Lötfluß. Auch bei Verwendung der experimentellen Paste erhielt man inakzeptable Lötnähte mit übermäßigem Lötfluß und mittlerer bis starker Rußbildung.

Experiment 2

Experiment 1 wurde unter Verwendung einer reinen und trockenen Mischung aus Stickstoff und Kohlendioxid (Oxidans) mit 1,5 Vol.-% Kohlendioxid wiederholt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten bei Untersuchung durch Augenschein Lötnähte mit gutem Lötfluß sowohl für die im Handel erhältliche als auch für die experimentelle Lötpaste Allerdings war auf den Lötnähten eine mittlere bis starke Rußbildung mit Kohlenstoffteilchen in den Lötnähten festzustellen. Auch diese Atmosphäre führte zu einer Oxidation des Basismaterials, was ein bläulicher Film auf der Oberfläche der Kohlenstoffstahlkomponenten bewies.

Experiment 3

Experiment 1 wurde unter Verwendung einer Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoffgas mit wechselndem Feuchtigkeits- und Wasserstoffgehalt mehrmals wiederholt.
(A) Die Verwendung einer Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff, die 0,2 % Feuchtigkeit und 3,8 % Wasserstoff enthielt, ergab sowohl bei der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit übermäßigem und inakzeptablem Lötfluß. Bei Verwendung der im Handel erhältlichen Hartlötpaste war auf den Lötnähten mittlere bis starke Rußbildung festzustellen, was darauf hinweist, daß die in der Atmosphäre vorhandene Feuchtigkeitsmenge nicht hoch genug war, um die Rußbildung zu verhindern. Bei Verwendung der experimentellen Paste war dagegen keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen, was darauf hindeutet, daß die im Atmosphäregemisch vorhandene Feuchtigkeitsmenge hoch genug war, um die Rußbildung zu verhindern. Allerdings war die Qualität der Lötnähte nicht gut.
(B) Wenn man eine Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff mit 0,4 % Feuchtigkeit und 3,6 % Wasserstoff verwendete, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit einem akzeptablen Lötfluß und guter Qualität der Lötnähte. Bei Verwendung dieser Zusammensetzung der Atmosphäre war auch wenig oder gar keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen.
(C) Wenn man eine Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff mit 0,6 % Feuchtigkeit und 3,4 % Wasserstoff verwendete, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit akzeptablem Lötfluß und guter Lötnahtqualität. Bei Verwendung dieser Zusammensetzung der Atmosphäre war auch wenig oder gar keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen.
(D) Wenn man eine Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff mit 0,8 % Feuchtigkeit und 3,2 % Wasserstoff verwendete, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit akzeptablem Lötfluß und guter Lötnahtqualität. Bei Verwendung dieser Zusammensetzung der Atmosphäre war keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen.
(E) Wenn man eine Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff mit 1,0 % Feuchtigkeit und 3,0 % Wasserstoff verwendete, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit akzeptablem Lötfluß und guter Lötnahtqualität. Bei Verwendung dieser Zusammensetzung der Atmosphäre war keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen, und die hartgelöteten Komponenten hatten eine glänzende, nicht oxidierte Oberfläche.
(F) Wenn man eine Mischung aus angefeuchtetem Stickstoff und Wasserstoff mit 1,0 % Feuchtigkeit und 2,0 % Wasserstoff verwendete, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit akzeptablem Lötfluß und guter Lötnahtqualität. Bei Verwendung dieser Zusammensetzung der Atmosphäre war keine Rußbildung auf den Lötnähten festzustellen. Allerdings war die Oberfläche der hartgelöteten Komponenten oxidiert.
Die Experimente 1 bis 3 zeigen, daß Kohlenstoffstahlkomponenten nicht in einer reinen und trockenen Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff oder Stickstoff und Kohlendioxid hartgelötet werden können und daß ein Feuchtigkeitsgehalt von mehr als 0,2 % und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von weniger als 19,0, aber mehr als 2,0 in einer angefeuchteten Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre erforderlich sind, um Kohlenstoffstahlkomponenten hartzulöten.

