DE1483420C2

DE1483420C2 - Übergangsstück mit sich stetig an derndem Ausdehnungskoeffizienten und Ver fahren zur Herstellung von Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangs stucke

Info

Publication number: DE1483420C2
Application number: DE1962B0066839
Authority: DE
Inventors: Frantisek Brüssel Zimmer
Original assignee: Bureau dEtudes Industrielles Fernand Courtoy S A , Brüssel
Priority date: 1961-04-21
Filing date: 1962-04-16
Publication date: 1972-01-05
Also published as: DE1483420B1; GB981741A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes Übergangsstück, dessen Ausdehnungskoeffizient sich stetig von einem Ende zum anderen ändert, zum Verbinden von Teilen aus Keramiken, Hartglas, Cermets, Legierungen, Schwermetallegierungen und Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten durch Schweißen bzw. Löten, wobei die Zusammensetzung des Übergangsstückes sich in sämtlichen Bestandteilen stetig so ändert, daß der Ausdehnungskoeffizient an den beiden Enden mit dem der zu verbindenden Materialien übereinstimmt, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke.

Die Schweißung zweier Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ist im allgemeinen schwer zu verwirklichen. Es treten hierbei nämlich eine Reihe von Schwierigkeiten auf, wobei drei typische Fälle zu unterscheiden sind: .

Erster Fall

Die" Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der zwei Materialien ist derart, daß die Herstellung einer Verbindung verhindert wird. Der kritische Wert dieser Differenz hängt dabei von der Dehnbarkeit und der Sprödigkeit der zu verbindenden Materialien.ab.

Falls die beiden Materialien, z. B. zwei Metalle, dehnbar sind, dann ist der kritische Wert dieser Differenz genügend hoch, und zwar in der Größenordnung von 6 bis 8 · 10"^e/°C. Wenn dieser Wert erreicht oder gar überschritten wird, ist die Verbindung während der Abkühlung von der Schweiß- oder Löttemperatur Sitz sehr scharfer Wärmespannungen, die sehr leicht vor oder nach der Abkühlung auf die Umgebungstemperatur einen spontanen Bruch der Verbindung hervorrufen können. Beispielsweise weist die Schweißverbindung zwischen »Kovar« (54°/o Eisen, 29°/₀ Nickel, 17°/₀ Kobalt) und austenitischem Stahl mit den Ausdehnungskoeffizienten 9,3 · 10~^e/°C und 19 · 10~^e/°C eine spontane Bruchneigung auf.

Der schwierigste Fall liegt dann vor, wenn eines oder beide Materialien spröde sind. In diesem Falle kann die kritische Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kleiner als 1·10~^β/°(Γ sein. Dies tritt dann ein, wenn Keramiken mit Metallen verschweißt werden sollen. In diesem Falle müssen die Ausdehnungskoeffizienten genau übereinstimmen, damit ein Bruch vermieden wird.

Zweiter Fall

Hier treten zwar geringere Schwierigkeiten auf, die jedoch trotzdem noch nachteilig für die herzustellende Verbindung sein können. Der Fall kann an Hand der Schweißung von zwei dehnbaren Metallen erläutert werden, deren Differenz der Ausdehnungskoeffizienten (α) nicht sehr hoch, z. B. bis 5 · 10-·/° C, ist, beispielsweise die Verbindung von ferritischem Stahl (α = 15 · 10-"/⁰C) und austenitischem Stahl (α = 19 · 10-^e/°C). Die Herstellung derartiger Verbindungen bietet keine Schwierigkeiten. Jedoch unterliegt eine solche Verbindung thermischen Ermüdungserscheinungen, die zu einem Bruch führende Mikrorisse hervorrufen können, wenn sie periodisch erhitzt und abgekühlt wird.

Dritter Fall

Dieser Fall bietet keinerlei spezielle Schwierigkeiten wie Rißbildung u. dgl. Er kann an Hand der Schweißung zweier dehnbarer Metalle mit einander adäquater Schweißbarkeit erläutert werden, wo die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten z. B. zwischen 1 · 10-^e/°C und 2 · ΙΟ-"/⁰C liegt.

Es ist bereits aus den belgischen Patentschriften 556 520 und 579 544 bekannt, eine Verbindung zwischen Materialien herzustellen, deren Ausdehnungskoeffizienten verschieden sind. In der belgischen Patentschrift 556 520 sind die beiden zu verbindenden

ίο Materialien ferritischer und austenitischer Stahl. Gemäß der belgischen Patentschrift 579 544 werden die beiden Materialien aus einer Gruppe ausgewählt,-welche Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Cermets, harte intermetallische Verbindungen, martensitische Stähle, schwerschmelzbare Legierungen und austenitische Stähle umfaßt. Nach diesen beiden Patentschriften wird die Verbindung zwischen zwei Materialien, deren Differenz der Ausdehnungskoeffizienten beträchtlich größer ist als 2 · 10-*/° C, mittels eines

Übergangsstückes verwirklicht, das zwischen die beiden Materialien eingesetzt und mit.ihnen an seinen beiden Enden verbunden ist. Dieses Übergangsstück wird auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und besitzt einen nicht schrittweise, sondern vom Wert des Ausdehnungskoeffizienten des einen Materials gegen den des anderen kontinuierlich zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Übergangsstück durch die Anwesenheit einer Eisen-Nickel-Legierung mit einer kontinuierlich veränderten Zusammensetzung,

.30 mit oder ohne Zusatz von Chrom und Kobalt gekennzeichnet ist.

