Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen Lotschweissverbindung zwischen Teilen aus Eisenwerkstoffen und Anwendung des Verfahrens Die Erfindung betrifft eine hochtemperaturbestän dige Lotschweissverbindung zwischen Teilen aus Eisen werkstoffen (Grundwerkstoffen). Bekanntlich weichen die Zusammensetzungen der Lotwerkstoffe in der Regel von denen der Grundwerkstoffe ab, insbeson dere stets dann, wenn es sich um die Verbindung von Eisenwerkstoffen handelt. So verwendet man z. B. bei der Hartlötung von Eisenwerkstoffen entweder reines Kupfer oder Legierungen mit Zink, Silber und Nickel, die sogenannten Silber- und Neusilberlote.
An den Hartlötstellen treten aber häufig starke Verzun- derungen infolge von Oxydbildungen auf, die bei Wärme-Wechselbeanspruchungen ein Aufplatzen der Lötstelle verursachen. Aus diesem Grunde sind durch Lötung, insbesondere aber durch Hartlötung herge stellte Verbindungen von Eisenwerkstoffen nicht hochtemperaturfest. Das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt diesen Mangel.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfah ren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen Lotschweissverbindung zwischen Teilen aus Eisen werkstoffen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein aus einem Eisenwerkstoff bestehendes Lot, dessen Kohlenstoffgehalt denjenigen der zu verbindenden Teile übersteigt, verwendet wird und die zu verbin denden Teile auf die Löttemperatur gebracht, geglüht und anschliessend abgekühlt werden. Eine Anwen dung des Verfahrens findet bei der Herstellung einer elektrisch heizbaren Kochplatte statt. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturbeständige Lotschweissverbindung zwischen dem aus Eisenwerk stoff bestehenden Tragkörper der Kochplatte und an diesem Tragkörper anzubringenden Wärmeleitrippen aus Eisenwerkstoff erzeugt wird.
Als Lot, das aus einem Eisenwerkstoff besteht, dessen Kohlenstoffgehalt denjenigen der zu verbin denden Teile übersteigt, eignet sich z. B. weisses oder meliertes Guss- oder Roheisen mit einem Kohlen stoffgehalt von vorzugsweise 1 bis 4,5%. Der Sili ziumgehalt dieses Lotes ist vorzugsweise nicht grösser als 25 %; der Kohlenstoff ist zweckmässigerweise gröss tenteils in gebundener Form enthalten, wobei der Restteil des Kohlenstoffes in freiem Zustand als Graphit in fein verteilter lamellierter oder kugeliger Form vorliegen kann.
Um eine Kapillarwirkung wie z. B. bei Silber lot zu erzielen, können dem Lot Elemente wie z. B. Mangan, Phosphor oder Silizium oder Kombina tionen dieser Elemente als Mischungs- oder Legie rungsbestandteile beigegeben werden. Derartige Be standteile erniedrigen die Viskosität. bzw. die Ober flächenspannung des flüssigen Lotes und setzen die Temperatur der beginnenden Erstarrung herab. Phos phor erhöht in einem Lot mit Gusseisencharakter die Stabilität des Perlits. Einen hohen Anteil an gebundenem Kohlenstoff erhält man bei einem nied rigen Silizium- und einem hohen Phosphorgehalt.
Nickel, Chrom oder Titan verbessern einzeln oder in verschiedenen Kombinationen dem Lot beigemischt oder zulegiert die Zunderbeständigkeit des Lotes.
Wie Versuche gezeigt haben, haben sich Lote fol gender Zusammensetzung als besonders vorteilhaft bewährt: Kohlenstoff I bis 4,5 %, Silizium max. 25 %, Man gan 0,2 bis _0,6%, Phosphor 0,02 bis 1,6%, Rest jeweils Eisen.
