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Lötfolie zur spannungsfreien Verbindung von Sinterkörpern mit Trägern
aus Eisen- oder Nichteisenmetallen oder -Legierungen Zum Auflöten von Sinterwerkstoffen
oder Hartmetallen auf Unterlagen aus anderen Werkstoffen werden Kupfer, Kupfer-Legierungen
oder Hartlote (Silberlote) verwendet. Beim Abkühlen des Lotes nach erfolgter Lötung
entstehen zwischen dem Sinterwerkstoff und dem Unterlagewerkstoff erhebliche Spannungen,
die häufig zum Abspringen des Sinterwerkstoffes oder zu Rißbilidungen .innerhalb
desselben führen. Verursacht werden diese Spannungen durch die extrem unterschiedliche
Wärmeausdehnung von Sinterwerkstoff (5 bis 8 - io-s) und Unterlagewerkstoff
(i2 bis 17 - io-s).
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Man hat auf verschiedene Weise diese Spannungen zu vermindern versucht.
Es wurden Lötzwischenlagen vorgeschlagen, die abwechselnd aus Lotschichten und Schichten
aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit beiderseits abschließenden Lotschichten
aufgebaut sind. Ein Spannungsausgleich wird hierbei aber niciht erzielt, weil der
Unterschied .der Wänmeaus,dehnungen von Sinterwerkstoff zu Eisen auch ibei ,dieser
Lotzwischenilage noch besteht.
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Es wurde deshalb versucht, eine Lötfolie aus einer mit Kerbsdhnitten
versiehenen und beiderseits mit ununterbrochenen Lotauflagen abgedeckten, blattförmigen
Eisen- oder Nickelschicht zu verwenden. Bei Aufbringung der Lotaufliagen können
aber .in den Kerribsidhnütten Lufteinschlüsse zurückbleiben, die .sich bei der Lötung
nachteilig auf die erstrebte
lückenltose Diffusion des Lotes in
Sd.nterwerkstoff, I',erbfolie und Unterlagewerkstoff auswirken. Außerdem bestehen
auch hier zwischen Sinberwerkstoff und der Eisen- bzw. Nickelfolie noch immer die
gleichen Wärmespannungen wie zwischen Sinterwerks-toff und= dem Unterlag ewerkstoff
ohne diese Eisenfolie.
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Letzteres trifft auch auf eine Lötfolie zu, die aus schmalen, in Kupfer
eingebetteten Eäsenstähchen besteht. Hier ilst sogar quer zur Achsri,cJhtung der
Ei.ssenstiiib,dhen eher mit einer Spannungszunahme in der Lötzone zu rechnen, da
sich zu der Wärmeausdiehnung der Eisenstäbe noch .die wesentlich größere der Kupfer-
bzw. Lotzwischenschichten addiert. Bei dieser Lötfolie isst es außerdem nicht möglich,
mit der Breite der Eis-enstäb@eJhen unter eine gewisse Grenze zu gehen. Bei kleinen
Sinterwerkstoffplätbohen kann daher nicht mixt Sicherheit erreicht werden, daß diese
ausreichend, d. h. durch mindestens zwei Eisenstäbchen, abgestützt sind. Ferner
können bei längerem Lagern eher Lötfolie die Eisenatäbdhen zum Teil oxydieren, wodurch
die spätere Lötverbindung beeinträchtigt werden kann.
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Ähnlich gelagerte Verhältnisse liegen ebei einem Lötverfahren vor,
bei dien zwischen Sintermetall und Stahlunterlage eine Eiisenelntage mit kammartvg
ausgebildeten Zähnen oder ein wellenförmig ,gebogener Eisendraht eingelegt fisit,
wobei die Zwies@dhenräume mit Lot ausgefüllt werden.