Nach diesen beiden Patentschriften ist bekannt, daß das Übergangsstück aus zwei oder mehreren Legierungssystemen bestehen kann. Die in den genannten Patentschriften erwähnten Legierungssysteme besitzen folgende Zusammensetzung:

1. Von 53°/₀ Eisen, 30°/₀ Nickel, 17°/₀ Kobalt, 0°/₀ Chrom .

bis 74⁰/₀ Eisen,. 18°/₀ Chrom, 8% Nickel, 0°/₀ Chrom.

2. Von 58% Eisen, 42% Nickel, 0% Chrom
bis 74% Eisen, 18% Chrom, 8% Nickel.-

3. Von 100 % Zirkonium, 0% Titan
bis 0% Zirkonium, 100% Titan.

Diese Legierungssysteme gestatten es, alle zwischen den nachfolgend genannten Grenzen gelegenen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten.

Ausdehnungskoeffizient a/° C
(Temperaturintervall von 20 bis 500° C)

1. Von 6,4 · 10-^e bis 18 · 10~^β

2. Von 7,6 · ΙΟ-" bis 18 · 10~«

3. Von 6,4 · 10-« bis 9,1 ■ 10-«

Ausdehnungskoeffizient a/⁰ C
(Temperaturintervall von 20 bis 700⁰C)

1. Von 9,3 · ΙΟ-* bis 19 · 10-«

So 2. Von 10 · 10-« bis 19 · ΙΟ-⁸

3. Von 6,5 · 10-« bis 10 · 10-«

Es ist nun ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Schweißverbindungen von spröden Materialien wie Keramikstoffen, Cermets und Schwermetallegierungen von niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten mit Metallen zu schaffen, welche höhere Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Übergangsstück erreicht, das aus einem oder mehreren Teilen besteht, von denen jedes einzelne jeweils aus einem der folgenden Legierungssysteme besteht:

Ausdehnungskoeffizient in

10-°/° C imTemperatur-

Intervall von 20 bis 700⁰C

I. Von 94°/₀ Wolfram, 6°/₀ Kohlenstoff, 0°/₀ Kobalt bis 0% Wolfram, .
0% Kohlenstoff, 100 °/₀ Kobalt .. 4,5 bis 14,4 It. Von 81,5% Titan, 18,5°/₀ Kohlenstoff, 0% Nickel bis 0°/₀ Titan,
- 0% Kohlenstoff, 100% Nickel .. 8 bis 15,4 ■ III. Von 92% Wolfram, 5% Nickel,
3°/₀ Kupfer bis 0% Wolfram,
100 % Nickel, 0°/₀ Kupfer ...... 7,2 bis 15,5

-IV. Von 74% Eisen, 18% Chrom,
. 8°/₀ Nickel, 0°/₀ Mangan bis
79,5 °/₀ Eisen,' 3,5 °/o Chrom, 12°/₀
_ Nickel, 5 °/₀ Mangan 19 bis 22,2

^J- Ein derartiges Übergangsstück "gemäß Erfindung

kann ferner nach einer bevorzugten Ausführungsform aus mehreren Teilen (Teilübergangsstücken) bestehen, die untereinander mittels bekannter Schweißverfahren verbunden sind. .

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Übergangsstück zum Verbinden eines Teiles aus gebundenem Wolframcarbid (α = 5-10~^e/^oC) mit einem Teil aus Kohlenstoffstahl (λ = 15 · 10-^e/°C) so be-

. schaffen, daß das Übergangsstück aus 2 Teilen besteht, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem, Nr. I entspricht und von 89,7 »Α, Wolfram, 5,8 °/₀ Kohlenstoff, 4,5 °/₀ Kobalt (κ = 5· 10-«/° C) bis 49,8 °/o Wolfram, 3,2 °/₀ Kohlen-

. stoff, 47% Kobalt («.· = · 9,3 · 10-?/° C) variiert und die Zusammensetzung des anderen Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem entspricht und von 54 % Eisen, 29 % Nickel, 17 % Kobalt, 0 % Chrom (« = 9,3 · 10-«/° C) bis 65 % Eisen, 17 % Nickel, 7 % Kobalt, 11% Chrom («' = 15 · 10-^e/°C) variiert.

Ein anderes erfindungsgemäßes Übergangsstück zum ) Verbinden eines Teiles aus einer Schwermetallegierung (« = 7,2 · K)-⁶/⁰ C) mit einem Teil aus austenitischem Stahl (λ = 22,2 · 10-"/⁰C) ist so aufgebaut, daß das Übergangsstück aus 3 Teilen besteht, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr. III entspricht und von 92% Wolfram, 5 % Nickel, 3% Kupfer (α^: = .7,2.· 1(H/⁰ C) bis 68% Wolfram, 30% Nickel, 2% Kupfer (« = 9,3 · 10-"/° C) variiert, die Zusammensetzung des zweiten Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem entspricht und von 54% Eisen, 29% Nickel, 17% Kobalt, 0%

