DE3905461C2 - Lötkolbenspitze - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lötkolbenspitze, insbesondere auf eine Lötkolbenspitze mit bemerkenswert verbesserter Korrosionsbeständigkeit.

Im allgemeinen weist ein Lötkolben eine Lötkolbenspitze auf, die an das vordere Ende eines Lötkolbenkörpers mit einer darin eingebauten Heizvorrichtung angebracht ist. Wie in Fig. 6 dargestellt, hat eine konventionelle Lötkolbenspitze 10 einen Lötkolbenkörper 11, der um der elektrischen Leitfähigkeit der Heizvorrichtung willen aus Kupfer (sauerstofffreiem Kupfer) hergestellt wird. Um der Lötkolbenspitze mit Sicherheit Benetzbarkeit gegenüber dem Lot zu verleihen und die Lötkolbenspitze aus Kupfer von einem Materialabbau infolge der Oxidation des Kupfers bei erhöhten Temperaturen zu schützen, wird das vordere Ende des Lötkolbens mit einer Auflage 12 aus Eisen (reinem Eisen) mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 1 mm bedeckt. Der Lötkolben mit Ausnahme des vorderen Endes wird mit einer Chrom(Hartchrom)-Auflage (Überzugsschicht) 13 bedeckt, um geschmolzenes Lot daran zu hindern, sich über die Oberfläche der Lötkolbenspitze 10 zu verteilen und an der Oberfläche aufzusteigen.

Das äußerste Ende der Lötkolbenspitze 10 soll eine gute Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweisen und die dauernde Adhäsion geschmolzenen Lots erlauben. Die die beste Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweisenden Metalle sind Gold und Silber. Da diese Metalle sehr teuer sind, wird im allgemeinen Eisen, das weniger teuer ist und eine relativ zufriedenstellende Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist, aus ökonomischen Gründen verwendet. Die Eisenauflage 12 erfüllt die zusätzliche Funktion, den Lötkolbenkörper 10 aus Kupfer vor der Korrosion durch die Reaktion des eigenen Kupfers mit in dem Lot enthaltenem Sn zu schützen. Wenn Kupfer gelegentlich in direktem Kontakt mit dem geschmolzenen Lot kommt, reagiert es mit dem Sn; dies beendet die Betriebszeit innerhalb von 2 bis 3 Stunden. Infolge der Eisenauflage kann die Lebensdauer auf 2 Tage bis zu einer Woche verlängert werden.

Die Lötkolbenspitze 10 mit Ausnahme ihres vorderen Endes soll eine schlechte Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweisen, um ein kostspieliges Heraufkriechen des geschmolzenen Lots am Lötkolben und den Abbau der Betriebsfähigkeit des Lötkolbens selber zu verhindern. Sie wird daher mit einer Chromauflage 13 bedeckt, die eine schlechte Benetzbarkeit gegenüber dem geschmolzenen Lot aufweist.

Aus der EP 0 068 484 B1 ist eine derartige Lötspitze bekannt, umfassend einen Kohlenstoffkörper mit einem Einspannbereich, einem Mittelbereich, welcher angrenzend an den Einspannbereich vorgesehen ist, und einem mit Lötmittel benetzbaren Bereich, welcher anschließend an den Mittelbereich vorgesehen ist; eine erste Einrichtung, welche zumindest den mit Lötmittel benetzbaren Bereich bedeckt, um eine benetzbare Arbeitsfläche auszubilden; und eine zweite Einrichtung, welche zumindest den Mittelbereich umgibt, nicht jedoch den mit Lötmittel benetzbaren Bereich, um die benetzbare Arbeitsfläche zu lokalisieren und um eine nach oben gerichtete Strömung des Lötmittels entlang des Mittelbereichs und in Richtung auf den Einspannbereich zu verhindern.

Das zum Löten verwendete Lot besteht hauptsächlich aus einer Pb-Sn-Legierung. Um die Lotzusammensetzung hinsichtlich ihrer Benetzungsfähigkeit und weiterer Löteigenschaften zu verbessern, enthält die Lotzusammensetzung ein Flußmittel (flux); in dem im allgemeinen Chlor in einer Konzentration im Bereich von 0,1 bis 0,8% vorhanden ist.

Die konventionelle Lötkolbenspitze, die mit einer Eisenauflage bedeckt ist, weist die im folgenden beschriebenen Nachteile auf und erreicht keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit oder Lebensdauer.

