FI109887B - Menetelmä materiaalien liittämiseksi yhteen diffuusiomenetelmällä käyttäen hopea/germanium-lejeerinkejä ja hopea/germanium-lejeerinki käytettäväksi tässä menetelmässä - Google Patents

Description

109887

Menetelmä materiaalien liittämiseksi yhteen diffuusiomene-telmällä käyttäen hopea/germanium-lejeerinkejä ja hopea/ germanium-lejeerinki käytettäväksi tässä menetelmässä 5 Tämä keksintö liittyy menetelmään metallien liittä miseksi yhteen diffuusiomenetelmällä käyttäen hopea/germa-nium-lejeerinkiä ja hopea/germanium-lejeerinkikoostumuk-seen, joka on erityisen sopiva käytettäväksi tämän keksinnön menetelmässä. Tarkemmin tämä keksintö liittyy sellai-10 seen menetelmään, jossa käytetään kupari/hopea/germanium-lejeerinkiä, joka ei vaadi lisättävän täytemateriaalin käyttämistä.

Tavanomaisesti metalleja liitetään kolmella perusmenetelmällä: hitsaamalla, kovajuottamalla tai pehmeäjuot-15 tamalla. Kun hitsataan käyttäen täytemateriaalia, valitaan täytemateriaali, jonka koostumus on samanlainen kuin kahden liitettävän osan, ja vierekkäisten metalliosien varsinaiset kosketusalueet sulatetaan liitoksen aiheuttamiseksi. Vastushitsattaessa tai laserhitsattaessa, esimerkiksi 20 pistehitsattaessa, liitettävät vierekkäiset metalliosat nostetaan korkeaan lämpötilaan ja sulatetaan, jolloin täy-temetallia ei tarvita liitoksen aiheuttamiseksi. Kovajuot-taessa tai pehmeäjuottaessa käytetään täytemetallia, jolla on huomattavasti alhaisempi sulamispiste kuin liitettäväl-25 lä kahdella osalla, joten yhteen liitettävien metalliosien kosketusalueita ei sulateta. Tyypillisesti pehmeäjuotteet sulavat lämpötilassa alle noin 450 °C, kun taas kovajuottamisessa käytetään suuremman lujuuden täytemetalleja, joiden sulamislämpötila on yli 450 °C. Kaikki nämä mene-30 telmät vaativat joko täytemetallin käyttämistä, joka kuu mennettaessa muodostaa nestefaasin osien liittämisen helpottamiseksi, tai liitettävien vierekkäisten metalliosien sulattamista. Sitten täytemetalli tai liitettävät sulaneet metalliosat jäähtyvät ja kiinteytyvät muodostaen täten si-35 doksen molekyylitasolla.

2 10988/'

Hopeaa ja hopealejeerinkejä on liitetty tavanomaisesti käyttäen kovajuotosmenetelmää. Kuitenkin niin sanottua "palotummumista" tapahtuu korkeissa lämpötiloissa, joita tarvitaan sidoksen aikaansaamiseksi käytettäessä ko-5 vajuotosmenetelmiä.

Korkean lämmön- ja sähkönjohtokykynsä ansiosta hopeaa ja hopeapohjaisia lejeerinkejä on tunnettua käyttää sähköisissä ja elektronisissa liittimissä. Hopea on myös jalometalli ja sitä käytetään korujen ja hopeatuotteiden 10 valmistuksessa. Näin ollen tulee tarpeelliseksi muodostaa sidoksia sekä hopean ja hopealejeerinkien että muiden metallien välille riippumatta siitä, ovatko ne rautapitoisia tai eivät. On myös haluttua liittää keraameja ja muoveja metalleihin. Tämä on aikaisemmin tehty suurelta osin side-15 hitsaamalla, pehmeäjuottamalla tai kovajuottamalla sidok set yhteen, mikä siirtää epäpuhtauksia sulatteesta tai juotteesta hopeaan/hopealejeerinkiin.

Palotahran tai palotäplän aiheuttaa kuparin hapettuminen korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi on tunnettua, et-20 tä hopea tummuu helposti. Näin tapahtuu, koska hopea, joka ei hapetu helposti huoneenlämpötilassa, reagoi rikin tai vetysulfidin kanssa aiheuttaen tutun tummumisvaikutuksen. Tiedetään, että pienen määrän germaniumia lisääminen ho-pea/kupari-lejeerinkiin hidastaa sitä nopeutta, jolla ho-25 pea reagoi rikin ja vetysulfidin kanssa vähentäen näin tummumisvaikutusta samoin kuin vähentäen palotahrautumista kuumennettaessa hopea/kupari/germanium-lejeerinkiä korkeisiin lämpötiloihin, joissa kupari normaalisti hapettuisi.