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Bei einer anderen Lotzwischenlage, die ebenfalls aus Eisen oder einer
geeigneten Legierung ,besteht, sind wechsellseitig Verkupferungen vorgesehen, welche
über die Mittelebene der Folie hinausgehen und mixt Lot ausgefüllt sind. Die ,dann
noch verbleibenden .schnallen Eiisenstege bleiben jedoch; wie die Praxis gezeigt
hat, ni,c'ht ,senkrecht und gerade, vielmehr knicken sie, in der Mitte der Höhe
aus bzw. stellen sich. schräg,, wenn das vorgerichtete Ausgangs-material auf die
Stärke der gebrauchsfertigen Lötzwisohenl.age abgewalzt wird,. Damit ist aber die
erstrebte stabile Abstützung des Sintermeta;l'ls auf= .der Stahlunterlage nicht
mehr vorhanden. Auch wird hier ein Spannungsausgleich zwischen der Stahlunterlage
und dem Sinterwerkstoffdurch die aus Eisen und Lot bestehende Lotzwi,sehen!lage
nicht eiseicht, da die Wärmeaus,dehnungsekoeffizien.ten derselben wesentlich über
demjenigen,des Sintcerwerkstoffes,fliegen.
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Es wurde ferner eine Lötfolie vorgeschlagen, die aus einem Lot besteht,
in das sich gegenseitig nicht berührende Stahlplättchen eingelagert :sind. Auch
hier ist kein Spannungsausgleich erzieht, weil der Ausdeehnungsunbersichied zwischen
Stahl- und Sinterwerksiboff nach wie vor besteht und durch die .noch größere Wärmeaus,ddhnung
des Lotes, die das 2,5- bis 3fache ,des Snnterwerkstoffes beträgt, sogar
noch erhöht werde. Berücksiechtig :t man ferner, daß bei der Herstelllu:ng einer
derartigen Lötfolie von wesentlich größerer Materialstärke ausgegangen werden ruß
und beirr Auswalzen -auf einlege Zen telmi@llimeber Endstärke eine
Längenzunahme proportional zur S-tärkenabnalhme entsteht, so ergibt sich in edler
Walzrichtung eine derartige Streckung von Lotzwischenschicht und Stalhleinlagen,
da.ß in .dieser Richtung Lobstrecken ohne Stahleidlage entstehen werden, die ebenso
groß oder größer wie das Sinberweenkstoffplättchen sind, womit. eine stabiete Abstützung
.desselben ,nicht mehr gewährleistet ist.
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Andere Ausführungen eelhen ein Driahtgewebe aus Eisen oder Nickel
vor, deas mit Kupfer ibzw. Lot beiderseits überdeckt oder ganz ausgeschwemmt ist.
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Der Untersohied der Wärmeausdehnung zwischen S,intermetall und Stahlunterlage
lest durch Verwendung eines Eisengewebes: aber nicht vermindert, durch ein Nickelgewebe
und: das Lot selbst sogar noch erhöht.
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Weitere Verfalhren ibestehen darin, daß entweder der Sinterwexlksboff
in Puxlverform auf dem zeUVOT mit Hartlot ,überzogenen Stahlträger aufgep@reßt und
anschließend gesintert wird oder daß die fertige Siinberwerkstoffplatte miet einer
oder mehreren Schichten eines weiteren Snnterwerkstoffes vereinigt wird, der aus
Sintermetallli und einem gut wärmeleitenden Metall besteht; und dann mittels eines
Lotes ein dien Unfieerllagewerkstoff eingegossen wird. Beeide Verfahren ;haben vor
.allem den Nachtel, daß zur Herstellung von Sinberwerkstoffen Einrichtungen und
Erfahrungen erforderlich sind, über welche die wenigsten Verbraucher verfügen. Im
übrigen :besteht auch hier der Unterschied in den Wärmeausdehnungen von Sinterwerkstoff
und Lot bzw. Unberllagewerkstoff, Tier sich in Form von Spannungen .auswirkt.
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Die Erkenntnis, daß alle vorgenanntten Lötfolien die in der Lötzone
und dem S,interwerksboff aufkommenden ,gefährlichen Spannungen neieceht verhindern
können, führte zur Verwendung einer :bei:derseits mit Lot bedeckten Folie eines
Metalls, .dessen Wänmeausiälchnungskoeffizient zwischen denjenigen des Sdnberwerkstof£es
ende des. Unterlagewerk stoffes liegt. Hierdurch werden diie in der Lötzone entstehenden
Spannungen wohl vermindert. Trotz .allem bleibt immer nach eine erhebliche Differenz
eint der Wärmeausdehung zwischen Simterwerkstoff !bzw. Unberillagewerkstoff einerseits
und dem Kernwerkstoff der Lötfolie andererseits bestehen, der in der Regel 40 bis
50% ausmeacht und von dien beiden weichen Lötzonen aufgenommen wegirden ruß. Die
auftretenden Spannungen werden für die Haftung des Simtgirplättchens. auf dien Unterlagemateriial
um so gefährlicher, je größer die Fläche des ersteren eist.