Beispiel 1

Das Experiment 1 wurde mehrmals wiederholt, wobei man Mischungen aus feuchtigkeitsfreiem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid verwendete.
(A) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 0,2 % Kohlendioxid und 4 % Wasserstoff enthielt, erhielt man mit der im Handel erhältlichen Hartlötpaste Lötnähte mit schlechtem und inakzeptablem Lötfluß, auf denen sich außerdem starker Ruß gebildet hatte. Mit der experimentellen Hartlötpaste erhielt man inakzeptable Lötnähte mit übermäßigem Lötfluß und leichter Rußbildung. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühizone strömte. Dagegen zeigten aus der Heizzone entnommene Gasproben eine dramatische Veränderung in der Zusammensetzung des durch sie strömenden Teils der Atmosphäre. Insbesondere reagierte ein Teil des in der Atmosphäre vorhandenen Kohlendioxids mit Wasserstoff und erzeugte in 3itu Feuchtigkeit. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Heizzone nahezu 0,12 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 33 aufwies.
(B) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 0,4 % Kohlendioxid und 4 % Wasserstoff enthielt, erhielt man mit der im Handel erhältlichen Hartlötpaste Lötnähte mit inakzeptablem Lötfluß, auf denen sich außerdem mittelstarker bis starker Ruß gebildet hatte. Mit der experimentellen Hartlötpaste erhielt man Lötnähte ohne Rußbildung und gerade noch annehmbarem Lötfluß. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,25 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 15 auf.
(C) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 0,6 % Kohlendioxid und 4 % Wasserstoff enthielt, erhielt man mit der im Handel erhältlichen Hartlötpaste Lötnähte mit akzeptablem Lötfluß und akzeptabler Qualität, auf denen sich kaum Ruß gebildet hatte. Mit der experimentellen Hartlötpaste erhielt man Lötnähte ohne Rußbildung sowie einen akzeptablen Lötfluß und gute Qualität. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,30 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 10 auf.
(D) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 0,8 % Kohlendioxid und 4 % Wasserstoff enthielt, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch mit der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität, auf denen sich kein Ruß gebildet hatte. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,43 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 7 auf.
(E) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 1,0 % Kohlendioxid und 4 % Wasserstoff enthielt, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch mit der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität, auf denen sich kein Ruß gebildet hatte. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,50 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 6 auf.
(F) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 1,0 % Kohlendioxid und 3 % Wasserstoff enthielt, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch mit der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität, auf denen sich kein Ruß gebildet hatte. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,50 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 5 auf.
(G) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 1,0 % Kohlendioxid und 2 % Wasserstoff enthielt, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch mit der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität, auf denen sich kein Ruß gebildet hatte. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,43 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 4 auf.
(H) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 1,0 % Kohlendioxid und 1,5 % Wasserstoff enthielt, erhielt man sowohl mit der im Handel erhältlichen als auch mit der experimentellen Hartlötpaste Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität, auf denen sich kein Ruß gebildet hatte. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,30 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 4 auf.
(I) Wenn man eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendete, die 1,0 % Kohlendioxid und 1 % Wasserstoff enthielt, erhielt man Lötnähte mit gutem Lötfluß und guter Qualität mit leichter Rußbildung bei der im Handel erhältichen Hartlötpaste und ohne Rußbildung mit der experimentellen Hartlötpaste. Allerdings waren die hartgelöteten Komponenten leicht oxidiert. Aus der Kühlzone entnommene Gasproben zeigten auch hier nur eine geringfügige Veränderung in der Zusammensetzung des Teils der Atmosphäre, der durch die Kühlzone strömte. Aus der Heizzone entnommene Gasproben wiesen 0,25 % Feuchtigkeit und ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von ungefähr 2,7 auf.
Die Beispiele 10 bis iH zeigen deutlich, daß Kohlenstoffstahlkomponenten mit gutem Lötfluß, guter Qualität der Lötnähte und nichtoxidierter Oberfläche hartgelötet werden können, wenn man die im Handel erhältliche Hartlötpaste (die eine Atmosphäre mit einem höheren Taupunkt erfordert) und eine feuchtigkeitsfreie Atmosphäre auf Stickstoffbasis verwendet, die eine Mischung aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid enthält. Die Beispiele 1C bis 1H zeigen, daß Kohlenstoffstahlkomponenten mit gutem Lötfluß, guter Lötnahtqualität und nichtoxidierter Oberfläche hartgelötet werden können, wenn man die experimentelle Hartlötpaste verwendet, die ein Gemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid enthält. Die Beispiele 1A bis 1I zeigen auch, daß sowohl die Kohlendioxid- als auch die Wasserstoffmenge sorgfältig gesteuert werden müssen, um (1) den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt in der Heizzone des Ofens und (2) das erforderliche Reduktionspotential sowohl in der Heiz- als auch der Kühlzone des Ofens zum Hartlöten von Kohlenstoffstahlkomponenten mit akzeptablem Lötfluß, guter Lötnahtqualität und nichtoxidierter Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Wichtig ist jedoch, daß der erwünschte Feuchtigkeitsgehalt in der Ofenatmosphäre im allgemeinen von der Zusammensetzung und dem Typ der zum Hartlöten von Kohlenstoffstahlkomponenten verwendeten Hartlötpaste abhängt.