' Chrom (« = 9,3· 10-'/⁰C) bis 74% Eisen, 18% Chrom, 8% Nickel, 0% Kobalt (<% = 19 · 10-·/° C) variiert und die Zusammensetzung des dritten Teilstückes dem Legierungssystem Nr. IV entspricht und von 74% Eisen, 18% Chrom, 8% Nickel, 0% Mangan (« = 19 · 10-·/°C) bis 79% Eisen, 3,5% Chrom, 12 % Nickel, 5 % Mangan (« = 22,2 · 10-·/° C) variiert. Ein weiteres Übergangsstück gemäß Erfindung zum Verbinden eines Teiles aus gebundenem Wolframcarbid (α = 5 · l(H/°C) mit einem Teil aus Aluminiumoxyd (α = 9,3· 10-"/⁰C) ist so aufgebaut, daß das Übergangsstück aus dem Legierungssystem Nr. I besteht, dessen Zusammensetzung von 89,7% Wolfram, 5,8 % Kohlenstoff, 4,5 % Kobalt (* = 5 · 10-·/° C) bis 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47% Kobalt (« = 9,3 · ΙΟ-*/"C) variiert. . . ■

Die möglichen Kombinationen der vier Grundlegierungssysteme I bis IV gestatten es, alle möglichen. Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Extremwerten von 4,5 · 10-^e/°C und 22,2 · 10-«/°C zu verwirklichen und erlauben infolgedessen eine genaue Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten von Materialien, .die geringe, mittlere oder höhere Ausdehnungskoeffizienten to besitzen wie z. B. ah .. ■ ·..·: ·

Materialien mit geringen Ausdehnungskoeffizienten von 4 -'10-V⁰C bis 10 · 10-⁶/°C: Keramiken, Cermets, Schwermetallegierungeri, intermetallische Hartverbindungen, Wolfram, Molybdän, Zirkonium und Titan; ■ ■

Materialien mit Ausdehnungskoeffizienten von 10-10-V⁰C bis 16'-10-^e/^oC:,martensitischer Stahl mit bis zu 12% Chrom, ferritischer Stahl, _v Superlegierungen auf Basis von Nickel und Ko- _; bait, Kobalt und Nickel;
Materialien mit hohen Absdehnungskoeffizienten von 16-10-V⁰C bis 22,2-10-V⁰C: Beryllium, austenitischer Stahl, Kupfer, Aluminium.

Weitere Merkmale der Erfindung werden aus den Beispielen,zur Schweißung von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hervorgehen. Es , können bei der vorliegenden Erfindung alle Schweißmethoden angewandt werden. Derartige Verfahren sind z. B. Kaltpreßschweißen, Schmelzschweißen, Diffusionsschweißen mit Feststoffen bei hohen Temperaturen, z. B. die Sintermethode in der Pulvermetallurgie, Lötschweißen mit Feststoffen, z. B. Lötung bei hohen Temperaturen, Schmelzschweißen ohne Auftragsmetall, z. B. Gasschweißen, Schmelzschweißen mit Auftragsmetall, z. B. elektrisches Lichtbogenschweißen, und schließlich Lötschweißen von Keramiken, mit Metallen, z. B. mittels des Mo-Mn-Verfahrens. ·■:..;

Verbindungen gemäß Erfindung können mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke vorteilhaft dadurch hergestellt werden, daß die Verbindung zweier oder mehrerer Teile mit Hilfe eines oder mehrerer Übergangsstücke in Form eines Einzelblockes auf pulvermetallurgischem Wege vorgenommen wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke dadurch erzielt werden, daß man die Verbindung zweier Teile mit dem Verbindungsstück durch Hartlöten an einem oder an beiden Enden oder durch Hartlöten an einem Ende und Gasschweißen ani anderen Ende herstellt.

Verbindungen von Keramiken mit Metallen

oder Legierungen '■'','<■■

Keramiken, wie man sie in der Elektrotechnik, in der kernphysikälischen Technologie sowie für keramische Werkzeuge verwendet, sind beispielsweise Hart- und Weichgläser, Aluminiumoxyd, Zirkonium, Steatit, Forsterit und Porzellan. Die Schweißbarkeit von Keramiken mit Metallen ist in der Regel auf Grund des großen Unterschiedes zwischen den Ausdehnungskoeffizienten und der Sprödigkeit der Keramiken sehr schwierig. ■ -·...■■.,.

Bei Glas darf auf Grund seiner großen Sprödigkeit die Differenz zwischen dem Ausdehnurigskoeffizien't des Glases und jenem des Materials 1 '10^V⁰C.nicht überschreiten, und die Ausdehnungskurven des Glases

und des Metalles müssen sich unterhalb des Erweichungspunktes des Glases nähern, was- sich daraus ergibt, daß selbst eine geringe Differenz bei mittleren Temperaturen einen Bruch des Glases bewirkt, welches sich vom Metall trennt.

Aus diesem Grunde kann eine bestimmte Glasart nur mit einer speziellen Legierung verbunden werden, deren Ausdehnungskoeffizient praktisch gleich. dem des Glases ist. Beispielsweise werden Weichgläser auf Natrium-Calcium-Basis mit Ausdehnungskoeffizienten von 10· 10-^e/°C (zwischen 20 und 500⁰C) mit speziellen Legierungen verbunden, die z. B. folgende Ausdehnungskoeffizienten besitzen:

Legierung 72°/o Eisen, 28°/₀ Chrom:

κ = 11 · rO-^e/°.C (zwischen 20 und 500⁰C).

Legierung 52°/₀ Eisen, 42% Nickel, 6% Chrom: « = 10,8 · 10-'/⁰C (zwischen 20 und 500° C).