Da die Eisenauflageschicht porös ist, ist sie empfänglich für Korrosion durch korrodierende Substanzen, wie beispielsweise im Lot enthaltenes Chlor. Wenn die Eisenauflageschicht korrodiert ist, liegt der darunterliegende Lötkolbenkörper aus Kupfer frei. Als Ergebnis reagiert das Cu des Lötkolbens mit dem Sn des Lots und verursacht an der Spitze Schäden, die den Lötkolben unbrauchbar machen.

Das Ersetzen der Spitze von insbesondere bei für Präzisionsmachinen verwendeten Lötkolben ist eine Arbeit, die hohe Aufmerksamkeit beim Einsetzen in die zentrale Position erfordert. Unter diesen Umständen ist die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und somit eine längere Lebensdauer der Spitze wünschenswert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lötkolbenspitze mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit und langer Lebensdauer bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Begriff "amorphes Metall" bezieht sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung sowohl auf eine reine Metallstruktur als auch auf die einer Legierung.

Der Ausdruck "zum Lötkontakt bestimmter Endbereich", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezeichnet die für das Löten notwendige Arbeitskante. Beispielsweise kann über die Breite des vorderen Endbereiches in Übereinstimmung mit der Art der durchzuführenden Lötarbeit geeignet entschieden werden. Im allgemeinen wird die Überzugsschicht aus einem Material von überragender Benetzbarkeit auf nicht mehr als 90% und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 50%, einschließlich der Seiten des vorderen Endes, der konvergierenden Oberfläche des Lötkolbenspitzenkörpers gebildet, und beschreibt im Querschnitt eine spitze Spitze. Die obenerwähnten Prozentsätze stellen das Verhältnis b/a der Länge zwischen dem konvergierenden Teil und dem bedeckten Teil in der longitudinaleen Richtung des Lötkolbenspitzenkörpers dar.

Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen jeweils Querschnitte durch eine erfindungsgemäße Lötkolbenspitze.

Fig. 6 stellt einen Querschnitt durch eine konventionelle Lötkolbenspitze dar.

Der Lötkolbenspitzenkörper, der in irgendeiner der unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, ist hinsichtlich seiner Form ähnlich konventionellen Lötkolbenspitzen.

Die Lötkolbenspitzen, die in den Figuren dargestellt sind, sind beispielhafte, bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung.

Eine Lötkolbenspitze 1, dargestellt in Fig. 1, besteht aus einem Innenkörper 2 aus sauerstofffreiem Kupfer in Form einer Lötkolbenspitze, dessen Oberfläche in dem zum Lötkontakt bestimmten Endbereich und im Schaftbereich eine Überzugsschicht 3 aus amorphem Metall trägt, das eine überragende Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist. Außerdem ist die Lötkolbenspitze mit Ausnahme des zum Lötkontakt bestimmte Endbereich mit einer Auflage (Überzugsschicht) 4 aus einem Material, wie beispielsweise Hartchrom, überzogen, das eine schlechte Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist. Gegebenenfalls kann die Chromauflage durch einen Überzug aus amorphem Metall von geringer Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot ersetzt werden.

Bei einer Lötkolbenspitze 1A, dargestellt in Fig. 2, ist die Oberfläche in dem zum Lötkontakt bestimmten Endbereich und im Schaftbereich eines Innenkörpers 2 mit einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall überzogen, das eine niedrige Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist. Außerdem ist der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich mit einer Überzugsschicht 3 aus amorphem Metall überzogen, das eine überragende Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist.

In der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 2 wird die Überzugsschicht mit dem Bezugszeichen 3A nicht notwendigerweise aus amorphem Metall hergestellt. Sie kann aus Metall, Legierungen oder anderen Materialien mit geringer Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot bestehen. Es ist sogar zulässig, den zum Lötkontakt bestimmten Endbereich mit einer Überzugsschicht 3 aus amorphem Metall mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot zu überziehen und gleichzeitig die Oberfläche mit Ausnahme des zum Lötkontakt bestimmten Endbereiches mit einer Überzugsschicht 4 (die durch eine amorphe Schicht 3A ersetzt sein kann) aus einem Material geringer Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot zu überziehen, so daß alle Überzugsschichten eine kontinuierliche Schicht bilden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Die Lötkolbenspitze 1 und 1A, dargestellt in Fig. 1 und Fig. 2, weisen eine überragende Betriebsfähigkeit für Lötarbeiten auf und sind hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit überragend, weil ihre zum Lötkontakt bestimmten Endbereiche beide aus amorphem Metall mit einer überragenden Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot gebildet sind. An diesen Lötkolbenspitzen kriecht kein geschmolzenes Lot empor, weil ihre Oberflächen mit Ausnahmen der zum Lötkontakt bestimmten Endbereiche mit einer Chromauflage 4 bzw. einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall mit niedriger Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot überzogen sind.