On mahdollista kovajuottaa tai liekkihehkuttaa ter-30 naarista hopea/kupari/germanium-lejeerinkiä ilmassa ai heuttamatta palotahrojen syntymistä ja tarjota lopputuote, joka on vähemmän altis tummumaan. Kuitenkin tarvitaan täy-temetallia kovajuottamisen suorittamiseksi sidoksen tai liitoksen muodostamiseksi, ja on myös välttämätöntä nostaa 35 työstettävän hopealejeeringin lämpötila korkeaan lämpöti- 109887 3 laan aiheuttaen näin suuret lämpötilagradientit sidos-alueelle.

Tämän keksinnön tarkoitus on tarjota metallien liittämismenetelmä tarvitsematta käyttää täytemetallia li-5 säaineena. Tämän keksinnön toinen tarkoitus on tarjota metallien liittämismenetelmä lämpötiloissa, jotka ovat liitettävät osat muodostavien materiaalien kiinteän kide-alueen lämpötilan alapuolella. Lisäksi tämän keksinnön tarkoitus on tarjota hopea/germanium-lejeerinki, joka on 10 erityisen sopiva liittämiseen tämän keksinnön menetelmällä tai täyteaineettomilla hitsausmenetelmillä.

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää kahden elementin liittämiseksi toisiinsa käyttämällä hopea/ germanium-lejeerinkiä, jonka hopeapitoisuus on vähintään 15 77 paino-% ja germaniumpitoisuus on 0,4 - 7 paino-%, jolloin loppuosa on pääsiassa kuparia mahdollisten epäpuhtauksien ohella. Menetelmälle on tunnusomaista, että se käsittää vaiheet, joissa muodostetaan kaksi yhteen liitettävää elementtiä, jolloin ainakin toinen elemen- 20 teistä sisältää mainittua hopea/germanium-lejeerinkiä; mainitut kaksi elementtiä sijoitetaan vierekkäin siten, \ j että osa lejeeringin vapaasta pinnasta koskettaa toisen elementin vapaan pinnan osaa asettamatta täytemateriaalia ...| näiden kahden vapaan pinnan väliin; ja mainitut kaksi ·. : 25 vapaata pintaa kuumennetaan kohdassa, jossa mainitut kaksi • · elementtiä ovat vierekkäin, lämpötilaan, joka on element- f · tien rakennemateriaalien j ähmettymislämpötilan alapuo-* lella, jolloin mainitut kaksi elementtiä liittyvät toi siinsa diffuusiomenetelmällä.

» I

. 30 Keksintö koskee myös hopea/germanium-lejeerinkiä, jonka hopeapitoisuus on vähintään 77 paino-%, germa-;·. niumpitoisuus on 0,4 - 7 paino-%, jolloin loppuosa on ,··*, kuparia mahdollisten epäpuhtauksien ohella. Lejeeringille on tunnusomaista, että se sisältää booria rakenteen 35 parantajana pitoisuutena alle 20 ppm, ja että lejeerinki ei sisällä 0,02 - 7 % sinkkiä tai piitä tai niiden seosta.

109887 4

Jotta tämä keksintö olisi helpommin ymmärrettävissä, sitä kuvataan nyt viitaten liitteenä olevaan kuvioon, jossa kuvataan poikkileikkauskuvaa kahdesta metalliosasta A,B, jotka on liitetty käyttäen tämän keksinnön mukaista 5 menetelmää.

Vaikka tiedetään olevan mahdollista kovajuottaa hopea/kupari/germanium-lejeerinkiä pienemmällä juotettujen alueiden palotahrautumisen riskillä, nyt on havaittu, että yllättäen ei ole itse asiassa välttämätöntä juottaa täl- 10 laista hopea/kupari/germanium-lejeerinkiä sidoksen tuottamiseksi. Tämän mukaisesti valmistettaessa liitosta käyttämällä tämän keksinnön mukaista menetelmää ei ole enää välttämätöntä sulattaa liitoksen alueita tai täytemetallia tai oikeastaan käyttää täytemetallia ollenkaan.

15 Tällaisen liitoksen tai sidoksen valmistamiseksi tämän keksinnön erään muodon mukaisesti suoritetaan seu-raavat vaiheet.

Kahden materiaalipalan pinnat, joista toinen on kuparia ja germaniumia sisältävä hopealejeerinki, valmis- 20 tetaan siten, että liitettävien pintojen (liitospintojen) välillä ei ole suurta välimatkaa, jolloin nämä kaksi lii- : ; tospintaa yhdistetään suurimman mahdollisen pinta-alan • t * kohdalta. Sitten nämä kaksi materiapalaa A, B (katso ku-viota) asetetaan vierekkäin siten, että haluttu liitoksen ·. : 25 fyysinen rakenne saavutetaan. Materiaalikappaleiden olles

sa tässä asennossa käytetään lämpöenergiaa liitokseen J

I i » t'! (katso kuvio) diffuusion aiheuttamiseksi vierekkäisten * t * ’ liitospintojen välillä. Lämpöenergiaa toimitetaan ennalta- määritetyn ajan siten, että liitettävän kahden materiaali-

» I

30 palan lämpötila ei ylitä näiden kahden materiaalipalan minkään rakenneaineen kiinteän kidealueen alarajan lämpö- ;·, tilaa. Tämän mukaisesti näiden kahden liitettävän tai si- » * ,···, dottavan materiaalipalan sulamista ei tapahdu eikä tarvita » täytemetallia.