Hartgläser auf Borsilikatbasis haben geringe Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4-10-^e/°C bis 6 · 10-^e/°C zwischen 20 und 500⁰C und werden mittels Metall und Metallegierungen verschweißt, wie etwa den folgenden:

Wolfram: α = 4,6 · 10"·/°C (20 bis 500°C).
Molybdän: « = 5,5 · 10-·/°C (20 bis 500°C).
»Kovar« (54 % Eisen, 29 % Nickel, 17 % Kobalt): * = 6 · 10-·/° C (20 bis 500° C).

Die Form der Ausdehnungskurve der als »Kovar« bekannten Legierung ist oberhalb und unterhalb des Wendepunktes praktisch identisch mit jener von mehreren Hartglasarten, weshalb aus. diesem Grunde »Kovar« am geeignetsten ist uiid oft für die Schweißung von Hartgläsern verwendet wird.

Die Verschweißung von Glas mit Metall ist einfach. Das Glas und das Metall werden bei einer genügend hohen Temperatur miteinander in Berührung gebracht, bei der das Glas flüssig wird und das Metall umfließt. Zur Verwirklichung der Verbindung Glas—Metall wird das Metall vorzugsweise voroxydiert, weil eine dünne oxydische Zwischenschicht zwischen Metall und Glas die Bildung einer guten Haftung begünstigt. Die Bindung dieser Oxydschicht hat mit dem Glas ionischen Charakter, während sie beim Metall metallischen Charakter besitzt.
Die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten

ίο braucht nicht beachtet zu werden, wenn das Metall sehr weich und sehr dünn ist, weil dann seine Elastizitätsgrenze überschritten werden kann und somit eine leichte plastische Deformation erfolgt, ohne daß das Glas eine gefährliche Spannung erleidet. Metallische Folien von 0,125 bis 0,4 mm Dicke sind vergleichsweise genügend dünn, um trotz ihrer verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten verwendet zu werden.

Wenn die Dicke größer als die obengenannten Werte ist, ist es nicht möglich, die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten außer acht zu lassen. Dieser Mangel wird überwunden durch die Verwendung eines Übergangsstückes mit variierender Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, das auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt ist.

Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von zwei benachbarten Abschnitten des Übergangsteiles im Übergangsstück ist so klein, daß die in diesen Abschnitten auftretenden Spannungen bei den Temperaturänderungen im Verlaufe der Abkühlung nach der Schweißung oder beim Gebrauch praktisch unterbunden sind. Die Gefahr eines Risses oder eines Bruches, besonders im Teil aus Glas, ist vollkommen ausgeschaltet.

Die Schweißung von Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxyd, Steatit, Forsterit, Porzellan mit Metallen, weist gleiche Merkmale auf.

Die Verbindungen von Keramiken und Metallen, die gleiche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, sind z.B.:

Keramiken	Metall	Ausdehnungskoeffizient	Temperaturintervall
Forsterit	50% Nickel, 50% Eisen 42% Nickel, 58% Eisen »Kovar«	11 · 10-·/° C 10 -io-^e/°c 9,3 · 10-^e/°C	20 bis 700⁰C
Steatit	20 bis 700⁰C
Aluminiumoxyd	20 bis 700⁰C

Es gibt zwei gut eingeführte Methoden zum Schweißen von Keramiken mit Metallen: das Molybdän-Mangan-Verfahren, bei welchem eine sehr stark haftende Metallschicht auf der Keramik aufgebracht wird und der metallische Bestandteil auf diese Schicht hartgelötet wird und jenes Verfahren (»Aktivmetall-Hydrid-Verfahren«), bei welchem die Legierung eines aktiven Metalles (Zirkonium, Titan) verwendet wird, wodurch das metallische Teil direkt mit dem keramischen in einem einzigen Vorgang verschweißt werden kann. .

Die bei diesen beiden Verfahren zum Schweißen verwendeten Metalle sind solche, die eine große Affinität zur chemischen Bindung mit Keramiken auf Grund ihres Atomdurchmessers und ihrer chemischen Eigenschaften besitzen. Wie im Falle von Glas müssen die Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metalls genau übereinstimmen. Die Verwendung eines Übergangsstückes mit variierender Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Schweißung eines keramischen Teiles mit einem Teil aus Metall, selbst wenn ihre Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise von Aluminiumoxyd und austenitischem Stahl stark differieren.

Ein für eine Verbindung von Glas mit austenitischem Stahl verwendetes Übergangsstück kann auch für die Verschweißung von Aluminiumoxyd mit austenitischem Stahl verwendet werden, weil Glas und Aluminiumoxyd sehr ähnliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

Verbindungen von Cermets mit Metallen
oder Legierungen .

Die Cermets bilden eine Gruppe feuerfester Materialien aus Carbiden, Nitriden, Boriden, Siliciden, Aluminiumoxyden u. dgl. mit oder ohne Bindemetall. Die Vorteile der Cermets beruhen auf ihrem großen Widerstand gegen die Oxydation bei hohen Temperaturen, ihrer großen Härte und ihrem Widerstand gegen hohe Wärme. Jedoch haben die Cermets im allgemeinen eine geringe Dehnbarkeit und einen ge-

ringen Widerstand gegen Wärmeschocks. Die wichtigsten Cermets sind die gebundenen Carbide (Hartmetalle).

Die zur Herstellung von Werkzeugen verwendeten Carbide können nach ihrem Anwendungszweck in zwei große Gruppen unterteilt werden.

Die erste Gruppe umfaßt Wolframcarbid-Kobalt-(WC-Co)-Zusammensetzungen, die man zur Bearbeitung von Materialien verwendet, die kurze Späne bilden, wie Gußeisen, Glas und Porzellan.

