DE3732998A1 - Nickel-basis-lot fuer hochtemperatur-loetverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Nickel-Basis-Lot für Hoch­ temperatur-Lötverbindungen von Stählen und Nickel- Basis-Legierungen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Nickel-Basis-Lote werden überwiegend für Hochtemperatur- Lötverbindungen von Stählen und Nickel-Basis-Legierungen verwendet. Wegen der unvermeidbaren versprödenden inter­ metallischen Verbindungen, werden die bisher üblichen Nickel-Lote nur in Pulverform oder einer daraus herge­ stellten Lotpaste oder als amorphe Bänder hergestellt.

Durch die DE-PS 27 55 435 ist eine homogene duktile Lötfolie für das Hartlöten von Metallteilen bekannt, die mit Hilfe der an sich bekannten Rascherstarrungstechnik hergestellt wird. Sie besteht aus 0 bis 4 Atom-% Eisen, 0 bis 21 Atom-% Chrom, 0 bis 16 Atom-% Bor, 0 bis 19 Atom-% Silizium, 0 bis 22 Atom-% Phosphor und als Rest Nickel und gegebenenfalls Verunreinigungen, wobei die Gesamtheit von Eisen, Chrom und Nickel im Bereich von 76 bis 84 Atom-% und die Gesamtheit von Bor, Silizium und Phosphor im Bereich von 16 bis 24 Atom-% liegen soll. Sie soll im wesentlichen glasartig, also amorph sein.

Ferner ist durch die EP-OS 00 56 141 eine duktile Hart­ lötfolie mit wenigstens 50% glasartiger Struktur und mit einem Gehalt an Palladium, Bor und Nickel bekannt, die aus 1 bis 41 Atom-% Palladium, 0 bis 20 Atom-% Chrom, 11 bis 20 Atom-% Bor und Rest Nickel besteht, wobei die Gesamt­ heit von Nickel, Palladium und Chrom im Bereich von 80 bis 89 Atom-% liegt.

Diese und ähnliche Legierungszusammensetzungen sind im wesentlichen geeignet für das Hartlöten bei hohen Tempe­ raturen von austenitischen, martensitischen und ferri­ tischen rostfreien Stählen sowie von Legierungen auf Nickel-Grundlage. Das Löten bei hohen Temperaturen, die im wesentlichen über 1000°C liegen, ist bei solchen Bauteilen erforderlich, die im Gebrauch hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Als Beispiele können hier Teile aus Flug­ zeugturbinen oder metallischer Abgaskatalysatoren genannt werden.

Beim Verlöten dünner Werkstoffe wird das Material um die Lötstelle herum durch Hineindiffundieren des Lotes massiv verändert. Hierdurch werden die Eigenschaften des Mate­ rials meist drastisch verschlechtert. Hierzu zählen neben den mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel eine mögliche Versprödung, auch die Korrosionseigenschaften, wie zum Beispiel die Verschlechterung der Oxidationseigen­ schaften.

Das Problem ist bei Hochtemperatur-Werkstoffen, wie sie beispielsweise bei Abgaskatalysatoren für Kraftfahrzeuge verwendet werden, als besonders erschwerend anzusehen. Als Trägermaterial für diese Abgaskatalysatoren haben sich insbesondere Fe-Cr-Al-Legierungen wegen ihrer hohen Oxida­ tionsbeständigkeit bestens bewährt. Um den Durchström­ widerstand im Katalysator möglichst gering zu halten, sind hier dünne Bänder von etwa 50 µm erforderlich, aus denen der Trägerkörper gewickelt wird. Aus Festigkeits­ gründen wird eine Verlötung der einzelnen Wickellagen untereinander verlangt. Dies hat sich nicht nur als sehr schwierig erwiesen, sondern diese Lötstellen konnten auch bezüglich der Oxidationseigenschaften der Lötstellen nicht befriedigen.

Die Probleme hatten unter anderem auch folgenden legie­ rungstechnischen Grund: Durch den hohen Nickel-Gehalt im Lot bildet sich Austenit im Trägermaterial in der Umgebung der Lötstelle. Dieser Austenit verschlechtert die Oxida­ tionseigenschaften der Lötstelle, so daß ein verfrühtes Durchoxidieren zu beobachten ist.

