DE1172099B - Hartlot und Verfahren zum Loeten von Graphit mit ?? - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: B 23 k

Deutsche Kl.: 49 h - 26/01

Nummer: 1172 099

Aktenzeichen: U 8141VI a/49 h

Anmeldetag: 30. Juni 1961

Auslegetag: 11. Juni 1964

Die Erfindung betrifft allgemein eine neue Klasse von Hartloten und ein Verfahren zum Hartlöten von Graphitteilen untereinander bzw. an Teile aus schwerschmelzbaren, korrosionsfesten Metallen oder Legierungen unter Verwendung dieser Lote, wobei eine verbesserte, korrosionsfeste Verbindung erhalten wird, die eine gute Hochtemperaturfestigkeit aufweist, die der Hochtemperaturfestigkeit des hartzulötenden Graphits mindestens gleich ist. Die Erfindung ist ferner auf die Bildung von hartgelöteten Graphit-Graphit-Verbindungen der genannten Art gerichtet.

Der Graphit ist ein wertvoller Werkstoff für den Einsatz bei hoher Temperatur. Er hat einen besonderen Wert auf vielen Gebieten der Kerntechnik, da er ausgezeichnete Moderator- und Reflektoreigenschaften aufweist, die in einzigartiger Weise mit Hochtemperaturfestigkeit und Stabilität vereinigt sind. Die Graphittechnik ist heute so weit fortgeschritten, daß man den Graphit spanabhebend etwa dem gleichen Genauigkeitsgrad wie spanabhebend bearbeitbare Metalle bearbeiten kann. Man kann z. B. Innendurchlässe und andere verwickelte Raumformen, die sich bei Metallen herstellen lassen, dadurch erhalten, daß man den Graphit durch Gesenkfräsen oder nach der Modellbautechnik oder unter Anwendung von Schablonenfräsmaschinen in Form mehrerer Komponenten vorformt. Zur Bildung eines gewünschten einheitlichen Aufbaus, der zumindest zum Teil von Graphitteilchen gebildet wird, ist die Bildung verläßlicher Graphit-Graphit- und Graphit-Metall-Verbindungen notwendig. Der volle Einsatz von Graphit als Werkstoff hängt daher in einem hohen Grade von der Entwicklung geeigneter Techniken zur Vereinigung von Graphitteilen und graphithaltigen Aufbauten ab.

Die Erfindung stellt ein neues Verfahren zum Hartlöten von Graphitteilen zur Verfügung, wobei die erhaltene, hartgelötete Verbindung bei erhöhten Temperaturen bis zu 800° C eine Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit hat, die mindestens gleich derjenigen des zu verbindenden Graphits ist, sowie eine solche verbesserte Verbindung. Sie macht eine neue Klasse von Hartloten zur Erzeugung dieser Verbindung verfügbar. Weitere Vorteile und Zweckangaben der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in deren Dreieckskoordinatensystem in Form eines schraffierten Bereiches die Hartlotzusammensetzungen (in Gewichtsprozent ausgedrückt) definiert sind, die sich für das Verfahren gemäß der Erfindung zum Hartlöten eignen.

und Verfahren zum Löten von Graphit mit

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Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Ralph George Donnelly,

Ralph Gerald Gilliland,

Gerald Metthews Slaughter, Oak Ridge, Tenn.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 25. Juli 1960 (45 250)

In der Zeichnung gibt der Bereich A die bevorzugten Hartlote wieder, die sich besonders gut für die Bildung von Graphit-Graphit-Hartlötungen eignen, und der Bereich B umfaßt Hartlote mit einem bevorzugten Temperaturkoeffizienten für die Bildung von Verbindungen zwischen Graphit und einem schwerschmelzbaren Metall, wie Wolfram, Molybdän, Tantal, Zirkonium, Titan, Niob und Rhenium, oder Legierungen, die mindestens eines der Metalle als wichtige Legierungsbestandteile enthalten. Der Bereich C (A + B) umfaßt den Gesamtbereich der Hartlote, die sich mit Vorteil zur Bildung von hartgelöteten Graphit-Graphit-Verbindungen oder Verbindungen zwischen Graphit und schwerschmelzbarem Metall verwenden lassen.

Es hat sich gezeigt, daß sich Graphit-Graphit- und Graphit-Metall-Teile mittels der Gold-Nickel-Tantal-Hartlote gemäß der Erfindung unter Bildung einer korrosionsbeständigen, hartgelöteten Verbindung miteinander verbinden lassen, deren Festigkeit mindestens gleich derjenigen des Graphitteils der Verbindungsstelle ist. Unter der »Korrosionsbeständigkeit« ist hier die Beständigkeit der Hartlote gegen Korrosion durch geschmolzene Fluoride zu verstehen. Ein Hartlot wird insbesondere als korrosionsbeständig betrachtet, wenn sein Gewichtsverlust bei lOOstündi-