Die zweite Gruppe umfaßt Vielfachcarbide, die man zur Bearbeitung von Materialien verwendet, die lange Späne liefern, wie Stähle jeglicher Zusammensetzung. Unter den Carbidzusammensetzungen seien folgende erwähnt: Wolframcarbid — Titancarbid — Kobalt (WC — TiC — Co), Wolframcarbid — Tantalcarbid (Niobcarbid) — Kobalt [WC — TaC(NbC) — Co] und Wolframcarbid — Titancarbid — Tantalcarbid — (Niobcarbid) — Kobalt [WC — TiC — TaC — (NbC) -Co]. '

Die Carbide von Chrom (Cr₃C₂), gebunden mit A. Nickel sowie Wolframcarbid (WC), welches mit einer korrosionsbeständigen Legierung gebunden ist, z. B. Chrom—Nickel, welche außergewöhnlich korrosionsbeständig ist, werden für die Herstellung von Gegenständen verwendet, die unter harten Arbeits- und Korrosionsbedingungen eingesetzt werden. Titancarbid ist das einzige Carbid, das, wenn es mit einem geeigneten Metall gebunden ist, einen großen Oxydationswiderständ und mechanischen Widerstand bei hohen Temperaturen sowie einen befriedigenden Widerstand gegen Wärmeschocks aufweist.

Eine große Anzahl von gebundenen Carbidzusammensetzungen kann verwendet werden, wie z. B.

a) Wolframcarbid mit anderen Bindemetallen als Kobalt, z. B. Nickel—Kupfer, Nickel—Chrom, Nickel—Molybdän, Kobalt—Wolfram, Kobalt— Molybdän—Kupfer, Eisen—Nickel—Chrom;

b) Carbide mit sehr hohen Schmelzpunkten wie beispielsweise die Carbide von Hafnium, Tantal, Zirkonium, Niob und Titan;

c) Hartmetalle ohne Wolframcarbid, wie z. B. Titan- ; carbid—Vanadiumcarbid—Nickel.

Verbindung von Cermets mit Metallen durch
·.!-..". Hartlöten und/oder Schweißen

Dieser Vorgang ist wegen der großen Differenz der Ausdehnungskoeffizienten und wegen der Schwierigkeit, geeignete Lote zu finden, welche die Oberfläche der Cermets vollkommen benetzen, kompliziert.

Das Bedürfnis nach einem Lot mit hohem Widerstand gegen hohe Temperaturen (also mit hohem Schmelzpunkt) gestaltet das Ausdehnungsproblem noch viel schwieriger. Wenn sich die Arbeitsgeschwindigkeit stark erhöht, ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft, keine gelöteten Werkzeuge zu verwenden, weil die Lötung ihren Widerstand gegen die während der Verwendung erreichte Temperatur verlieren würde. Der Ausdehnungskoeffizient der üblichen Carbide beträgt etwa die Hälfte desjenigen des Metalls (in der Regel Stahl), mit dem sie verschweißt sind (5 bis 8-10-^e/°Cgegen 15· 10-«/° C).

Diese Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kann leicht während der Abkühlung von der Löttemperatur genügend hohe Spannungen hervorrufen, um einen Bruch der Lötverbindung oder des Cermets zu bewirken, wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen werden, um dies zu verhindern. Beispielsweise wird für die Lötung von großen Plättchen mit kompliziertem Muster ein Blatt oder Gewebe aus Metall zum Ausgleich verwendet (»Sandwich-Lötung«), welches zwischen das Plättchen und den Werkzeugträger eingelegt ist. Die Lötung erfolgt viel leichter, wenn die Ausdehnungskoeffizienten übereinstimmen.

Wenn der Werkzeugträger aus einem Metall besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich jenem des Carbides ist, z. B. aus »Kovar« oder aus einer Schwermetallegierung mit Wolfram (90% Wolfram, - 7 °/₀ Nickel, 3 °/₀ Chrom), kann das Carbidplättchen mittels üblicher Methoden aufgelötet werden, wobei nur wichtig ist, daß das Lot das Carbid umfließt. Das erhaltene Werkzeug weist wenig Restspannungen und keine Risse auf. Hart- und Weichlötungen werden für die Lötung von Plättchen aus gebundenem Carbid verwendet.

Wenn die Arbeitstemperatur erhöht ist, verwendet

ao man Lote auf der Basis von Kupfer (Kupfer—Nickel). Die Cermets, welche einen hohen Prozentsatz an Titancarbid aufweisen, werden vollkommen von Palladium-Nickel-Legierungen (ζ. B. 60°/₀ Palladium, 40°/₀ Nickel) benetzt. Es sei bemerkt, daß die Hartlote nicht immer die gegen Korrosion erforderliche Widerstandskraft aufweisen. So ist z. B. Kupferlot nicht widerstandsfähig gegen flüssiges Natrium. Aus diesem Grunde wenden sich die Verbraucher der mechanischen Befestigung der Plättchen zu. Aber auch diese Technik hat ihre eigenen Probleme und Begrenzungen. Die Ausschaltung gelöteter Verbindungen kann mit Erfolg durchgeführt werden, wenn ein Verbindungsteil mit variierender Zusammensetzung gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird. Bei Verwendung der obengenannten vier Grundlegierungen Ibis IV, kann an Stelle einer Lötung die Schweißung von Teilen aus gebundenen Carbiden mit Teilen aus ferritischem Stahl, Superlegierungen und austenitischen Stählen ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden.