Eine Lötkolbenspitze 1B, dargestellt in Fig. 3, besteht aus einem Innenkörper 2 aus sauerstofffreiem Kupfer, dessen Oberfläche in dem zum Lötkontakt bestimmten Endbereich und hierzu benachbarten Bereich mit einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall, die eine niedrige Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist, überzogen ist. Außerdem ist der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich mit einer Auflage (Überzugsschicht) 5 aus einem Material mit zufriedenstellender Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot, beispielsweise reinem Eisen, hergestellt.

Weiterhin kann bei der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 3 auf der Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall, die zum Bedecken der Oberfläche mit Ausnahme des zum Lötkontakt bestimmten Endbereiches gebildet wurde, eine weitere Überzugsschicht aus Metall, einer Legierung oder einem anderen Material schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufgetragen sein.

Bei einer Lötkolbenspitze 1C, dargestellt in Fig. 4, ist die Oberfläche des Innenkörpers 2 in dem zum Lötkontakt bestimmten Endbereich zunächst mit einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall überzogen, das eine niedrige Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist; weiterhin trägt diese Überzugsschicht 3A eine Auflage 5 aus einem Metall mit zufriedenstellender Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot, beispielsweise reinem Eisen; der Schaftbereich des Innenkörpers ist mit einer Auflage 4 aus einem Material mit geringer Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot, beispielsweise Chrom, hergestellt.

Mindestens der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich einer Lötkolbenspitze ist in einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform zunächst mit einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall mit niedriger Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot bedeckt, wobei diese Schicht weiterhin mit einem Material guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot bedeckt ist und daher eine hohe Betriebsfähigkeit bei Lötvorgängen verleiht. Selbst wenn die auf dem vorderen Endbereich gebildete Überzugsschicht durch geschmolzenes Lot korrodiert wird, ist die darunterliegende Überzugsschicht aus amorphem Metall geringer Benetzbarkeit in der Lage, den Lötkolbenspitzenkörper sicher zu schützen. Die Lötkolbenspitze weist daher eine bemerkenswert verbesserte Lebensdauer auf und bietet eine bemerkenswert verlängerte Betriebsdauer.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Lötkolbenspitzen weisen eine überragende Betriebsfähigkeit bei Lötarbeiten auf, weil ihre zum Lötkontakt bestimmten Endbereiche aus einem Material mit überragender Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot hergestellt worden sind. Sie sind auch überragend hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit, weil die zum Lötkontakt bestimmten Endbereiche mit einer Überzugsschicht aus amorphem Metall unterfüttert sind. An diesen Lötkolbenspitzen kriecht kein geschmolzenes Lot empor, weil ihre Oberfläche mit Ausnahme der zum Lötkontakt bestimmten Endbereiche mit einer Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot und einer Chromauflage 4 überzogen sind.

Die Überzugsschicht aus amorphem Metall, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, kann beispielsweise leicht durch Sprühverfahren (sputtering) gebildet werden. Der Lötkolbenspitzenkörper 2 wird aus einem guten Wärmeleiter hergestellt und verjüngt sich zum vorderen Endbereich hin, wie dargestellt, und ist auf der rückwärtigen Endseite mit einer Heizvorrichtung (nicht gezeigt) versehen. Gute Wärmeleiter umfassen beispielsweise Kupfer und Kupferlegierungen. Der beste Wärmeleiter ist sauerstofffreies Kupfer.

Das erfindungsgemäß verwendbare amorphe Metall mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot muß eine Benetzbarkeit aufweisen, die gleich oder besser als die Benetzbarkeit von reinem Eisen ist. Das erfindungsgemäß verwendbare amorphe Metall mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot muß eine Benetzbarkeit aufweisen, die gleich oder schlechter als die Benetzbarkeit von Chrom ist. Materialien, die nicht amorph sind und eine ausgezeichnete Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweisen, sind z. B. Eisen, Gold oder Silber. Vom ökonomischen Gesichtspunkt her ist es wünschenswert, Eisen zu verwenden. Materialien, die nicht amorph sind und eine geringe Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot sind z. B. rostfreier Stahl, Aluminium oder Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid).

