DE2829597C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Werkstück mit wenigstens ei­ ner Lötverbindung oder Auftragslötstelle, der wenigstens eine Scheibe aus porösem, zumindest mit dem Lot metallurgisch kompatiblen Sinter­ metall zugeordnet ist.

Löten ist bekanntlich ein Verfahren zum Verbinden metallischer Werk­ stücke mit Hilfe eines geschmolzenen Zusatzmetalls, ggf. unter Anwendung von Flußmitteln, Schutzgasen oder Vakuum. Das Zusatzmetall, Lot genannt, muß einen niedrigeren Schmelzpunkt haben als das Grund­ metall der Verbindungspartner.

Zum Löten werden diese auf eine Temperatur gebracht, bei der das Lot fließt, in den Lötspalt dringt, und diesen mehr oder weniger, am besten vollständig, ausfüllt. Dort kommt durch Anlagerung des Lotes an die Oberfläche, Kapillarwirkung feinster Zerklüftungen, molekula­ re Anziehungskräfte, Legierungsbildung und Diffusion in den Grenz­ flächen zwischen Grundmetall und Lot die Verbindung zustande.

Die Güte einer Lötverbindung hängt u. a. davon ab, daß Lot und Grundwerkstoff metallurgisch kompatibel sind, also gut aneinander zu haften vermögen und in ausreichendem Maße ineinander löslich sind, sowie vom Füllgrad des Lötspalts. Als gut wird nach dem heutigen Stand der Technik noch ein Füllgrad von 70% bezeichnet. Neben der richtigen Vorbereitung der zu lötenden Oberflächen und richtiger Tem­ peratur beim Lötvorgang spielt vor allem die Dimensionierung des Löt­ spalts eine entscheidende Rolle. Zum einen bestimmt die Breite des Lötspalts dessen Kapillarwirkung, zum anderen bestimmt die Tiefe des Lötspalts die erforderlichen Fließwege, die das Lot zurücklegen muß.

Wird die Lötspaltbreite groß, sinkt die Kapillarwirkung und damit der Füllgrad; wächst die Tiefe des Lötspalts, so hat dies die gleiche Wirkung auf den Füllgrad.

Aus der DE-PS 8 55 024 geht ein Gleitlager hervor, bei dem ein Einle­ gestreifen aus porösem Sintermetall mittels eines guten Weichlotes an die tragende Oberfläche des Lagers angelötet ist. Der Sintermetall­ körper dient dabei nicht zum Transport des Lotes. Er soll vielmehr mit Öl oder Blei getränkt sein, um eine gute Schmierwirkung ausüben zu können. Dabei findet sich der Streifen aus dem Sintermetall nicht im Lot, sondern liegt nur auf dem Lot auf.

Zur Herstellung dieses Lagers wird zunächst eine fertige Lotschicht in die mit dem Sintermetall auszukleidende Vertiefung eingelegt; anschließend wird das Sintermetall eingelegt und danach durch ent­ sprechende Erwärmung die Lötung bewirkt. Dabei müssen die Poren des Sintermetallkörpers frei bleiben, damit sie mit einem anderen Mate­ rial als dem Lot gefüllt werden oder sein können.

Aus der DE-PS 8 63 583 geht ein Lager hervor, bei dem kein Sinterme­ tall verwendet wird; statt dessen wird Blei in flüssigem Zustand in eine massive Kupferlagerschale eindiffundiert.

In der DE-AS 10 65 182 wird ein Lagermaterial beschrieben, bei dem die Lagerschale selbst aus einem porösem Metallskelett besteht. Dieses Metallskelett wird mit Tetrafluorpolyäthylen imprägniert. Die Problematik einer einwandfreien Lötverbindung wird nicht angespro­ chen. Aus der US-PS 29 02 748 ist ein poröses Lagermaterial bekannt, bei dem das Porenvolumen in der Größenordnung von einem Drittel des Gesamtvolumens liegt.

Schließlich geht aus der US-PS 25 85 430 noch die Herstellung einer Lagergleitschicht hervor, bei der ein Kupfer-Blei-Pulvergemisch auf einer Unterlage durch Erwärmung zu einem porösem Körper gesintert wird, der hierbei an die Unterlage gebunden wird. Anschließend kann auf diesen Körper dann eine Weißmetallschicht aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein metallisches Werkstück der angegebenen Gattung zu schaffen, dessen Lötverbindung oder Auf­ tragslötstelle mit großer Dicke, sowie hervorragender Festigkeit und Haftung auf dem Grundmaterial über seiner ganzen Ausdehnung ausgebil­ det wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteran­ sprüche definiert.

Obwohl die Lötverbindung auch durch Weichlöten her­ gestellt werden kann, werden bevorzugt Lötverbindungen durch Hartlö­ ten eingesetzt, da Hartlötverbindungen höher bean­ spruchbar sind.

Dabei wird mit einer metallischen Lösung der Transport des Lotes in den gesamten Lötspalt hinein dadurch gewährleistet, daß die vielfach nicht ausreichende Kapillarwirkung des Lötspalts durch die hohe Ka­ pillarwirkung der in den Lötspalt eingelegten Scheibe aus dem porö­ sen Sintermetall erhöht wird, die wegen der Feinheit ihrer zusammen­ hängenden Poren eine sehr hohe Kapillarwirkung ausübt und das flüssi­ ge Lot zuverlässig in sich selbst aufnimmt und dann aber bei seiner Oberfläche bzw. Oberflächen an die angrenzenden Oberflächen des Werk­ stückes heranbringt.

Wegen des vollständig durchgelaufenen Lotes lassen sich Werkstücke mit wesentlich erhöhter Qualität fertigen. Die verwendete Scheibe aus porösem Sintermetall hat eine einfache geometrische Form und läßt sich deshalb einfach herstellen. Sie kann ein- oder mehrteilig sein und hat in der Regel eine konstante Dicke, die gegebenenfalls an eine ungleichmäßige Breite des Lötspaltes angepaßt werden kann. Die Schei­ be kann aus mehreren Lagern bestehen, ist jedoch vorzugsweise ein­ schichtig. Sie kann aus einem reinen Metall oder einer Metall-Legierung bestehen. Vorzugsweise verwendet man den Grundwerkstoff des Werkstückes. Die Po­ ren der Sintermetallscheibe müssen überwiegend miteinan­ der in Verbindung stehen. Das gesamte Porenvolumen sollte größer als 20% sein. Besonders bewährt haben sich Porenvolumina von 30 bis 35%.

Diese Scheibe beaufschlagt man in wenigstens auf die Schmelztemperatur des Lotes erwärmtem Zustand z. B. über einen überstehenden Rand mit dem flüssigen Lot. Die Schei­ be saugt sich zunächst infolge der Kapillarwirkung ihrer Poren voll. Führt man weiter und mehr Lot zu als dem kommunizierenden Porenvolumen entspricht, so tritt dieser Überschuß an den Oberflächen der Sinterscheibe aus und stellt die Lötverbindung der Sinterscheibe mit dem Grundmetall her. Die Sinterscheibe bewirkt so die ange­ strebte feinverteilte Dosierung des Lots über die ganzen Verbindungsflächen. Der Füllgrad derartig hergestellter Lötungen liegt deutlich über 90%. In der überwiegenden Zahl der Fälle wird ein Füllgrad von 100% erreicht.

Überstehende Ränder der Sinterscheibe können - sofern sie stören - nach der Lötung abgearbeitet werden.

Neben der Hauptanwendung des Lötens, nämlich der Verbin­ dung zweier oder auch mehrerer Teile eignet sich die Er­ findung auch vorzüglich, um sogenannte Auftragslötungen herzustellen. Außer für Reparaturzwecke werden Auftrags­ lötungen auch an Funktionsflächen von Neuteilen vorgenom­ men, um diese mit besonderen Eigenschaften auszustatten.

Insbesondere Neusilberlote eignen sich gut für den Auftrag auf Messing, Bronze, Gußeisen und Stahl, wenn hohe Flächen­ pressungen bzw. Reibbeanspruchungen bestehen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für das Auftrags­ hartlöten von Gleitlagerlaufschichten auf Kupferbasis, wie z. B. Bleibronzelaufschichten.

Bei der Auftragslötung wird auf die Funktionsfläche eine Sintermetallscheibe aufgelegt, die möglichst satt anliegt und deren Fläche der aufzutragenden Funktionsfläche gleich ist. Darüber kommt das Lot, das nahezu beliebig geformt sein kann. In aller Regel wird man Scheibchen von einfa­ cher geometrischer Form benutzen. Es können aber auch Gra­ nalien, Drähte oder Pulver bzw. Preßlinge aus Pulver ver­ wendet werden. Die ganze Anordnung wird auf die Schmelz­ temperatur des Lotes gebracht. Dabei schmilzt dieses, dringt in die kommunizierenden Poren der Sinterplatte ein und füllt diese. Der Überschuß an Lot stellt, wie schon oben beschrieben, wiederum die Lötverbindung zwi­ schen dem Werkstück und der Sinterplatte her.

Die Erfindung eignet sich besonders, aber nicht ausschließ­ lich, für die folgenden Materialien:

Grundkörper aus

• - unlegierten und legierten Stählen
• - Grauguß, Temperguß, Gußeisen mit Kugelgraphit

Sinterscheibe aus

• - unlegiertem und legiertem C-freien oder C-haltigen Sintereisen
• - Sinterkupfer
• - Sinterbronze

Lot aus

• - Hartloten nach DIN 8 513 bzw. Önorm M 7825, aber auch
• - Gleitlagerlegierungen, insbesondere Lagerbronzen aller Art, besonders auch Bleibronzen.

Versuche haben gezeigt, daß mit der Erfindung auch hoch bleihaltige Bronzen verarbeitet werden können, die nor­ malerweise nicht als Lote verwendet werden, da für die meisten genormten Lote auf Kupfer-Zinn-Basis die zulässi­ ge Bleibeimengung auf 0,02% limitiert ist. Die feine Verteilung des geschmolzenen Lots in den Poren verhin­ dert nämlich weitgehend die unerwünschte Entmischung von Kupfer und Blei. Aus dem gleichen Grund werden auch die Gefügeanomalien, die für andere Auftragsverfahren - wel­ che über den flüssigen Zustand gehen - üblich sind, wie Stengelkristallisation, Blasen-, Schaum-, Schlackenbil­ dung usw. völlig unterdrückt.

Daher ermöglicht die Auftrags-Tränklötung die Herstellung von Funktionsflächen, insbesondere Gleitlagerflächen, mit den ausgezeichneten Gleiteigenschaften der Bleibronzen und hervorragender Bindung an den Grundwerkstoff.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Sinterscheibe für das Lot eine Art von Stützgerät dar­ stellt, das sich auf die Elastizität der Verbindung bzw. der auftrags- gelöteten Funktionsfläche günstig aus­ wirkt. Besonders beim Verbinden oder Auftragslöten von Teilen aus Stahl oder Gußeisen wird deren Bewährung vom Unterschied der Elastizitätsmodule von Grundkörper, Lot und Gegenkörper bestimmt. Lote auf Kupfer- oder Kupfer- Zinn- oder Kupfer-Zink-Basis bzw. entsprechende Gleitle­ gierungen haben einen niedrigeren E-Modul. Dieser erfährt eine erhebliche Steigerung, wenn eine Sinterscheibe aus Eisen oder einer seiner Legierungen verwendet wird.

Die Sinterscheibe kann in der Dicke ziemlich weit vari­ ieren. Bevorzugt sind Werte von 0,5 bis 5 mm Dicke. Es können aber auch noch 10 mm dicke Scheiben verwendet wer­ den.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 6 zeigen jeweils im Schnitt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten von Lötverbindungen nach der Erfindung vor dem Erhitzen.

Fig. 7 zeigt in auseinandergezogenem Zustand die Elemen­ te für die Herstellung einer Auftragslötverbindung.

In Fig. 1 erkennt man eine Stahlplatte 1, an welche ein Rundstahl 2 mit seiner Stirnfläche angelötet werden soll. Zu diesem Zweck befindet sich zwischen der Stirnfläche des Rundstahls 2 und der entsprechenden Oberfläche der Stahl­ platte 1 eine Sintermetallscheibe 3. Auf die Sinterme­ tallscheibe 3 ist ein Lot 4, beispielsweise in Form eines gebogenen Hartlotstabes, aufgelegt. Nun wird die Lötstel­ le entsprechend erwärmt, bis das Hartlot 4 schmilzt. Die­ ses wird nun aufgrund der Kapillarwirkung der Sintereisen­ scheibe 3 von letzterer aufgesogen und zugleich in die Restspalte zwischen dem Rundeisen 2 und der Sintereisenscheibe 3 bzw. der Stahlplatte 1 und der Sin­ terstahlplatte 3 eingesogen, so daß eine vollständig ein­ wandfreie Lötstelle entsteht.

Bei diesem Beispiel kann ebenso wie bei den später beschrie­ benen Beispielen je nach dem angewandten Lötverfahren mit oder ohne Flußmittel in üblicher Weise gearbeitet werden.

Bei dem Beispiel gemäß Fig. 2 sollen zwei Kupferrohre 11 und 12 miteinander verlötet werden. Zu diesem Zweck ist ein freigehaltener Spalt zwischen den fluchtenden Stirn­ enden der beiden Rohre mit einer Sinterkupferscheibe 13 gefüllt, welche die Rohre 11 und 12 radial nach außen über­ ragt. Auf den so gebildeten Bund ist ein Ring 14 aus Hart­ lot aufgesetzt. Beim Niederschmelzen dieses Hartlotrings erfolgt die Verbindung der beiden Kupferrohre analog zu der anhand von Fig. 1 beschriebenen Verbindung. Der über­ stehende, mit Lot gefüllte Kupfersinterring 13 kann, falls erforderlich, nachträglich abgearbeitet werden oder auch stehenbleiben.

Fig. 3 zeigt eine Lötverbindung für zwei Stahlrohre 21 und 22, die lediglich ein auf Druck beanspruchtes Trag­ element darstellen. Hier ist zwischen die fluchtenden Stirnenden der beiden Rohre eine Sintereisenscheibe 23 gelegt, deren Außenfläche mit den Umfangsflächen der bei­ den Rohre bündig ist. Oben ist auf die Sintereisenscheibe 23 in das obere Rohr 22 hinein ein Stück Hartlot gelegt. Nun wird die ganze Verbindungsstelle erwärmt, bis das Hart­ lot außen überall die Umfangsfläche der Sintereisenschei­ be 23 bedeckt. Damit ist eine einwandfreie Lötverbindung gewährleistet.

Fig. 4 zeigt das Anlöten eines Flansches 32 an ein Rohr 31. Zu diesem Zweck ist das Ende des Rohres, wie aus der Zeichnung ersichtlich, außen mit einem Rezeß verse­ hen, so daß ein Spalt zwischen der Innenfläche des Flansch­ rings 32 und der Außenfläche des Rohrs 31 entsteht. In diesen Spalt ist ein Kragen eines L-Profil aufweisenden Ringes 33 aus einem dem Werkstoff der Teile 31 und 32 ent­ sprechenden Sintermetall eingesetzt. Der Kragen füllt, wie aus der Zeichnung ersichtlich, den Ringspalt vollstän­ dig aus. Oben ist auf den Sintermetallring 33 ein Ring aus Lot aufgelegt. Wird dieser niedergeschmolzen, so füllt er nicht nur die Poren des Sintermetallrings 33 vollständig aus; er verbindet diesen darüber hinaus an allen entsprechenden Flächen mit dem Rohrende 33 bzw. dem Flanschring 32.

Wenn gewünscht, kann der in Axialrichtung in Fig. 4 nach oben überstehende Teil des Sintermetallrings 33 nachträg­ lich abgearbeitet werden.