Das geeignetste System ist jenes von Wolframcarbid mit variierendem Kobaltgehalt (von Ö bis 100 °/₀) für die sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von 4,5 · 10"^e/°C von Wolfram oder Wolframcarbid mit 4,5 °/₀ Kobalt, wobei letzteres sehr hart und spröde ist und aus diesem Grund sehr schwierig mit Stahl zu verschweißen ist. Im System Wolframcarbid—Kobalt ist bei Erhöhung des Kobaltgehaltes die Härte weniger ausgeprägt und mit großem Widerstand und hoher Zähigkeit verbunden, was einen bedeutenden Vorteil darstellt. Das folgende Beispiel zeigt die Schweißung . eines Teiles aus Wolframcarbid mit 4,5 °/₀ Kobalt mit einem Teil aus Kohlenstoffstahl. ,

F i g. 1 zeigt ein Diagramm des Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturintervall von 20 bis 700⁰C, wie er' vom Wert des Wolframcarbides mit 4,5 °/₀ Kobalt (« = 5· 10-"/⁰C) bis zum Wert 15-10-^e/^oC des Kohlenstoffstahles ansteigt. .

F i g. 2 zeigt die Verbindung des Teiles aus Wolframcarbid mit 4,5 °/₀ Kobalt (a—b), welches verbunden ist mit dem Teil aus Kohlenstoffstahl (/—g) mittels des Übergangsstückes (b—/) mit variierender Zusammensetzung zwischen (c—e). Die beiden Teile und das Übergangsstück sind auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt, was es gestattet, diese Verbindung

wie einen Einzelblock ohne jedes Verbindungs-. verfahren herzustellen.

F i g. 3 zeigt die Möglichkeit, sei es aus ökonomischen oder technischen Gründen, die Verbindung

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der beiden.Teile und der beiden Teile des Übergangs- einem an sich bekannten Legierungssystem und die

Stückes getrennt durch Schweißen herzustellen. des dritten Teilstückes dem Legierungssystem Nr. IV

Gemäß vorliegender Erfindung können Verbin- entspricht. Damit wird die Verbindung eines Teiles

düngen b und d durch Hartlöten und die Verbindun- mit dem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von

gen /durch Gasschweißen hergestellt werden. Infolge 5 7,2 · 10~^e/^oC mit einem Teil mit dem hohen Ausdeh-

des an den Verbindungsstellen b, d und / überein- nungskoeffizienten von 22,2-10~^e/^oC geschaffen. ■

stimmenden Ausdehnungskoeffizienten können die Dies wird durch die folgenden Diagramme erläutert:

drei Verbindungen ohne Schwierigkeiten durchgeführt F i g. 5 zeigt den Ausdehnungskoeffizient im Tempe-

werden. raturintervaü von 20 bis 700⁰C, wie er von jenem

Das Teil aus Kohlenstoffstahl kann in diesem Fall io der Schwermetallegierung (7,2 · 10~^e/°C) bis zu jenem

auf üblichem metallurgischem Wege hergestellt werden. von austenitischem Stahl (22,2 · 10-"/° Q variiert.

Das Diagramm in F i g. 4 zeigt die prozentualen F i g. 6 zeigt die wie ein Stück aus einem Einzel-Zusammensetzungen des aus gebundenem Wolfram- block, und zwar auf pulvermetallurgischem Wege gecarbid mit 89,7 °/o Wolfram, 5,8 °/₀ Kohlenstoff, 4,5 °/₀ bildete Verbindung.

Kobalt bestehenden Teiles, des aus zwei Teilstücken 15 F i g. 7 zeigt die in ihre einzelnen Teilstücke unterbestehenden Übergangsstückes, wobei die Zusammen- teilte Verbindung, die dank der an den Verbindungssetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem stellen b, d, e und g übereinstimmenden Ausdehnungs-Nr. I entspricht und von 89,7% Wolfram, 5,8% koeffizienten leicht geschweißt werden können.
Kohlenstoff, 4,5 °/₀ Kobalt (α = .5 · 10-^e/°C) bis Das Teil aus austenitischem Stahl (g—h) wird auf 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47°/₀ Kobalt ao üblichem metallurgischem Wege hergestellt.
(« = 9,3 · 10-*/°C) variiert und die Zusammensetzung Das Diagramm in F i g. 8 zeigt die Zusammendes anderen Teilstückes einem an- sich bekannten Setzung des aus der Schwermetallegierung mit 92% Legierungssystem entspricht und von 54°/₀ Eisen, Wolfram, 5% Nickel, 3% Kupfer (α = 7,2 · 10-"/⁰C) 29°/₀ Nickel, 17°/₀ Kobalt, 0% Chrom (α = 9,3· bestehenden Teiles, des aus drei Teilstücken bestehen-10~^e/°C) bis.65% Eisen, 17% Nickel, 11% Chrom, as den Übergangsstückes, wobei die Zusammensetzung 7% Kobalt (λ = 15-10~^e/°C) variiert, sowie des des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr. III Kohlenstoff Stahles, wobei die Linie von 100% der entspricht und von 92% Wolfram, 5% Nickel, 3% Zusammensetzung 99% Eisen, 0,25% Kohlenstoff, Kupfer (α = 7,2 · 10~^β/°C) bis 68% Wolfram, 30% 0,3% Silicium, 0,4% Mangan entspricht. ■ Nickel, 2% Kupfer (<x = 9,2 · 10-^e/°C) variiert, die