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Diese Abhängigkeit der Spannung- von der Oberflächengröße des Sinterwerkstoffes
gab den Anl:aß zu einem Verfahren, bei, dem :im 1-Tnebgirelagewerkstoff (Stahllkörper)
mehrere konische Bohrungen angebracht werden, -in dile nach erfolgter Auflötung
des Sinberwerkstoffes. = aber noch bei heikler Rotglut - kalte Stahlbalzen eingepreßt
werden, um zu verhindern, daß die Unterschiede der Wärmeausdehnungen von Stahlkörper
undl Sinterwerkstoff zur Auswirkung kommen. Da der Sinterwerkstoff eine starke Pressung
bei der hohen Temperatur ohne zu springen. nicht erträgt, können die Stahlbolzen
nur leicht eeingepreeß t werden, weshalb nur
ei geringer Teil der
Schrumpfung aufgehalten werden kann und immer noch eine gewiisse Differenz in den
beiden Schrumpfungen bestehen bk-itben wird. Vor aililem aber :ist dieses: Verfahren
sehr umständlich unid kostspielig und die erhebliche Schwächung dies vicffach gebohrten
Stahlkörpers gänzlli!cjh außer Acht gelassen.
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Alle vorgenanniten Nachteile werden durch den Erfindungsgegenstand
vermieden, und zwar wird als Lötzwischenlage eine B'imetalillfoliie verwendet, deren
eine, dem S!itnterwerketoff zugekehr!be Komponente dien Wärmeausdehnungskoefflzienten
des Sinterwerkstoffes hat, während die d!er Unterlage zugekehrte Komponente den
Wärmeawsdehnumgskoeffiz.ienten des Unterillagewerkstoffes (Stahl, Kupfer, Messing
od.,dgl.) ,aufweist. Diese B,imetatll'-komponenten werden a1st dti'eke Platinen
ohne jeg-
liche Lotzwischenliage durch Preß-schweißung untrennbar miteinander
vereinigt und zur gewünschten Folienstärke ausgewalzt. In Fällen, wo die beiden
Wärmeausdehnumgskoeffizienten von Sintermetall und Trägerwerkstoff extrem verschieden
sind, kann auch ein analog,aufgebautes Mehrschichtmetaill, als Lötfolie verwendet
werden, bei dem die Werksitoffe der einzelnen Komponenten so gewählt sind, daß eine
istetige Zunahme -der WäTmeaus,dehnung,skoeffizienten von der dem Sinterwerkstoff
zuzukehr,endten Seite zu ider gegenüberliegenden Außenseite dies Mehrschi,chtmetalll;s
hin vorliegt. Die beiden Oberflächen der Lötfo'llie werden mit einer ,dünnen Schicht
von Kupfer oder einem für dien Sinterwerkstoff ibzw. das Unterlagematerial geeigneten
Hartlot versehen, .die entweder,durch Aufwalzen, Aufspritzen, Galvanisieren od.
dgl. aufgebracht sein kann. Um zu gewährleisten, d:aß beim Auflöten die Lötfoltie
mit der Seite der größeren Wärmeausdehnung auf den Unteirlagewerksitoff zu liegen
kommt, wird diesle Seite durch ein aufgewalztes Dessin, durch Ätzung, Stempelung,
Mattierung od. idgl. gekennzeichnet.