Voraussetzung für eine einwandfreie Lötung sind saubere, insbesondere oxydfreie, metallisch reine Oberflächen der zu verbindenden Werkstücke. Vor handene Oxydbeläge werden vorzugsweise entfernt. Beim Verfahren zur Herstellung einer Lotschweiss verbindung kann man ein Flussmittel verwenden, wie z. B. Borax oder Borsäure. Der gleiche Erfolg lässt sich erzielen, wenn man die Oberfläche des Lotes mit Kohlepulver bedeckt oder das Lot selbst mit Kohlen stoff vermischt. Unter Einwirkung der Löthitze ver brennt das Kohlepulver und bildet eine schützende Atmosphäre.
Auf die Verwendung von Flussmitteln kann ver zichtet werden, wenn die Lötung unter Schutzgas atmosphäre erfolgt. Es ist hierbei von Vorteil, ein inertes Schutzgas oder ein Schutzgas zu verwenden, das reduzierende Eigenschaften besitzt, um vorhan dene Oxydhäute auf den zu lötenden Werkstücken zu reduzieren. Als Schutzgas können sauerstofffreier reiner Wasserstoff oder wasserstoffhaltige unvoll kommen verbrannte Gasgemische, wie z. B. Spalt gas oder Stadtgasgemische, verwendet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann unter Ver wendung einer von den Hartlötverfahren her be kannten Wärmequelle durchgeführt werden. Die Er wärmung des Lotes und der zu verbindenden Grund werkstoffe ist vorzugsweise durch Anwendung von Hoch- oder Mittelfrequenz (Induktionslötung) durch führbar. Damit erzielt man Vorteile, wie z. B. das Beschränken der Löthitze auf die unmittelbare Löt stelle, die Sauberkeit des Betriebes und einen Zeit gewinn durch schnelle Erwärmung.
Da gemäss der Erfindung das Lot und die zu ver bindenden Teile (Grundwerkstoffe) aus Eisenwerk stoffen bestehen, wobei das Lot kohlenstoffreicher ist als die zu verbindenden Teile, ist eine Wanderung des Kohlenstoffes von Gebieten höherer Konzentra tion (Lot) nach solchen niederer Konzentration (Grundwerkstoffe) möglich, und zwar ab 720 C, der an sich bekannten unteren Grenze der Kohlen- stoffdiffusion in Eisenwerkstoffen.
Diese Kohlenstoff diffusion bewirkt eine Aufkohlung in den mit dem Lot in Berührung stehenden Flächen der zu ver bindenden Teile, wodurch der Schmelzpunkt der Oberflächen der zu verbindenden Teile herabgesetzt wird, so dass es zu einer in günstigen Temperatur stufen stattfindenden Legierungsbildung zwischen Grundwerkstoffen und Lot kommt. Günstige Tem peraturstufen im vorstehenden Sinne beziehen sich auf alle Temperaturen, bei denen die zu verbinden den Werkstücke ihre Formbeständigkeit beibehalten.
Wie Versuche gezeigt haben, empfiehlt es sich, den Erhitzungsvorgang so zu lenken, dass die zu ver bindenden Teile vorzugsweise schnell auf Löttem- peratur gebracht, sodann längere Zeit geglüht und anschliessend langsam abgekühlt werden.
Bei der Lotschweissverbindung treten zwei Vor gänge auf. Zuerst geht eine Diffusion vor sich, bei der ein Ausgleich der Kohlenstoff-Konzentrations unterschiede zwischen dem Lot und den zu verbinden den Teilen eintritt. Der zweite Vorgang ist die eigent liche Lotschweissung, wobei aus dem flüssigen Lot und den aufgeschmolzenen Schichten der Teile eine charakteristische Zwischenschicht entsteht, ähnlich der Einbrandzone bei einer Gas- oder Elektro schweissung mit Zusatzwerkstoffen. Das beschriebene Verfahren ist also eine Lotschweissung mit Kohlen stoffdiffusion und kann daher auch als Diffusions- Lotschweissung bezeichnet werden.
Die Erfindung ist anhand eines Anwendungsbei spiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht eines Tragkörpers einer Koch platte mit Wärmeleitrippen, Fig. 2 einen Vertikalschnitt zu Fig. 1, Fig. 3 und 4 eine Ansicht und einen Vertikal schnitt, Fig. 5 eine Verbindungsstelle, Fig. 6 und 7 eine Lotschweissstelle.