Die Schweißung von gebundenem Titancarbid mit 30 Zusammensetzung des zweiten Teilstückes einem an

großem Widerstand gegen hohe Temperaturen mit sich bekannten Legierungssystem entspricht und von

einer Superlegierung ist eine sehr schwierige Maß- 54% Eisen, 29% Nickel, 17% Kobalt (« = 9,3 ·

nähme wegen der großen Differenzen der Ausdeh- 10-^e/°C) bis 74% Eisen, 18% Chrom, 8% Nickel

nungskoeffizienten dieser beiden Materialien. Diese (« = 19 · 10~^e/°C) variiert und die Zusammensetzung

Schwierigkeit wird jedoch leicht durch die vorliegende 35 des dritten Teilstückes dem Legierungssystem Nr. IV

Erfindung überwunden. entspricht und von 74% Eisen, 18% Chrom, 8%

\, u- α cu * 11 · ■ ■ ·♦ ^Nickel (^a = 19-10-^e/°C) bis 79,5% Eisen, 3,5%

Verbindungen von Schwermetalleg.erungen mit ■ Chrom, 12%Nickel, 5»/»Mangan(«== 22,2-10-«/°C)

Metallen und Legierungen . variiert, sowie des aus austenitischem Stahl mit 79,5%

Die Schwermetallegierungen auf Wolframbasis, die 40 Eisen, 3,5% Chrom, 12% Nickel, 5% Mangan auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden, (« — 22,2 · 10-^e/°C) bestehenden Teiles,
weisen folgende interessante Eigenschaften auf: hohe ,, . · . « », · ■·
Dichte, gute mechanische Eigenschaften sowie hohe Verbindung spröder Materiahen
Absorption von Röntgenstrahlen. Auf Grund ihrer Die Verbindung spröder Materialien wie Keramik hohen Dichte werden sie als Auswuchtmassen ver- 45 und Cermets, welche unterschiedliche Ausdehnungswendet, mit welchen eine maximale Trägheit bei koeffizienten aufweisen, ist ein sehr schwieriges Prominimalem Volumen erhalten werden kann. Beispiele blem. Dieses Problem kann gemäß vorliegender Erhierfür sind Rotoren für Gyroskope, Trägheitsmassen findung gelöst werden, wie es in den Beispielen gezeigt für Raketen. ist, welche die Verbindung eines spröden Cermets aus

Eine häufig verwendete Schwermetallegierung hat 50 Wolframcarbid, das nur mit 4,5% Kobalt gebunden

die Zusammensetzung 92% Wolfram, 5% Nickel, ist, mit Aluminiumoxyd, einer sehr spröden Keramik,

3% Kupfer, die ebenfalls für das Legierungssystem veranschaulichen. ^!

Nr. III verwendet wird. F i g. 9 ist ein Diagramm des Ausdehnungskoeffi-

Andere Zusammensetzungen werden ebenfalls ver- zienten im Temperaturinterväll von 20 bis 700⁰C, wie wendet, z. B. Wolfram—Nickel—Eisen; Wolfram—55 er von jenem des mit 4,5% Kobalt gebundenen Wolf-Nickel—Chrom; Wolfram—Nickel—Kupfer—Mo- ramcarbides (α = 5 · 10~^β/°C) bis zu jenem des AIulybdän. Auf Grund ihres sehr niederen Ausdehnungs- miniumoxyds (α = 9,3 · 10~^e/°C) variiert,
koeffizienten von 7,2 · 10~^e/°C und einer sehr geringen Fi g. 10 zeigt die Verbindung eines Teiles aus Dehnbarkeit ist die Verschweißung von Schwermetall- einem Cermet mit Hilfe eines Verbindungsteiles aus legierungen mit austenitischem Stahl, der einen hohen 60 einem einzigen Stück (α—β), das auf pulvermetallur-Ausdehnungskoeffizienten von 19 · 10~^e/^QC bis 22,3 · gischem Wege hergestellt ist, mit einem Teil aus 10-"/° C besitzt, mit den bisher bekannten Methoden Aluminiumoxyd [e—/).

praktisch unmöglich. Das Diagramm in Fig. 11 zeigt die Zusammen-

■ Diese Schwierigkeit wird überwunden durch die Setzung des Teiles aus Cermet mit 89,7% Wolfram,

Verwendung eines aus drei Teilstücken bestehenden 65 5,8% Kohlenstoff, 4,5% Kobalt (α = 5 · 10-^e/°C),

Übergangsstückes gemäß der vorliegenden Erfindung, des Übergangsstückes aus dem Legierungssystem Nr. I,

wobei'diö Zusammensetzung des einen Teilstückes dem das von 89,7% Wolfram, 5,8% Kohlenstoff, 4,5%

Legienmgssystem Nr. III, die des zweiten Teilstückes Kobalt bis 49,8 % Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47%

Kobalt (α = 9,3 · 10-"/⁰C) variiert und des aus Keramik bestehenden Teiles, wobei die Linie 100 % für Aluminiumoxyd (hoher Prozentsatz Al₂O₃) gilt.
. Die Schweißung zweier verschiedener Metalle oder Legierungen A und B, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann aus metallurgischen Gründen schwer zu verwirklichen sein, z. B. wegen verringerter Mischbarkeit auf Grund einer großen Differenz der Atomdurchmesser oder wegen Bildung einer spröden, intermetallischen Verbindung. In diesem i<* Falle kann ein drittes Material C zwischen A und B eingeschoben werden, das einen übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten besitzt und so gewählt wird, daß seine Schweißbarkeit mit A Und B eine befriedigende Verbindung ergibt. Die vorliegende Erfindung ist für diese Verfahrensweise sehr geeignet.