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Nachstehend sind zwei Beispiele für erfirndungsgemä.ße Lötfolien aufgeführt:
Zur HeTsitellung efektrischer Kontakte, bestehend aus, einem Wolfrarnkörper (Wärmeausdehnung
4,5 ' IG--6 und einem Träger aus Kupfer (Wärmeausdehnung 16,5 - lo-E), kann ein
Bimetall verwendet werden, desisen eine Komponente aus einer Nickel-Eisen-Legierung
mit einer Wärmeausdehnung von 4 bis 5 - io-E besteht, die andere Komponente aufs
einer Nickel-Ensen-Legierunig mit einer Wärmeausidehnung von 15 bis 17 - 10-s oder
einer Neusilberlegierung mit einer Wärmeausdehnung von etwa 16 - 1o-6. Beide Oberflächen
des Bimetalls tragen eine Lotschicht, edieren Schmelzpunkt tiefer als ider des Kupferträgers
liegt, z. B. Siilberlot LAg 50 mit einem Schmelzpunkt von 700' C.
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Zum Auflöten von Hartmetallllschneiiden (auf der Basis Wolfram-Karbid
mirt einer Wärmeausdehnung von 5 Ws- 6 - io-s) auf Werkzeugschäfte aus Stahl (Wärmeausdehnung
etwa 12 - 10-s) ist ein B,imet.altl verwendbar, dessen eine Komponente aus einer
Niickel-Eisen-Legierung mit einer Wärmeausdethnung von 4 bis, 7 - i o-6 besteht,
die andere Komponente aus Nicken oder Stahl, beide mit einer Wärmeawsdehn@ung von
12 - io-s. Beide Oberflächen dies Bimeta111is tragen eine Loltschieht, denen: Schmelzpunkt
tiefer al!s der des Stahlschaftes Biegt, z. B. Kupfer mit einem Schmelzpunkt von
1083 ° C oder Silberlot LAg 27 mit einem solchen von 84o° C.
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Die Erfindung ist jedoch nicket auf vonnannte Werkstoffe der Bimetallkomponenten
bzw. der Lot-!schichten beschränkt. Es können auch andere Werkstoffe, jedoch mit
dien entsprechenden .Wärmeausdehnungen für das, Bimeta111 bzw. mit entsprechendem
Schmelzpunkt und der für die zu verbindenden Teile erforderlichen Lötfähigkeit,
als Lotschicht verwendet werden.
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Diese LötfoWie vereinigt .in sich a!lile Erfordernisise für leine
einwandfreie Auflötung von Sinterwerkstoffen :auf .andbre Werkstoffe. Infolge der
vorbeschriebenen völligen Anpassung ider beiderseitigen Wärmeaus,dehn@ngskoefflzienten
an diejenigen der benachbarten, zu verlötenden Werksitoffe treten keinerlei Spannungen
im den Lötzonen auf, so daß ein Abspringen oder Brechen dies S.interwerkstoffes
selbst bei großen Platten nicht mehr zu befürchten its:t. Die durch dite verschiedenen
Ausideihnun gskoeffizienten hervorgerufene Spannungen sind in die Schweißzone des
Bimetalls verlegt, das ;infolge seiner untrennbaren Vemschweißung nicht aufreißen
kann. Die blattförmige Bimetallfolie, welche keine Unterbrechungen für ieinzufagern@des.
Lot aufweist, gibt Odem Simterwerksitoffv selbst bei isehr kleinen Abmessungen,
eine stabile und ganzfläch@ige Abstützung. Irrfelge der ganzflächig aufplattierten
dünnen Lotschidlnt und der undurc'hbrochenen Fläche der B:imetallfolie werden jegliche
Luft- oder Gaseinschlüsse, die Entstehung von Oxydschichten auf !der Lötfolie sowie
die Bildung von liotlreien Inseln unter d tem aufgelöteten SInterwerkstoff vermieden.
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Das Auflötendes Sinterwerkstoffes .ist nicht .mit irgendwelchen umständlichen
Arbeitsverfahren verbunden und! erfordert keine Speziiailiei@nrichitungen, kann
vielmehr in gewohnter Weise mit den übliehen und allgemein vorhandenen Löteinrichtungen
erfolgen. Die Lötfolie Ist gänzlich unkompliziert .in ihrer Herstellungsweise und
idemzufolge preisgünstig lieferbar. Durch entsprechende Wahl der aufplattierten
Lotlegierung kann ischließlich die Löttemperatur den jeweiligen Erfordernissen dies
Sinterwerks-toffes angepaßt werden. Für größere Sinterwerkstoffpliatten wiT.d zweickmäßigerweise
eiirre stärkere Lötfolie verwendet alis für kleine S interwerkstoffplättchen.