35 Kuten liitteenä olevasta kuviosta voidaan havaita, ·'' laitosalueella molempien materiaalien A, B jyvärakenne on 109887 5 oleellisen muuttumaton ja liitoslinja J on vaikeasti havaittavissa. Näin ollen tällaiset liitokset ovat esteettisesti tyydyttäviä, mikä on edullista korusovellutuksissa.

Kyvyn muodostaa liitos käyttäen tämän keksinnön 5 mukaista hopea/kupari/germanium-lejeerinkiä ajatellaan johtuvan liitettävien kahden materiaalipalan liitos-pintojen atomien hajaantumisliikkeestä ja erityisesti germaniumatomien runsaasta diffuusiosta toisen materiaalipalan viereisen pinnan vapaille paikoille. Tällaiset 10 vapaat paikat ovat tavallisia metallien vapailla pinnoilla ja näin ollen on mahdollista liittää esimerkiksi hopea/kupari/germanium-lejeeringistä koostuva metalliosa joko toiseen hopea/kupari/germanium-lejeerinkiin tai rautapitoiseen tai ei-rautapitoiseen metalliin käyttämättä 15 lisättävää täytemetallia. Lisäksi tällaisia vapaita paikkoja voi olla läsnä myös keraamien tai muiden epämetallisten materiaalien kuten muovien vapailla pinnoilla, on siis mahdollista liittää hopea/kupari/germanium-lejeerinki epämetallisiin materiaaleihin.

20 Yllä kuvattua menetelmää käyttäen voidaan val mistaa kaikentyyppisiä liitoksia kuten päittäisliitoksia ' ja limittäisliitoksia.

;; ; Tämän keksinnön eräässä suoritusmuodossa hopea/ku- .··· pari/germanium-le j eerinki levitetään joko jauheena, pin- ·. ; 25 noitteena tai ohuena kalvona toisen liitettävän kappaleen » * päälle. Tässä tapauksessa hopea/kupari/germanium-lejeerin- • · ki, missä tahansa muodossa, sitoutuu erillisenä elementti- • * ‘ nä kumpaankin kahteen liitettävään elementtiin.

Tämän keksinnön mukaisesti hopea/kupari/germanium- • '·' 30 lejeerinkijauhe voidaan liittää toiseen elementtiin muo- * · * dostamalla hopea/kupari/germanium-pinnoite tai -kalvo.

Yllä kuvattua menetelmää käyttämällä on myös mah-dollista valmistaa monikerroksista komposiittimateriaalia, joka muodostetaan sitomalla hopea/kupari/germanium-lejee-'· 35 rinki muihin materiaalikerroksiin kuten muihin metallei- hin, keraameihin tai muoveihin tarpeen mukaan.

109887 6

Yllä kuvattu menetelmä voidaan suorittaa niinkin alhaisissa lämpötiloissa kuin 500 °C välttäen näin kalliiden autoklaaviyksiköiden tai uunien tarve. Liitoksia on saavutettu pitämällä liitettävät materiaalit tässä lämpö-5 tilassa muutaman minuutin ajan.

Tämän keksinnön eräässä suoritusmuodossa hopea/ germanium-lejeeringin hopeapitoisuus on vähintään 77 paino-% ja germaniumpitoisuus on välillä 0,4-7 paino-% loppuosan ollessa pääsiassa kuparia joidenkin epäpuh-10 tauksien ohella.

Tämän keksinnön edullisessa suoritusmuodossa ho-pea/germanium-lejeeringin hopeapitoisuus on vähintään 92,5 paino-% ja germaniumpitoisuus on välillä 0,5-3 paino-% loppuosan ollessa pääsiassa kuparia joidenkin epäpuhtauk-15 sien ohella.