Die erfindungsgemäß hergestellten Vereinigungen können verschiedene geometrische Formen wie Stäbe, Rohre, Bleche usw. besitzen. .

Die vorliegende Erfindung schafft eine praktische Lösung des schwierigen Problems, Verbindungen von spröden Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten herzustellen.

Claims

Patentansprüche:

1. Auf pulvermetallurgischem Wege hergestelltes Übergangsstück, dessen Ausdehnungskoeffizient sich stetig von einem Ende zum anderen ändert, zum Verbinden von Teilen aus Keramiken, Hartglas, Cermets, Legierungen, Schwermetallegierungen und Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten durch Schweißen bzw. Löten, wobei die Zusammensetzung des Übergangsstückes sich in sämtlichen Bestandteilen stetig so ändert, daß der Ausdehnungskoeffizient an den beiden Enden mit dem der zu verbindenden Materialien übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück aus einem oder, mehreren Teilen besteht, von denen jedes einzelne jeweils aus einem der folgenden Legierungssysteme besteht:

Ausdehnungskoeffizient · 10"^e/°C Temperaturintervall von 20 bis 700⁰C

45

1. Von 94% Wolfram, 6% Kohlenstoff, 0% Kobalt bis 0%
Wolfram, 0% Kohlenstoff,

100% Kobalt 4,5 bis 14,4

II. Von 81,5 % Titan, 18,5 % Kohlenstoff, 0% Nickel bis 0% Titan, 0% Kohlenstoff, 100 %
Nickel 8 bis 15,4

III. Von 92% Wolfram, 5% Nikkei, 3 % Kupfer bis 0 % Wolfram, 100% Nickel, 0% Kupfer 7,2 bis 15,5 ^5S

IV. Von 74% Eisen, 18% Chrom,
8% Nickel, 0% Mangan bis
79,5% Eisen, 3,5% Chrom,

12% Nickel, 5% Mangan ... 19 bis 22,2

2. Übergangsstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren Teilen (Teilübergangsstücken) besteht, die untereinander mittels bekannter Schweißverfahren verbunden sind.

3. Übergangsstück nach Anspruch 1 zum Verbinden eines Teiles aus gebundenem Wolframcarbid (α = 5 · 10-^e/°C) mit einem Teil aus Kohlenstoffstahl (λ = 15 · 10-^e/°C), dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück aus 2 Teilen besteht, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr. I entspricht und von 89,7% Wolfram, 5,8% Kohlenstoff, 4,5% Kobalt (λ = 5-10-^e/°C) bis 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47% Kobalt (α = 9,3 · 10-^e/°C) variiert und die Zusammensetzung des anderen Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem entspricht und von 54 % Eisen, 29 % Nickel, 17% Kobalt, 0% Chrom (λ = 9,3 · 10"^β/°Ο bis 65% Eisen, 17% Nickel, 7% Kobalt, 11 % Chrom (α = 15 ■ 10-"/⁰C) variiert.

4. Übergangsstück nach Anspruch 1 zum Verbinden eines Teiles aus einer Schwermetallegierung (λ = 7,2-10-¹V⁰C) mit einem Teil aus austenitischem Stahl (« = 22,2 · 10-^e/°Q» dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück aus 3 Teilen besteht, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr. III entspricht und von 92% Wolfram, 5% Nickel, 3% Kupfer (α = 7,2 · 10-"/⁰C) bis 68% Wolfram, 30% Nickel, 2% Kupfer (« = 9,3 · 10"^e/°C) variiert, die Zusammensetzung des zweiten Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem entspricht und von 54% Eisen, 29% Nickel, 17% Kobalt, 0% Chrom (* = 9,3 · 10-·/° C) bis 74% Eisen, 18% Chrom, 8% Nickel, 0% Kobalt (α = 19-10-'/⁰Q variiert und die Zusammensetzung des dritten Teilstückes dem Legierungssystem Nr. IV entspricht und, von 74% Eisen, . 18% Chrom, 8% Nickel, 0% Mangan (* = 19 · 10-.*/° C) bis 79% Eisen, 3,5% Chrom, 12% Nickel, 5% Mangan (« = 22,2 · 10-"/⁰C) variiert.

5. Übergangsstück nach Anspruch 1 zum Verbinden eines Teiles aus gebundenem Wolframcarbid (α = 5 · 10~7°C) mit einem Teil aus Aluminiumoxyd (« = 9,3 · lÖ-^e/°C), dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück aus dem Legierungssystem Nr. I besteht, dessen Zusammensetzung von 89,7% Wolfram, 5,8% Kohlenstoff, 4,5% Kobalt (« = 5 · 10-^e/°C) bis 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47% Kobalt (« = 9,3· 10-^e/°C)^s variiert.

6. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zweier oder mehrerer Teile mit Hilfe eines oder mehrerer Übergangsstücke in Form eines Einzelblockes auf pulvermetallurgischem Wege vorgenommen wird.

7. Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zweier Teile mit dem Verbindungsstück durch Hartlöten an einem oder an beiden Enden oder durch Hartlöten an einem Ende und Gasschweißen am anderen Ende hergestellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen