DE2506374A1 - Hartlot-legierung auf nickelbasis - Google Patents
Hartlot-legierung auf nickelbasisInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Hartlot-Legierungen auf Nickelbasis
und insbesondere ein verbessertes Hartlot auf der Grundlage einer Nickel-Gold-Legierung zum Verbinden von Bauteilen, die bei Temperaturen
bis zu etwa 76O0C (entsprechend 14000F) eingesetzt werden
sollen.
Bekannte Hartlot-Legierungen auf Nickelbasis, die Gold zusammen mit den die Schmelztemperatur herabsetzenden Bestandteilen Silizium
und Bor enthalten, waren nicht geeignet für eine positive Kontrolle des Bereiches zwischen Liquidus- und Solidustemperatur,
um das Hartlöten der zu verbindenden Bauteile zu verbessern. Außerdem enthielten gewisse dieser bekannten Hartlot-Legierungen solche
Bestandteile zum Herabsetzen des Schmelzpunktes, wie Mangan, die beim Anwenden im Vakuum sublimieren würden. Dies würde zu Änderungen
der Legierungszusammensetzung und zu einer Verunreinigung
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des Vakuumsystems führen. Der Gebrauch solcher Elemente zum Verbinden
von Bestandteilen bei höheren Temperaturen führt zu einer relativ geringen Oxydationsbeständigkeit.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine verbesserte Har-lot-Legierung-auf
der Grundlage von Nickel und Gold geschaffen, die folgende Bestandteile in Gew.-Si enthält: 14-25 Gold, 1-5 Silizium,
l-l» Bor, 2-12 Chrom, 1-5 Fe, bis zu 17 Palladium und der Rest sind
Nickel und zufällige Verunreinigungen, wobei bis zu 50 Gew.-% des Nickels durch Kobalt ersetzbar sind.
Eine Auswertung gewisser Hartlot-Legierungen, die Nickel, Gold, Silizium und Bor enthalten, im Zusammenhang mit dem Verbinden
von Bauteilen, die eine aerodynamische Oberfläche aufweisen, zeigte einige unerwünschte Eigenschaften. Diese schließen ein etwas
träges kapillares Fließen ein, das das Ergebnis eines relativ weiten Temperaturbereiches zwischen Liquidus- und Solidustemperatur
der Hartlot-Legierung zu sein scheint. Dies führte zu einem unerwünschten Film oder "Schaum" auf der aerodynamischen Oberfläche.
Träges Fließen kann vorteilhaft sein für Hartlöten mit weitem Abstand und beim Verbinden nicht-kritischer Teile. Beim
Verbinden aerodynamischer Oberflächen über relativ enge Toleranzen
ist jedoch eine Hartlot-Legierung mit einem relativ engen Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur erwünscht.
Es ist in der vorliegenden Erfindung erkannt worden, daß durch Einbringen der Elemente Chrom und Eisen in die Legierung auf Nickel-Gold-Basis
die Kontrolle des Bereiches zwischen der Liquidus- und Solidustemperatur erreicht werden kann. Die vorliegende Erfindung
schafft somit eine verbesserte Hartlot-Legierung, die die Elemente Eisen, Chrom und Gold in einer Nickel-Legierung zusammen
mit Silizium und Bor zur Kontrolle des Schmelzpunktes enthält.
Wenn es erwünscht ist, kann Nickel durch bis zu 50 Gew.-5? Kobalt ersetzt werden, wobei nur eine geringe Verminderung des Schmelzpunktes
von z.B. etwa 140C (entsprechend 250F) auftritt. Um eine
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erwünschte Duktilität des Hartlotes zu erhalten und als Ersatz für das Gold können bis zu 17 Gew.-J? Palladium verwendet werden,
Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde eine Vielzahl von Ilartlot-Legierungszusammensetzungen untersucht. In der
folgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen einiger der untersuchten Hartlot-Legierungen zusammengefaßt.
| TABELLE | Nickel | und zuf | Gew.-% | Verunreini | Pd | gu | |
| Zusammensetzung in | Si | B | aiii ge | Fe | |||
| Rest | 3,4 | 2,3 | Cr | 2,3 | 17 | ||
| Beispiel | Au | 2,2 | 1,5 | 5,3 | 1,3 | ,0 | |
| 1 | 20,5 | 3,9 | 2,3 | 3,5 | 2,4 | ||
| 2 | 15,0 | 4,1 | 2,4 | 5,5 | 2,5 | 2 | |
| 3 | 17,4 | 3,8 | 2,2 | 5,7 | 2,3 | 4 | ,0 |
| 4 | 14,9 | 2,1 | 1,0 | 5,3 | 2,1 | 4 | ,1 |
| 5 | 17,5 | 2,0 | 1,0 | 6,2 | 2,1 | 4 | ,1 |
| 6 | 18,5 | 2,5 | 1,7 | 8,3 | 2,1 | 4 | ,2 |
| 7 | 18,5 | 2,5 | 1,0 | 6,3 | 2,1 | 6 | ,0 |
| 8 | 18,7 | 2,5 | 1,0 | 8,4 | 2,1 | ,0 | |
| 9 | 18,0 | 2,5 | 1,4 | 8,4 | 2,3 | ||
| 10 | 15,0 | 3,0 | 2,0 | 5,3 | 2,3 | ||
| 11 | 20,5 | 2,0 | 1,5 | 5,3 | 2,3 | ||
| 12 | 20,5 | 2,0 | 1,5 | 5,3 | 2,3 | ||
| 13 | 20,5 | 2,0 | 1,5 | 7,3 | 2,3 | ||
| 14 | 20,5 | 2,0 | 1,3 | 9,3 | 2,0 | ||
| 15 | 20,5 | 2,0 | 1,3 | 12,0 | 2,0 | 2 | |
| 16 | 20,5 | 2,3 | 1,7 | 4,0 | 1,7 | 2 | ,0 |
| 17 | 20,5 | 1,6 | 1,2 | 4,0 | i,2 | 4 | ,0 |
| 18 | 17,5 | 2,3 | 1,7 | 2,8 | 1,7 | 4 | ,5 |
| 19 | 17,5 | 1,6 | 1,2 | 3,9 | 1,2 | ,5 | |
| 20 | 15,0 | 2,8 | |||||
| 21 | 15,0 | ||||||
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Jeder der Zusammensetzungen wurde mittels Lichtbogen in einer Argonatmosphäre
geschmolzen und dann zu Stücken zerstoßen. Diese Stücke wurden zur Bestimmung des Schmelzbereiches zuerst im Vakuum
auf Fließplatten (flow panels) untersucht. Jene Zusammensetzungen,
die brauchbare Eigenschaften zeigten, wie Liquidus- und Solidustemperatur
und -bereich, Schmelzbarkeit usw., wurden zu einem üblichen
Hartlot-Legierungspulver zerkleinert. Danach wurde eine Vielzahl mechanischer Untersuchungen vorgenommen. Die Hartlot-Legierungen
der vorliegenden Erfindung waren zusätzlich zu der genauen Kontrolle zwischen Liquidus- und Solidusschmelztemperatur
gegenüber bekannten goldhaltigen Hartlot-Legierungen für ähnliche Anwendungen besser auch hinsichtlich solcher Eigenschaften wie Belastungsbruchfestigkeit
(stress rupture strength) bei einer Temperatur von etwa 65O0C (entsprechend 120O0F) und Dauerstandfestigkeit
bzw. Ermüdungsbeständi gkeit (high cycle fatigue) bei einer Temperatur von etwa bOO°C (entsprechend 11000F)
In diesem Zusammenhang wird auf die Zeichnung hingewiesen, die in
Fig. 1 einen graphischen Vergleich einer bevorzugten Ausführungsform der Hartlot-Legierung der vorliegenden Erfindung mit
anderen ähnlichen goldhaltigen Hartlot-Legierungen hinsichtlich der Dauerstandfestigkeit bei einer Temperatur von etwa
600°C und in
Fig. 2 einen graphischen Vergleich solcher Legierungen hinsichtlich
der Brucheigenschaften bei einer Temperatur von etwa 65O°C wiedergibt.
So zeigen z.B. die in Fig. 1 zusammengefaßten Daten für Dauerstandfestigkeit
bei 600°C die Vorteile der Zusammensetzung der Legierung des Beispiels 1 der Tabelle gegenüber der Legierung A,
die nominell folgende Bestandteile in Gew.-% enthielt: 1H Gold,
1,7 Silizium, etwa 1 Bor und der Rest waren Nickel und zufällige Verunreinigungen sowie gegenüber der Legierung B, die nominell
82 Gew.-% Gold und 18 Gew.-% Nickel enthielt. Fig. 2 zeigt einen ähnlichen graphischen Vergleich zwischen diesen Legierungen und
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der der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Brucheigenschaften
bei etv/a 65O°C. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist damit klar gezeigt. Die Bezeichnung "ksi" in der Zeichnung bedeutet
2 2
1.000 US-Pfund/Zoll , wobei 1 ksi 70kg/cm entsprechen.
Eine wesentiche Eigenschaft der erfindungsgemäßen Hartlot-Legierung
ist ihr relativ enger Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperaturen.
In seinem besonders bevorzugten Zusammensetzungsbereich
von 18-21 Gew.-56 Gold, 2-4 Gew.-Ϊ Silizium, 1,5-3 Ge\i.-%
Bor, 5-8 Gew.-? Chrom, 1-3 Gew.-iS Eisen und als Rest im wesentlichen
Nickel, wie er durch das Beispiel 1 in der Tabelle repräsentiert ist, kann diese Temperaturdifferenz so gering sein, daß
sie nur etwa 28°C (entsprechend 500P) ausmacht. Im allgemeinen
weist die erfindungsgemäPe Legierungszusammensetzung in ihrer
weiten Form einen Abstand zwischen Liquidus- und Solidustemperaturen von nicht mehr als etwa 690C (entsprechend 125°F) auf, wobei
die bevorzugte Form in Abhängigkeit von der ausgewählten Zusammensetzung nur einen solchen von etwa !55 C (entsprechend 1000F) oder
weniger aufweist.
Es sind alle Elemente Chrom, Eisen, Bor, Silizium und Gold in der Nickel-Legierung erforderlich, um die verbesserten Eigenschaften
der Hartlot-Legierung nach der vorliegenden Erfindung zu schaffen. Solche Elemente, wie Mangan, sind wegen ihrer nachteiligen Wirkung
auf die Oxydationsbeständigkeit zu vermeiden. Von größerer Bedeutung ist, daß sie für ein Hartlöten im Vakuum nicht geeignet sind,
da Mangan im Vakuum sublimiert und das System verunreinigt sowie zu Zusammensetzungsänderungen der zurückbleibenden Legierung führt.
Gold ist in der erfindunggemäßen Legierung in einem weiten Bereich
von 14-25 Gew.-? vorhanden und zwar hauptsächlich, damit man die gewünschte Duktilität erhält sowie in gewissem Maße auch zur Verminderung
des Schmelzpunktes. Die Bestandteile Silizium und Bor setzen den Schmelzpunkt herab, wobei jedes der beiden allein den
Schmelzpunkt nicht ausreichend herabsetzt, um eine Hartlot-Legie-
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rung zu ergeben, die in dem für die erfindungsgemäße Legierung beabsichtigten
Bereich brauchbar ist. Andererseits tragen sowohl Silizium als auch Bor zur Erodierbarkeit und Sprödigkeit der Legierung
bei. Es ist daher ein sorgfältiger Ausgleich zwischen diesen beiden Elementen erforderlich. Es wurde festgestellt, daß unterhalb
von 1 Gew.-% Silizium der Schmelzpunkt zu hoch ist, während
bei Siliziumgehalten von mehr als etwa 5 Gew.- % die Erodierbarkeit bis zu einem die Brauchbarkeit übersteigenden Punkt erhöht
wurde. Ähnlicherweise ist eine Menge Bor unterhalb von 1 Gew.-% zu gering, um die erforderliche Schmelzpunktverminderung zu bewirken
und oberhalb von etwa 4 Gew.-iS Bor, bei welchem Gehalt ein
eutektischer Punkt in der Ni/B-Phasenstruktur vorhanden ist, tritt
eine Umkehr des Schmelzpunkttrends auf. Mit steigenden Borgehalten oberhalb von 4 Gew.-# wird der Schmelzpunkt daher nicht vermindert
sondern erhöht.