Fig. 5 zeigt die Herstellung einer Rohrlötverbindung nach der Erfindung für ein 90°-Rohrknie. Die beiden auf 45° Gehrung geschnittenen Rohre 41 und 42 werden in die aus der Zeichnung ersichtliche Lage unter Zwischenlegen eines Sintermetallringes 43 aus dem Werkstoff der Rohre entsprechendem Metall zusammengesetzt. Dann wird auf den radial nach außen überstehenden Teil des Sintermetall­ ringes 43 das Lot 44 aufgelegt. Beim Niederschmelzen des Lotes füllt dieses die Poren des Ringes 43 vollständig aus und verbindet letzteren gleichmäßig ganzflächig mit den Stirnflächen der beiden Rohre 41 und 42. Der nach außen überstehende Sintermetallringteil kann stehenblei­ ben oder nachträglich abgearbeitet werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit des Anschlusses eines Flansches 51 an ein Rohr 52. Der Flansch 51 weist hierbei T-Profil auf. Der Innendurchmesser des vom Flansch 51 abragenden Kragens ist dabei etwas größer als der Außen­ durchmesser des Rohres 52. Der Ringspalt zwischen dem genannten Kragen und dem Rohr wird durch einen Sinter­ metallring 53 von L-Profil ausgefüllt. In der aus Fig. 6 ersichtlichen Lage wird dann oben auf den Flanschteil des Sintermetallrings 53 ein Ring 54 (der ebensowenig wie die anderen gezeigten Ringe ganz in sich geschlossen sein muß) aus Hartlot aufgelegt und niedergeschmolzen. Hierbei füllt das Lot nicht nur die Poren des Sintermetall­ rings 53. Es verbindet letzteren auch vollständig mit al­ len Flächen des Flanschringes und des Rohrendes, an de­ nen der Sintermetallring 53 anliegt.

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel soll die Oberfläche 64 eines Werkstücks 61 aus Stahl mit einer Gleitmetallbeschichtung versehen werden. Zu diesem Zweck wird auf die Oberfläche 64 eine dünne Scheibe 62 aus einem hochporösen Sintereisen aufgelegt. Die Sintereisenschei­ be 62 hat den gleichen Umriß wie die Oberfläche 64. Dann wird oben auf die Sintereisenscheibe 62 das Lot 63 in Form von passend zurechtgeschnittenen Stücken (beispiels­ weise in der aus der Zeichnung ersichtlichen Anordnung) aufgelegt. Nun wird das Lot niedergeschmolzen. Das Nie­ derschmelzen erfolgt zweckmäßig in nicht oxidierender Atmosphäre, so daß ein Flußmittel hierbei nicht verwen­ det werden muß. Ist die Menge des Lotes richtig berech­ net, so verbindet dieses nicht nur die Sintereisenschei­ be 2 ganzflächig mit der Oberfläche 64, sondern füllt auch sämtliche Poren in der Sintereisenscheibe 62 voll­ ständig aus und bedeckt auch noch die Oberfläche der letz­ teren. Es versteht sich, daß in diesem Falle das Lot zweckmäßig ein Gleitmetall wie beispielsweise eine Blei­ bronze ist.

Claims (5)

1. Metallisches Werkstück mit wenigstens einer Lötverbindung oder Auftragslötstelle, der wenigstens eine Scheibe aus porösem, zumindest mit dem Lot metallurgisch kompatiblen Sintermetall zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Scheibe im Lötspalt, bzw. aufgetragenen Lot befindet und zusammenhängende Poren aufweist, höher als das Lot schmilzt, und mit dem Lot getränkt ist.

2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Poren 20% bis 60% des Volumens der Schei­ be aus Sintermetall einnehmen.

3. Werkstück nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Poren 30% bis 35% des Volumens der Schei­ be aus Sintermetall einnehmen.

4. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit wenigstens einer Auftragslötstelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftragslötstelle eine Gleitlagerbeschichtung bildet.

5. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Lot eine Gleitlagerlegierung oder -Blei­ bronze ist.