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Pulver zerkleinern. Im Pulverzustand läßt sich das Hartlot gleichmäßig mit einem Bindemittel, wie Nitrocellulose oder einem Acrylharz, unter Bildung einer Paste vermischen, wobei es wichtig ist, daß das Bindemittel wegbrennt, ohne daß eine die hartgelötete Verbindungsstelle verunreinigende Asche zurückbleibt. Unabhängig von der Form, in der die Herstellung erfolgt, wird das Hartlot an den in einem Ofen zu vereinigenden Flächen angeordnet. Man

schmilzt und frei über die zu vereinigenden Flächen fließt. An diesem Punkt wird das Heizelement abgeschaltet und das geschmolzene Hartlot unter Bildung der hartgelöteten Verbindung erstarren gelassen. Die

gem Eintauchen in eine geschmolzene Fluoridmasse, die aus einem eutektischen Gemisch von LiF und BeF., besteht, weniger als etwa 0.1% beträgt.

Die ternären Hartlote gemäß der Erfindung bestehen aus 40 bis 90 Gewichtsprozent Gold, 5 bis 35 Gewichtsprozent Nickel und 1 bis 45 Gewichtsprozent Tantal. Die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit dieser Legierungen geht zwar auf alle drei Bestandteile zurück, aber das Tantal ergibt auch eine

ausgezeichnete Benetzungswirkung, da es leicht Car- ίο kann die Verbindungsstelle und das diese umgebende bide bildet, wenn es geschmolzen ist und mit dem Hartlot mittels eines Lichtbogen-Schmelzofens oder Graphit in Berührung steht. Es hat sich gezeigt, daß mit Radiofrequenz arbeitenden Induktionsheizeledie Menge des Tantals in dem Hartlot dadurch kri- mentes auf eine Temperatur oberhalb des Liquidustisch ist, daß ein Tantalgehalt von mehr als 45 Ge- punktes des Hartlotes erhitzen und auf dieser Temwichtsprozent das sich ergebende Hartlot zu hart 15 peratur halten, bis die geschmolzene Legierung und spröde macht, um eine Verbindung brauchbarer
Festigkeit zu ergeben. Hartlote mit 1 bis 45 Gewichtsprozent Tantal benetzen im geschmolzenen
Zustand die zu vereinigenden Flächen und verfließen

auf diesen glatt. Bei der Verfestigung bilden diese 20 Hartlote gemäß der Erfindung haben im allgemeinen Lote Verbindungen, die mindestens so fest wie der einen Soliduspunkt und einen Liquiduspunkt im Be-Graphitteil der hartgelöteten Verbindung sind. So reich von 100 bis 1400° C. Beim Arbeiten mit einem kann man bei der Bildung von hartgelöteten Graphit- Gold-Nickel-Tantal-Hartlot mit höherem Solidus-Metall-Verbindungen mit Vorteil Hartlote im Be- und Liquiduspunkt (Schmelzintervall) sind entsprereich C gemäß der Zeichnung einsetzen, um bei 25 chend höhere Hartlötofentemperaturen notwendig, hoher Temperatur, d. h. Temperaturen im Bereich Das Hartlöten soll im Vakuum oder in einer inerten von 30 bis 800° C, feste und korrosionsbeständige Atmosphäre, wie Helium oder Argon, erfolgen, da-Verbindungen zu erhalten. Bei der Bildung von Gra- mit auf diese Weise die Notwendigkeit der Verwenphit-Metall-Bindungen werden optimale Benetzungs- dung eines Flußmittels vermieden und jegliche Ver- und Fließeigenschaften mit den Hartloten gemäß Be- 3° unreinigung der hartgelöteten Verbindungsstelle verreich B nach der Zeichnung erhalten. mindert wird.

Hartlote, die weniger als 1 Gewichtsprozent Tan- Hartlötungen gemäß der Erfindung zeigen eine

tal enthalten, zeigen in bezug auf Graphit- wie auch Benetzung und ein glattes Fließen, und in allen Fäl-Metallflächen, wenn überhaupt, so ein geringes Be- len sind korrosionsfeste Graphit-Graphit- und Granetzungsvermögen. Es hat sich gezeigt, daß der Be- 35 phit-Metall-Verbindungen erhalten worden, die minnetzungsgrad, der für eine zufriedenstellende Gra- destens so fest wie der Graphit selbst sind. So wurde phit-Graphit-Bindung benötigt wird, etwas höher als mittels eines Hartlotes aus 60 Gewichtsprozent Gold, bei der Bildung von hartgelöteten Verbindungsstel- 10 Gewichtsprozent Nickel und 30 Gewichtsprozent len zwischen Graphit und schwerschmelzbaren Me- Tantal eine T-Verbindung zwischen einem 4,8 mm tallen ist. Eine besondere und bevorzugte Ausfüh- 40 dicken Stab aus Graphit der Reaktorsorte (AGOT rungsform der Erfindung liegt dementsprechend in Graphit) und einer 6,4 mm dicken Molybdänplatte der Verwendung eines Gold-Nickel-Tantal-Hartlotes, hergestellt. Die erhaltene hartgelötete Verbindung das 15 bis 45 Gewichtsprozent Tantal enthält (Be- wurde im Vakuum zehn Wärmezyklen von Raumreich A). Insbesondere ergeben Hartlote, die 15 bis temperatur bis 700° C von jeweils weniger als 15 Mi-45 Gewichtsprozent Tantal und nicht mehr als etwa 45 nuten Dauer durchlaufen gelassen. Die anschlie-10 Gewichtsprozent Nickel enthalten, eine optimale ßende metallographische Untersuchung von Quer-