Die Dicke der Überzugsschicht 3 aus amorphem Metall in den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 und die Dicke der Überzugsschicht 3A aus amorphem Metall in den Ausführungsformen der Fig. 3 und 4 sind nicht besonders eingeschränkt. Wenn ihre Dicke unangemessen gering ist, weisen die Überzugsschichten keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf. Wenn sie andererseits zu groß ist, bringt dies beispielsweise das Problem der Filmtrennung mit sich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Dicken der Überzugsschichten aus amorphem Metall daher im Bereich von 0,1 bis 10 µm, in Abhängigkeit vom Verwendungszweck der Lötkolbenspitze, ausgewählt.

Wie allgemein bekannt, besitzt amorphes Metall die folgenden außergewöhnlichen Eigenschaften, die normale Metalle und Legierungen nicht aufweisen:

• (1) Es weist eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
• (2) Es weist eine sehr hohe Biegefestigkeit auf.
• (3) Es weist eine hohe mechanische Festigkeit und überragende Bruchfestigkeit auf.

Der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich der Lötkolbenspitze einer der erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsformen ist mit einer Überzugsschicht aus amorphem Metall bedeckt, dem solch überragende Eigenschaften wie ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und zufriedenstellende Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot zu eigen sind, d. h. sie erlaubt eine ständige Adhäsion von geschmolzenem Lötmetall. Die Lötkolbenspitze besitzt daher eine gute Betriebsfähigkeit bei Lötvorgängen, genießt eine bemerkenswerte Verbesserung der Lebensdauer und bietet eine bemerkenswerte Betriebsdauer von beispielsweise einem Monat oder länger.

Eine typische amorphe Legierung, die erfindungsgemäß wegen ihrer überragenden Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot verwendet wird, besteht aus einer Cu-Basislegierung mit Ta und/oder Nb in einer Gesamtkonzentration im Bereich von 15 bis 18 Atomprozent.

Typische Zusammensetzungen amorpher Legierungen, die erfindungsgemäß wegen ihrer schlechten Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot verwendet werden, sind in (1), (2) und (3) gezeigt:

(1)
Ta:	30 bis 60 Atomprozent
Fe:	30 bis 50 Atomprozent
Ni:	3 bis 7 Atomprozent
Cr:	7 bis 15 Atomprozent
(2) @	W:	10 bis 75 Atomprozent
Fe:	30 bis 50 Atomprozent
Ni:	3 bis 10 Atomprozent
Cr:	7 bis 20 Atomprozent
(3) @	Ti:	10 bis 75 Atomprozent
Fe:	30 bis 50 Atomprozent
Ni:	3 bis 10 Atomprozent
Cr:	7 bis 20 Atomprozent

Als das in dieser Erfindung verwendete Lot kann jedes gebräuchliche Lot normaler Zusammensetzung verwendet werden. Insbesondere sollen die Sn-Pb-Lote erwähnt werden.

Claims (11)

1. Lötkolbenspitze, bestehend aus

• - einem Innenkörper (2) aus einem guten Wärmeleiter und
• - mindestens einer Überzugsschicht (3, 3A, 4, 5), die im zum Lötkontakt bestimmten Endbereich eine sehr gute Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist und im Schaftbereich eine schlechte Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht (3, 3A) mindestens in einem der beiden Bereiche aus amorphem Metall besteht.

2. Lötkolbenspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zum Lötkontakt bestimmten Endbereich die Überzugsschicht (3) mit sehr guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aus amorphem Metall besteht.

3. Lötkolbenspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schaftbereich die Überzugsschicht (3A) mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aus amorphem Metall besteht.

4. Lötkolbenspitze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich und der Schaftbereich eine Überzugsschicht (3) aus amorphem Metall mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist und daß der Schaftbereich mit einer weiteren Schicht (4) mit einer schlechten Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot überzogen ist.

5. Lötkolbenspitze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (4) aus einem amorphen Metall mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot besteht.

6. Lötkolbenspitze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich und der Schaftbereich eine Überzugsschicht (3A) aus amorphem Metall mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist und daß der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich mit einer weiteren Schicht (3, 5) mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot überzogen ist.

7. Lötkolbenspitze nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (3) aus amorphem Metall mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot besteht.

8. Lötkolbenspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Lötkontakt bestimmte Endbereich eine Überzugsschicht (3A) aus amorphem Metall mit schlechter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Lot aufweist und mit einer weiteren Schicht (5) mit guter Benetzbarkeit gegenüber geschmolzenem Metall überzogen ist.

9. Lötkolbenspitze nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (5) aus reinem Eisen besteht.

10. Lötkolbenspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Überzugsschicht (3) aus amorphem Metall im Bereich von 0,1 bis 10 µm besteht.