Bisher wurde versucht, dieses Problem durch Verwendung möglichst geringer Mengen an Lot zu lösen. Durch Diffusion während des Lötens verteilt sich die Menge an Nickel im Bereich der Lötstelle gemeinsam über Lot und Träger­ material. Entscheidend ist hierbei die sehr dünne Band­ dicke der zu verlötenden Katalysatorträger von nur etwa 50 µm, so daß nur wenig Material für diese Diffu­ sionsprozesse zur Verfügung steht. Um eine hinreichend geringe Nickel-Konzentration im Katalysatorträger zu erhalten, so daß keine Umwandlung zum Austenit auftritt, genügt es deshalb, lediglich die Lotmenge hinreichend gering zu halten. Dies konnte erreicht werden durch Ver­ wendung von besonders dünnen amorphen Lötfolien. Hierbei wurde versucht, eine Banddicke der Lötfolie von nur 15 µm einzusetzen. Diese Lösung hat aber andere schwerwiegende Nachteile. So verschlechtern wiederum die in diesen amorphen Legierungen vorhandenen glasbildenden Elemente, wie insbesondere das Bor, die Oxidationseigen­ schaften drastisch. Auch ist die hohe Streckgrenze der amorphen Lotbänder ungünstig. Es hat sich nämlich heraus­ gestellt hat, daß die hohe Streckgrenze des amorphen Lot­ bandes die Verarbeitung insbesondere bei Verwendung von dünnen Metallfolien erheblich erschweren kann, insbeson­ dere dort, wo ein Schneiden und Knicken der Lötfolie erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nickel- Basis-Lot zur Lösung der vorstehenden Probleme zu schaffen, das auch relativ einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Nickel-Basis-Lot gelöst, wie es im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. Weitere Einzel­ heiten und Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße teilweise Ersatz von Nickel durch Eisen hat sich als besonders günstig erwiesen, weil da­ durch die Umwandlung im Austenit in dem ursprünglichen ferritischen Trägermaterial erheblich vermindert werden kann. Wie zuvor ausgeführt, ist eine der Ursachen für die Verschlechterung der Oxidationseigenschaften der hohe Nickelgehalt im Lot, der durch den Eisenzusatz verringert wird. Bisher konnten Lote mit ähnlichen Legierungs­ zusammensetzungen wegen des relativ hohen Anteils von Metalloidelementen und der damit auftretenden Versprödung nur als Pulver hergestellt und verwendet werden. Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit Hilfe der Rasch­ erstarrungstechnik kristalline und duktile Lotbänder mit diesen Legierungszusammensetzungen auf einfache Weise hergestellt werden können. Durch die schnelle Abkühlung bei der Herstellung der Bänder können die sonst auftreten­ den versprödenden intermetallischen Phasen weitgehend unterdrückt werden. Es gelingt so, ein kristallines und duktiles Lotband auch in geringen Bandstärken herzu­ stellen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lotbandes liegen insbesondere in einer Vereinfachung des Lötprozesses. So ist es am Beispiel des Katalysatorträgers einfach und kostengünstig, das Lotband in den Wabenkörper miteinzu­ wickeln. Durch Erhitzen des ganzen Wabenkörpers kommt dann die Lötung zustande, und zwar lokal begrenzt nur in dem dafür vorgesehenen Bereich.

Es hat sich gezeigt, daß durch Diffusionsprozesse nach dem Löten der Gesamt-Nickelgehalt je nach Banddicke des Trägers und des Lotbandes nochmals um den Faktor 3 bis 6 reduziert werden kann. Bei Eisen-Gehalten zwischen 5 und 60 Gew.-% kann bei allen Nickel-Basis-Loten der Nickel- Gehalt an der Lötstelle auf unter 15% reduziert werden. Wegen der hohen Löslichkeit des Eisens im Nickel findet durch den Zusatz von Eisen nur eine geringe Änderung des Schmelzpunktes und keine Verschlechterung der anderen Löteigenschaften statt.

Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, wenn das Nickel-Basis-Lot - unabhängig vom Ersatz eines Teiles von Nickel durch Eisen - bis zu 15 Gew.-% Silizium enthält.

Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein Nickel-Basis-Lot mit 8 bis 11 Gew.-% Silizium, dessen Oxidationseigen­ schaften dadurch drastisch verbessert werden können, wenn 30 bis 40 Gew.-% des Nickels durch Eisen ersetzt werden. Neben einer zusätzlich besseren Benetzung ist mit der Legierung Ni+30 bis 40 Gew.-% Fe+8 bis 11 Gew.-% Si eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Lötverbindung erzielbar.

Vorzugsweise werden zur weiteren Verbesserung der Be­ netzung und Lötfähigkeit, sowie zur genauen Einstellung der Schmelztemperaturen dem erfindungsgemäßen Nickel- Basis-Lot geringe Zusätze mindestens eines der Elemente Titan, Zirkon, Niob, Arsen, Phosphor, Chrom, Mangan, Kupfer, Zink, Indium, Germanium, Skandium und Kohlenstoff beigefügt, und zwar bis zu einem Gesamtgehalt von 0,1 bis 10 Gew.-%.

Zu Testzwecken wurden 5 mm breite Musterbänder in ver­ schiedenen Banddicken zwischen 60 und 10 µm herge­ stellt. An diesen Bändern wurde neben der Duktilität, die Lötfähigkeit, die Benetzung und die Oxidationseigenschaf­ ten an Testlötungen von 50 µm dicken Fe-Cr-Al- Blechen erfolgreich geprüft.

Claims (7)

1. Nickel-Basis-Lot für Hochtemperatur-Lötverbindungen von Stählen und Nickel-Basis-Legierungen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß 5 bis 60 Gew.-% Nickel durch Eisen ersetzt ist und daß aus dieser Legierung durch Rascherstarrung vorzugsweise ein duktiles Lotband mit kristalliner Struktur hergestellt wird.

2. Nickel-Basis-Lot nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es zusätzlich bis zu 15 Gew.-% Silizium enthält.

3. Nickel-Basis-Lot nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es 6 bis 12 Gew.-% Silizium enthält.

4. Nickel-Basis-Lot nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es bis zu einem Gesamtgehalt von 0,1 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente Titan, Zirkon, Niob, Arsen, Phosphor, Chrom, Mangan, Kupfer, Zink, Indium, Germanium, Skandium und Kohlenstoff und gegebenenfalls Verunreinigungen enthält.

5. Nickel-Basis-Lot nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung: 30 bis 40 Gew.-% Eisen, 8 bis 11 Gew.-% Silizium und Rest Nickel.

6. Nickel-Basis-Lot nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine geringe Dicke zwischen 10 und 60 µm aufweist.

7. Nickel-Basis-Lot nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Löten von dünnen Blechfolien verwendet wird.