und Längsschnitten dieser Verbindung zeigte eine vollständige Integrität der Verbindung auf ihrer gesamten Länge. Es wurde versucht, durch willkürliehe Kraftanwendung in dem Verbindungsbereich die T-Komponenten gegeneinander zu biegen; dieser

Kombination von Benetzungsvermögen, Fließvermögen sowie Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der entstehenden hartgelöteten Graphit-Graphit-Verbindung.

Bei der Herstellung eines gewünschten Hartlotes werden Gold, Nickel und Tantal in abgewogenen Anteilen in einen Lichtbogen-Schmelzofen eingegeben, der von einem wassergekühlten Kupfertiegel und einer Wolframelektrode gebildet werden kann. Die Charge wird in einer inerten Atmosphäre, wie Argon oder Helium, geschmolzen, um eine Verunreinigung der Schmelze zu verhindern. Die erhaltene

Versuch ergab ein Brechen des Graphitteils der Verbindung, ohne daß irgendeine erkennbare Schwächung der hartgelöteten Verbindung eintrat.

In einem anderen Falle wurde ein feinkörniges, stranggepreßtes Graphitrohr (22,2 mm Innendurchmesser, 31,8 mm Außendurchmesser) unter Verwendung eines Hartlotes aus 60% Gold, 10% Nickel und 30% Tantal durch Hartlöten mit einer 6,4 mm

Schmelze wird dann zu einem Ingot (Rohblock) verfestigt. Legierungsrohblöcke, die weniger als etwa 60 dicken Kopfplatte aus Molybdän verbunden. Dabei 15% Tantal enthalten, können durch Strangpressen zeigte sich, daß die geschmolzene Legierung die anauf die gewünschte Draht- oder Stabgröße gebracht einander anstoßenden Graphit- und Molybdänflächen werden, mit der sie an den hartzulötenden Stellen glatt umfließt. Beim Abkühlen ist eine saubere, unvor dem Hartlöten angeordnet werden sollen. Hart- unterbrochene Lotnaht an der Innen- wie auch lote mit mehr als 15% Tantal haben sich für die 65 Außenfläche des Graphitrohrs an der Berührungs-Vorformung zu Draht oder dünnen Stäben als zu stelle mit der Kopfplatte festzustellen. Es sind auch spröde erwiesen. Man kann die Hartlote, wenn ge- ähnliche hartgelötete Verbindungen zwischen Graphit wünscht, auch zu kleinen Stücken oder zu einem und anderen schwerschmelzbaren Metallen unter

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hartlot mit ausgezeichnetem Benetzungsund Fließvermögen im geschmolzenen Zustand, besonders zur Bildung einer korrosionsbeständigen Verbindung zwischen Graphit und Graphit

oder Graphit und einem schwerschmelzbaren Metall, deren Festigkeit mindestens gleich der Hochtemperaturfestigkeit des zu verbindenden Graphits ist, bestehend aus 5 bis 35% Nickel, 1 bis 45% Tantal, Rest 40 bis 90% Gold.

2. Lot nach Anspruch 1 mit besonderer Eignung für die Bildung von Graphit-Graphit-Verbindungen, bestehend aus 5 bis 35% Nickel, 15 bis 45% Tantal, Rest 40 bis 80% Gold.

3. Lot nach Anspruch 2, bestehend aus 5 bis 10% Nickel, 15 bis 45 «/α Tantal, Rest Gold.

4. Verfahren zur Herstellung einer hartgelöteten Verbindung zwischen Graphit und Graphit oder Graphit und einem schwerschmelzbaren Metall, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vereinigenden Flächen aneinandergebracht werden, längs mindestens einer der Flächen ein Hartlot gemäß Anspruch 1 bis 3 angeordnet wird, die Flächen und das Hartlot auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes erhitzt werden, bis es schmilzt und frei auf diesen fließt, und daß danach die Lötstelle abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Löten in einer inerten Atmosphäre vorgenommen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 373 725, 571183;

»Welding Journal — Welding Research Supplement«, 35 (1956), September, S. 431s bis 443 s;

»Nuclear Science Abstracts,« 14 (1960), Nr. 2, Januar 1960, S. 240, Ref. 1804;

»Metal Progress«, 74 (1958), Nr. 3, September, S. 99 bis 104.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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