DE3247830A1

DE3247830A1 - Verfahren zum hartloeten von kupfer an kupfer oder an stahllegierungen

Info

Publication number: DE3247830A1
Application number: DE19823247830
Authority: DE
Inventors: Ferenc 1145 Budapest Nagy; Péter 1011 Budapest Szabó; Sándor 1025 Budapest Szabó; Alfonz 1202 Budapest Szentgyörgyi
Original assignee: FEGYVER ES GAZKESZUELEKGYAR; Fegyver Es Gazkeszuelekgyar Budapest; Magyar Tudomanyos Akademia Kozponti Kemiai Kutato Intezet
Current assignee: FEGYVER ES GAZKESZUELEKGYAR; Fegyver Es Gazkeszuelekgyar Budapest; Magyar Tudomanyos Akademia Kozponti Kemiai Kutato Intezet
Priority date: 1981-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1983-07-07
Also published as: HU188730B; DD207508A5; FR2518440B1; CS254313B2; FR2518440A1; DE3247830C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Hartlöten von Kupfer an Kupfer oder an Stahllegierungen, insbesondere an rostfreie Stähle.

Es ist bekannt, daß das Hartlöten von legierten Stählen an andere Metalle im allgemeinen schwierig ist, weil die Legierungsmetalle, welche weniger edel als Eisen sind, wie Chrom, Molybdän, Mangan, Titan und Vanadium, auch unter Bedingungen, unter welchen die Oberfläche der Kohlenstoff stähle noch rein bleibt, bereits schwer zersetzbare Oxydschichten bilden. Diese Oxydschicht verhindert die Benetzung des rostfreien Stahles mit dem Lötmaterial (Hartlot) und auf diese Weise das Entstehen einer festen Lötstelle. Besonders schwierig ist die Situation bei den ohne Flußmittel in Schutzgas oder unter Vakuum durchgeführten Lötarbeiten, weil in diesem Falle die im Schutzgas oder der Restluft vorhandenen Sauerstoff- und/oder Wasserdampfspuren die Oxydschicht auf der Oberfläche während der gesamten Dauer des Lötvorganges verstärken, was manchmal das Löten einfach unmöglich macht.

Die Verfahren zum Löten von rostfreien Stählen in Schutzgas oder unter Vakuum haben den Hauptnachteil, daß zunächst Lötmaterial vor der Wärmebehandlung zum Schutz der Oberfläche des Stahls auf diese aufgebracht werden muß (ein bloßes Anordnen ohne Bedecken der Oberfläche genügt nicht) und in manchen Fällen sogar noch gasförmige Flußmittel eingesetzt werden müssen, damit die oben erwähnten Schwierigkeiten beseitigt werden können (N. Lashko und S. Lashko: Brazing and Soldering of Metals [MIR Publishers, Moscow]). Auch in den japanischen Patentschriften 77 76 254 und 79 85 158 wird ein Auftragen von Lötmaterial

zum Oberflächenschutz vor der Wärmebehandlung empfohlen«

In den bekannten Verfahren zum Hartlöten voa rostfreien Stählen an andere Metalle muß also entweder mit Flußmitteln gearbeitet werden oder die aneinanderzulötenden Oberflächen müssen durch eine Vorbehandlung geschützt werden oder beide sind erforderlich«,

Das Hartlöten von Kupfer an Kupfer oder an andere Metalle als legierte Stähle ist im allgemeinen mit keinen besonderen technischen Schwierigkeiten verbunden, wenn das für den gewünschten Zweck geeignete Lötmaterial und das geeignete Verfahren gewählt werden«. Der Schmelzpunkt des Lötmateriales muß unter dem des Kupfers liegen und das Lötmaterial darf bei der Temperatur des Lötens mit dem Kupfer keine Legierung bilden, weil sonst eine Erosion des Grundmateriales eintreten würde. Manchmal sind Jedoch das Anbringen und Befestigen des Lötmateriales in der Nähe der au lötenden Flache kompliziert und erfordern eine aus vielen Schritten bestehende Verfahrenstechnik beziehungsweise Technologie. Zum Beispiel bei der Herstellung von aus Kupferrohren und Kupferblechen bestehenden Wärmeaustauschern muß das Lötmaterial in in die wärmeableitenden Kupferplatten geschnittene Löcher eingebracht werden und danach wird der zusammenmontierte wärmeaustauscher in Schutzgas oder unter Vakuum wärmebehandelt. Ein modernes Beispiel für die Anwendung dieses Prinzips ist das in der britischen Patentschrift 1 558 264 beschriebene Verfahren»

Es ist auch aus Römpp, CHEMIE LEXIKON, 5» Auflage, 1962, Spalte 2 0?8 das Hartlöten von Schwermetallen und Eiserswerkstoffen mit Silberloten bekannt. Ferner 1st aus demselben Werk, Spalten 2 998 bis 2 999 das Hartlöten von Eisen und Kupfer mit Kupferlot bekannt. Die mit diesen bekannten Hartloten erzielten Lötungen lassen aber noch zu wünschen übrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Behebung der Mangel der bekannten Verfahren ein einfaches Verfahren zum Hartlöten, durch welches Stahllegierungen, insbesondere rostfreier Stahl, ohne Verwendung von Flußmitteln und ohne Vorbehandlung zum Schutz der Oberfläche mit besserem Ergebnis an Kupfer gelötet werden können sowie auch das Hartlöten von Kupfer an Kupfer mit einer gegenüber dem Stand der Technik stark vereinfachten Verfahrenstechnik beziehungsweise Technologie, insbesondere unter Fortfallen der das Vorbereiten der aneinanderzulötenden Flächen betreffenden Arbeitsgänge auch im Falle von solchen von komplexer Form und Ausführung sowie der das Anbringen und Befestigen des Lötmateriales betreffenden Maßnahmen^ nach Belieben durchgeführt werden kann, zu schaffen.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß in entsprechend reinem Schutzgas oder unter genügend geringem Druck und mit einer über eine ausreichend lange Zeit vorgenommenen Wärmebehandlung die meisten Stahllegierungen, wie rostfreien Stähle, auch ohne vorherigen Schutz der Oberfläche und ohne Flußmittel an Kupfer hartgelötet werden können, wenn als Hartlötmaterial bestimmte ausgewählte Reinmetalle verwendet werden. Das schmelzende Lötmaterial benetzt dann die Oberfläche der an das Kupfer zu lötenden Striillegierung optimal. Dabei erfolgt dies nicht innerhalb eines Augenblickes, sondern die Benetzung ist ein langsamer Vorgang, weil das geschmolzene Metall zum Zersetzen und Verdrängen der Oberflächenoxyde eine bestimmte Zeitspanne braucht. Die erforderliche Lötdauer hängt von der Reinheit des Schutzgases beziehungsweise von der Menge des nach dem Evakuieren zurückbleibenden Restsauerstoffes und/oder Restwasserdampfes ab.

Ferner beruht die Erfindung auf der überraschenden Feststellung, daß bei Verwendung von bestimmten ausgewählten Reinmetallen als Hartlötmaterial auch die sich während der Wärmebehandlung aus dem Grundmetall Kupfer und den auf dessen Oberfläche aufgebrachten anderen Reinmetallen "in situ" bildende oberflächliche Legierung, bei der es sich nicht notwendigerweise um eine solche, welche das Kupfer benetzt, handeln muß, als Lötmaterial unter Bildung einer überlegenen Lötung beim Hartlöten dienen kann, ohne daß eine Erosion des Grundmetalles erfolgt. Die zwischen den ausgewählten Reinmetallen und dem zu lötenden Kupfer in situ gebildete flüssige oberflächliche Legierung führt zu einer optimalen Benetzung der Oberfläche der an das Kupfer zu lötenden Stahllegierung und damit zu einer optimalen Lötung, wobei es andererseits wie bereits erwähnt keine Notwendigkeit ist, daß die oberflächliche Legierung auch das Kupfer benetzt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Hartlöten von Kupfer an Kupfer oder an Stahllegierungen durch Auftragen eines legierungsbildenden Metalles als HartlÖtmaterial auf mindestens 1 der Kupferflächen beziehungsvreise die Kupferfläche, Aneinanderdrücken der zu verlötenden Flächen und Bringen des Werkstückes in gereinigtem Schutzgas oder unter Vakuum von einem Druck von höchstens 1 Pa auf Temperaturen von 850 bis 1 080°0 bis zum Entstehen der oberflächlichen Legierung, wobei im Falle des Hartlötens von Kupfer an Stahllegierungen diese Temperatur 10 Ms 200 Minuten lang gehalten wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß als legierungslbildendes Metall Zinn, Indium oder Mangan verwendet wird«

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor dem Auftragen des legierungsbildenden Metalles ein Grundüberzug aus Nickel, Kobalt, Indium und/oder Silber in einer Stärke von höchstens 30 u aufgetragen.

Vorzugsweise wird das Auftragen des legierungsbildenden Metalles und/oder des Grundüberzuges aus Elektrolytlösungen vorgenommen.

Vorzugsweise wird das Abscheiden des legierungsbildenden Metalles und/oder des Grundüberzuges in einer Stärke von 1 bis 30 U vorgenommen.

Auch beim Hartlöten von Kupfer an Kupfer kann eine Wärmebehandlung durch Halten der Temperatur von 650 bis 1 080⁰C durchgeführt werden, sie ist aber nicht zwingend.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt gegenüber den Verfahren des Standes der Technik den Vorteil mit sich, daß durch es die Bildung einer festeren Legierungsverbindung zwischen dem Lötmaterial und der beziehungsweise den Kupferoberfläche(n) und eine bessere Benetzung der Oberfläche der an das Kupfer anzulötenden Stahllegierung durch die Legierung aus Lötmaterial und Kupfer und damit eine bessere Lötung erzielt werden kann. Dabei ist eine Vorbehandlung zum vorherigen Schutz der Oberfläche und die Verwendung eines Flußmittels in Argon oder unter Vakuum auch im Falle von an Kupfer zu lötenden Stahllegierungen entbehrlich. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren einfacher.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Lötstellen von ausgezeichneter Qualität erhalten.

Das Hartlöten von Stahllegierungen an Kupfer betreffend eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut zum Hartlöten von rostfreien Stählen/ vor allem solchen Stfihllegierungen, welche Silber, Zinn, Indium, Mangan, Gallium und/oder Nickel oder Zinnbronze als Legierungsmetall(e) beziehungsweise Legierungsmetallegierung enthalten, an Kupfer. Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungs-

gemäßen Verfahrens ist die bei der Herstellung von aus Kup fer oder aus Kupfer und rostfreien Stählen beziehungsweise anderen StahlIegierungen bestehenden Wärmeaustauschern und Maschinenteilen.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beispiele näher erläutert. Die zur Durchführung der Beispiele verwendeten Rohröfen wurden evakuiert oder mit Argon» welches vorher an Kupferkatalysatoren und Molekülsieben gereinigt worden ist, durchgespült. Als rostfreie Stähle wurden die folgenden gemäß der Norm DDT 1?00? verwendet.

1.4113,
1.4122,

1.4306,
1.4541 und 1.4571

Die Beispiele gliedern sich in 3 Gruppen; Hartlöten von rostfreien Stählen an Kupfer, Hartlöten von Kupfer an Kupfer und schließlich die Zusammenfassung von weiteren Beispielen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

A) Hartlöten von rostfreiem Stahl an Kupfer

Beispiel 1

Es wurde aus einer Elektrolytlösung auf einer Kupferfläche eine etwa 5 M starke Zinnschicht abgeschieden. Die so überzogene Kupferfläche wurde an eine Oberfläche von rostfreiem Stahl angedrückt und das Ganze wurde in einer

-r-

Schutzgasatmosphäre aus gereinigtem Argon 90 Minuten lang bei etwa 1 000 G wärmebehandi
nete Lötverbindung erhalten.

bei etwa 1 000⁰G wärmebehandelt. Es wurde eine ausgezeich-

ßeispiel 2

Es wurde auf einer Kupferfläche elektrolytisch eine 1 u starke Nickelschicht abgeschieden und auf die so vernickelte Kupferfläche wurde noch eine 7 μ starke Zinnschicht aufgebracht. Die so überzogene Fläche wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise mit rostfreiem Stahl verlötet. Es wurde eine ausgezeichnete Lötverbindung erhalten.

Beispiel 3

Es wurde die im Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise mit dem Unterschied wiederholt, daß an Stelle des Zinnes Indium auf der Kupferfläche abgeschieden wurde. Es wurde ebenfalls eine ausgezeichnete Lötverbindung erhalten.

B) Hartlöten von Kupfer an Kupfer Beispiel 4

Es wurde die im Beispiel 1 beschriebene Verfahrensweise mit dem Unterschied wiederholt, daß an die verzinnte Kupferfläche statt der Fläche des rostfreien Stahles eine Kupferfläche angedrückt wurde und die Wärmebehandlung 15 Minuten lang durchgeführt wurde. £s wurde eine ausgezeichnete Lötverbindung erhalten.

- 10 -

Beispiel 5

Es wurde auf einer Kupferfläche zunächst eine 1 μ starke Nickelschicht und anschließend noch eine 8 ρ star ke Indiumschlcht abgeschieden. An die so überzogene Fläche wurde eine Kupferfläche angedrückt und das Ganze wur de in einem Schutzgas auf etwa 1 000⁰C erwärmt. Es wurde eine hervorragende Lötverbindung erhalten.

Beispiel 6 .

Es wurde wie im Beispiel 5 beschrieben gearbeitet, jedoch mit dem Unterschied, daß an Stelle des Nickelüberzijges ein Kobaltüberzug abgeschieden wurde. Es wurde ebenfalls eine ausgezeichnete Lötverbindung erhalten.

C) Zusammenfassung von weiteren Beispielen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

Beispiele 7 bis 18

Zur Veranschaulichung des Hartlötens von rostfreiem Stahl an Kupfer sind in der folgenden Tabelle weitere Beispiele unter Angabe der Lötparameter zusammengestellt. Die Versuche wurden unter Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre aus gereinigtem Argon unter einem Druck von 1 bar durchgeführt. Die zur Bildung der oberflächlichen Legierung erforderlichen Lotmaterialmetalle wurden elektrolytisch aus Elektrolytlösungen auf der Kupferfläche abgeschieden. In den meisten Beispielen wurde ebenfalls

- 11 -

elektrolytisch auch ein Grundüberzug auf dem Kupfer erzeugt und die legierungsbildende Metallschicht wurde auf diesen Grundüberzug abgeschieden.

- 12 -

Tabelle

Beispiel

Nr.

Legierungsbildendes

Lötmaterial Le gierung s- ! Stärke bildendes in

Grunduberzug

Metall

Stärke in

Wärmebehandlung Temperatur j Zeit in ; in C i Minuten

	me ocAxx	r	-	0,5	1 000	20
7	Indium	7,5	Nickel	1	1 000	30
8	Indium	. 7,5	Kobalt	7,5	1 05C	60
9	Indium	10	Silber	-	1 000	45
10	Indium	2	-	1	975	90
11	Zinn	10	Nickel	0,5	975	90
12	Zinn	8	Kobalt	4	975	90
13	Zinn	7	Indium	3	1 000	90
14	Zinn	4	Silber		1 000	75
15	Zinn	7

Fortsetsaug der tabelle

Beispiel Hr ·

LegierungsbildLendes Itötmaterial msgs·- I Stärke

bildendes j in

t Metall

Metall

Stärke

in

F

Zeit

la Miauten

Mangan 975

90

Mangan

Nickel 90

Mangan

10

Kobalt 975

90

In jedem Falle wurde eine ausgezeichnete Lötverbindung erhalten

OO OJ) CD

24783

Beispiel 19

Die in den Beispielen 7 bis 18 für das Hartlots rostfreiem Stahl an Kupfer beschriebenen Beispiele, dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten ohne 4bändemirig auch zum Hartlöten von Kupfer an Kupfer verwendet w§?ien._g In diesem Falle war es ausreichend, das WerkgticiiE; auf d|g notwendige Temperatur zu erwärmen, eine WäimigtiehaniluBig durch Halten dieser Temperatur war praktisch, night @??^s forderlicn.

Claims

PatentanSprüche

an Stahllegierungen durch Auftragen eines legierungsbildenden Metalles als Hartlötmaterial auf mindestens 1 der Kupferflächen beziehungsweise die Kupferflache, Aneinanderdrückeη der zu verlötenden Flä- .. chen und Bringen dee Werkstückes in gereinigtem. Schutzgas. ©der unter Yakuum von einem Brück. von höchsten© 1 Pa auf Semperaturen von ö5Q "feie 1 080⁰G "bis Bum Entstehen der oberflächlichen Legierung» wobei man im Falle des Hartlötens von"Kupfer an Stahllegierungen dies® Temperatur 10 bis 200 Minuten lang hält,- dadurch gekennzeichnet, daß man als legierungsbildendes Metall Zinn, Indium oder Mangan.verwendet·
2.) Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Auftragen des legierungsbildenden Metalles einen Grundüberzug aus Wickel, Kobalt, Indium und/oder Silber in einer Stärke von höchstens 30 η aufträgt.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Auftragen des legierungsbildenden Metalles und/oder des Grundüberzuges aus Elektrolytlösungen vornimmt«

4·,) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man das Abscheiden des legierungsbildenden Metalles und/oder des Grundüberzuges in einer Stärke von Λ bis 30 Iu vornimmt.

Beschreibung