Die elektrisch heizbare Kochplatte besteht aus einem Tragkörper 1 und mehreren Wärmeleitrippen 2 aus Eisenwerkstoff, z. B. Stahlblech. Der Trag körper 1 hat die Form eines zylindrischen Topfes mit nach innen gewölbtem Boden 3. Die Wärmeleit- rippen 2 haben Ringform und sind konzentrisch zu einander angeordnet. Bei der Fertigung werden die konzentrischen Wärmeleitrippen 2 zunächst mit Hilfe von Stegen 4 (Fig. 3) zu einem Einsatzkörper ver bunden. Zweckmässig liegen die Stege 4 aus Stahl blech zwischen dem Tragkörper 1 und den Wärme- leitrippen 2. Die Wärmeleitrippen 2 stehen hoch kant und senkrecht zu den flachen Stegen 4.
Sie sind so befestigt, dass eine Schmalseite 5 (Fig. 5) der Wärmeleitrippen 2 durch die Stege 4 hindurch tritt und unmittelbar auf den Boden 3 des Trag körpers 1 aufgelegt werden kann. Dabei schliesst diese Schmalseite 5 unmittelbar mit der auf dem Boden 3 aufsitzenden Seite des Steges 4 ab oder steht darüber etwas vor. Die vorläufige Halterung der Stege 4 an den Wärmeleitrippen 2 erfolgt vor zugsweise mittels eines der bekannten Schweissver fahren, wobei im glühenden Schweisszustand die Wärmeleitrippen 2 durch die Stege 4 hindurchge drückt werden. Nun sind mit Hilfe der Stege 4 die Wärmeleitrippen 2 in ihrer gegenseitigen Lage fest gehalten. Der aus Wärmeleitrippen 2 und Stegen 4 bestehende Einsatzkörper wird anschliessend in den Tragkörper 1 eingeführt und an den Stegen 4 an dem Boden 3 angeheftet.
Dies geschieht beispiels weise durch Punktschweissen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Schmalseiten 5 der Wärmeleitrippen 2 unmittelbar am Boden 3 des Tragkörpers 1 an liegen.
Für die hochtemperaturbeständige Lotschweiss- verbindung zwischen der Wärmeleitrippe 2 (Fig.6 und 7) und dem Boden 3 des Tragkörpers 1, die aus Eisenwerkstoffen gleicher oder verschiedener Zusammensetzung gefertigt sind, ist gemäss der Er findung ein aus Eisenwerkstoffen bestehendes Lot 6 verwendet, dessen Kohlenstoffgehalt den der zu ver bindenden Teile vorzugsweise um 0,2 bis<B>3,7%</B> über steigt.
In der Fig. 7 ist an der Verbindungsstelle zwischen der Wärmeleitrippe 2 und dem Boden 3 das zwi schen beide eingedrungene Lot zu erkennen. 7 ist eine Zone aus geschmolzenem Lot, gemischt mit den Grundwerkstoffen. 8 sowie 9 sind Zonen mit schwa cher Aufkohlung im Boden 3 bzw. in der Wärmeleit- rippe 2. Das Lot 6 wird in Pulverform auf die Stoss stelle der Werkstücke, das ist des Bodens 3 und der Wärmeleitrippe 2 gebracht (Fig. 6). Beim Erhitzen bis etwa 900 C sintern die Lotteilchen noch nicht zusammen. Durch Erhitzen bis zum Schmelzpunkt des Lotes sind dessen sämtliche Kristalle in den flüssigen Zustand übergegangen.
Bei weiterer Wärme zufuhr bis zur Löttemperatur verbindet sich das Lot fest mit den Grundwerkstoffen. Nun kann die Abkühlung sofort einsetzen. Wird die Endtempera- tur nicht in einer normalen, sondern in einer län geren Abkühlungszeit erreicht, so verbreitern sich die Zonen 8 und 9 (Fig. 7) durch stärkere Aufkoh- lung. Dabei ist aber zu beachten, dass eine Zunahme der Aufkohlungstiefe nur bis 720 C stattfindet.