Claims

1. Verfahren zum Hartlöten von mit einer Hartlötepaste oder Vorform zum Hartlöten zusammengestelltem eisenhaltigem Metall, bei dem die Zusammensetzung unter einer Atmosphäre aus einem angefeuchteten, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch ausreichend lange erhitzt wird, um eine brauchbare hartgelötete Verbindung herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofentemperatur mindestens 1080ºC beträgt und das Gasgemisch in situ aus einem feuchtigkeitsfreien Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet wird, in dem die Wasserstoff- und Kohlendioxidmengen so beschaffen sind, daß sie reagieren und ausreichend Feuchtigkeit bilden, um die Bildung von Ruß und die Oxidation der Oberfläche zu verhindern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ofen ein kontinuierlicher Ofen mit Heiz- und Kühlzonen ist und das feuchtigkeitsfreie Gasgemisch dazwischen in eine Übergangszone eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Wasserstoffgehalt des feuchtigkeitsfreien Gasgemischs mindestens 1 Vol.-% beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid nicht höher als 15 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid zwischen 1 und 7 gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid zwischen 1 und 5 gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid so eingestellt wird, daß in der Heizzone des Ofens in situ ein Feuchtigkeitsgehalt von mindestens 0,25 Vol.-% erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlendioxid so eingestellt wird, daß in situ ein Feuchtigkeitsgehalt von 0,25 bis 0,5 Vol.-% erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wasserstoff- und Kohlendioxidgehalt so eingestellt wird, da in der Heizzone des Ofens ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit von mindestens 3,0 entsteht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Wasserstoff- und Kohlendioxidge halt so eingestellt wird, daß in der Heizzone des Ofens ein Verhältnis von Wasserstoff zu Feuchtigkeit zwischen 3,0 und 14 entsteht.

11. Verwendung von Kohlendioxid in einem feuchtigkeitsfreien Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, um in situ in einem Ofen bei mindestens 1080ºC eine angefeuchtete Atmosphäre zu erzeugen, unter der eisenhaltige Metalle ohne Rußbildung oder Oberflächenoxidation hartgelötet werden können.

12. Verwendung nach Anspruch 11, bei der der Wasserstoff- oder Kohlendioxidgehalt der Definition in einem der Ansprüche 3 bis 10 entspricht.

13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, bei der das feuchtigkeitsfreie Gasgemisch in eine Übergangszone zwischen der Heiz- und Kühlzone eines kontinuierlichen Ofens eingeleitet wird.