Hopea/germanium-lejeerinki, joka on erityisen sopiva tämän keksinnön menetelmässä, mutta joka soveltuu myös liittämiseen vastushitsaus- ja laserhitsausmene-telmillä, käsittää hopeapitoisuuden vähintään 92,5 20 paino-% ja germaniumpitoisuuden välillä 0,4 - 7 paino-% loppuosan ollessa pääsiassa kuparia joidenkin epäpuh-V; tauksien ohella, joka lejeerinki sisältää booria rakenteen parantajana pitoisuudella alle 20 miljoonasosaa. Silti on havaittu, että tällaiset alhaiset boori-. 25 pitoisuudet antavat erinomaisen rakenteen parantamisen hopea/germanium-lejeeringille. Itse asiassa pitoisuus alle ;;; 10 miljoonasosaa tai niinkin alhainen kuin 2 tai jopa 0,9 ·' ‘ miljoonasosaa on tehokas tähän tarkoitukseen antaen korkeamman lujuuden ja muovattavuuden tälle lejeeringille • i 30 verrattuna hopea/germanium-le j eerinkiin ilman booria ja • · · ‘ : sallii lujien ja esteettisesti tyydyttävien liitosten saavuttamisen käyttämällä tämän keksinnön menetelmää tai vastus- tai laserhitsausmenetelmiä.

I · Tämän keksinnön hopea/germanium-lejeerinki on ’· 35 palotahrautumista kestävä eikä minkäänlaista näytteiden " 1': pinnan täplittymistä havaittu toistettavassa kuumen- 109887 7 nuksessa (kolme kertaa) lämpötiloihin, joissa tunnettujen hopea/kupari/germanium-lejeerinkien eutektinen kupari/-germaniumseos tavallisesti sulaisi ja aiheuttaisi tummumisen .

5 Tämän keksinnön osan muodostava boori hopea/germa- nium-lejeeringissä näyttää estävän kidekasvua jopa lämpötiloissa, joita käytetään korualalla pehmeäjuottamisessa.

Tämän keksinnön mukaiset hopea/germanium-lejeerin-gin muut edulliset muodot käsittävät hopeapitoisuuden vä-10 hintään 80 % tai vähintään 83 %.

»· · • · · • · * · » · · 1

M

Claims (11)

109887 8

1. Menetelmä kahden elementin liittämiseksi toisiinsa käyttämällä hopea/germanium-lejeerinkiä, jonka ho-5 peapitoisuus on vähintään 77 paino-% ja germaniumpitoisuus on 0,4 - 7 paino-%, jolloin loppuosa on pääsiassa kuparia mahdollisten epäpuhtauksien ohella, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa muodostetaan kaksi yhteen liitettävää elementtiä, jolloin ainakin toi-10 nen elementeistä sisältää mainittua hopea/germanium-lejeerinkiä; mainitut kaksi elementtiä sijoitetaan vierekkäin siten, että osa lejeeringin vapaasta pinnasta koskettaa toisen elementin vapaan pinnan osaa asettamatta täytemateriaalia näiden kahden vapaan pinnan väliin; ja mainitut 15 kaksi vapaata pintaa kuumennetaan kohdassa, jossa mainitut kaksi elementtiä ovat vierekkäin, lämpötilaan, joka on elementtien rakennemateriaalien jähmettymislämpötilan alapuolella, jolloin mainitut kaksi elementtiä liittyvät toisiinsa diffuusiomenetelmällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että germaniumpitoisuus on 0,5 -·· · 3 paino-% .

··’· 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, *" tunnettu siitä, että molemmat liitettävät elemen- 25 tit sisältävät hopea/germanium-lejeerinkiä.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai-·;*. nen menetelmä, tunnettu siitä, että elementtien kaksi vierekkäistä vapaata pintaa kuumennetaan niinkin • ( . alhaiseen lämpötilaan kuin 500 °C.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai- ;* nen menetelmä, tunnettu siitä, että hopea/ger- manium-lejeerinkiä sisältävä elementti on jauhe, pinnoite tai ohut kalvo.

. 6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai- * 35 nen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käyte- 9 109887 tään korujen, hopeaesineiden tai sähköisten tai elektronisten liittimien tai lentokonemateriaalien valmistuksessa .

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai-5 nen menetelmä, tunnettu siitä, että useita päällekkäin asetettuja elementtejä liitetään yhteen monikerroksisen tuotteen muodostamiseksi.

8. Hopea/germanium-lejeerinki, jonka hopeapitoisuus on vähintään 77 paino-%, germaniumpitoisuus on 0,4 10. paino-%, jolloin loppuosa on kuparia mahdollisten epä puhtauksien ohella, tunnettu siitä, että lejee-rinki sisältää booria rakenteen parantajana pitoisuutena alle 20 ppm, ja että lejeerinki ei sisällä 0,02 - 7 % sinkkiä tai piitä tai niiden seosta.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen lejeerinki, tunnettu siitä, että germaniumpitoisuus on 0,5 -3 paino-%.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen lejeerinki, tunnettu siitä, että booripitoisuus on alle 20 10 ppm.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen lejeerinki, tunnettu siitä, että booripitoisuus on 0,9 ppm. • » » t · · * • » • # • · • I • · • · • * • * » • · · • · • * • » • · » > * » · 10 109887