Wichtig für die vorliegende Erfindung ist der Einschluß sowohl von Chrom als auch Eisen wegen ihrer Wirkung bei der Verengung des
Liquidus- Solidustemperaturbereiches. Chrom schafft außerdem eine verbesserte Oxydationsbeständigkeit und bewirkt auch etwas die
Herabsetzung des Schmelzpunktes. Mehr als etwa 12 Gew.-% Chrom
erhöhen jedoch den Schmelzpunkt in unangemessener Weise, ohne hinsichtlich
anderer Eigenschaften Verbesserungen mit sich zu bringen. Chrom wird daher innerhalb des Bereiches von etwa 2-12 Gew.-# verwendet.
Die Abwesenheit von Eisen führt zu einem zu weiten Abstand zwischen
Liquidus- und Solidustemperatur. Eisen wird deshalb innerhalb eines Bereiches von etwa 1-5 Gew.-% verwendet.
Zur Verbesserung der Duktivität und um einen Teil des Goldes zu
ersetzen, kann Palladium, wenn es erx«rünscht ist, bis zu einer Menge von etwa 17 Gew.-% verwendet werden. Außerdem kann Kobalt
bis zu etwa der Hälfte des Nickels an dessen Stelle eingesetzt werden, wobei im wesentlichen keine Wirkung hinsichtlich der Le-
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gierung der vorliegenden Erfindung auftritt, mit Ausnahme einer leichten Abnahme der Schmelztemperatur.
Die verbesserte Zusammensetzung nach der vorliegenden Erfindung · schafft eine Hartlot-Legierung, die bei einer Löttemperatur im
Bereich von etwa 9 80 bis etwa 1080°C (entsprechend l8OO-1975°F)
brauchbar ist. In ihrer bevorzugten Form liegt die Löttemperatur der erfindungsgemäßen Legierung im Bereich von etwa 980 bis etwa
10400C (entsprechend 18OO-19OO°F). Anders als ähnliche Legierungen
hinterläßt die erfindungsgemäße Legierung nach dem Hartlöten im
wesentlichen keinen Rückstand.
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Claims (4)
1. Verbesserte Hartlot-Legierung auf Nickelbasis, gekennzeichnet durch folgende Bestandteile in Gew.-%,
14-25 Gold, 1-5 Silizium, 1-4 Bor, 2-12 Chrom, 1-5 Eisen, bis zu 17 Palladium und der Rest sind Nickel und zufällige
Verunreinigungen, wobei bis zu 50 % des Nickels durch Kobalt ersetzbar sind.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Gold im Bereich von 14,9-20,5 %, Silizium
von 1,6-4,4 %, Bor von 1-2,5 %, Chrom von 2,8-12 % und
Eisen von 1,2-2,7 % vorhanden sind.
3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Gold im Bereich von 15-21 %, Silizium
von 2-5 %» Bor von 1-3 %, Chrom von 4-12 % und Eisen von
1-3 % vorhanden sind.
4. Legierung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß Gold im Bereich von 18-21 %, Silizium
von 2-4 %, Bor von 1,5-3 %,■ Chrom von 5-8 % und Palladium bis
zu 6 % vorhanden sind.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |