RAPIDLY QUENCHED DUCTILE BRAZING FOIL

Abstract: 1. A rapidly quenched ductile brazing foil of microcrystalline structure made of an alloy consisting fundamentally of copper, at least one element having an affinity to oxygen, and where appropriate silver, characterised in that this alloy has the composition Aga Cub Rc where (in weight %) : 0=<a=<44, 52=<b=<96, 4=<c=<8, a+b+c=100, where R is at least one of the elements titanium, zirconium, niobium and tantalum and the alloy is free of intermetallic CuR-phases.

Description: Rasch abgeschreckte duktile Lötfolie Die Erfindung betrifft eine rasch abgeschreckte duktile Lötfolie mit mikrokristalliner Struktur aus einer im wesentlichen aus Kupfer und mindestens einem sauerstoffaffinem Element bestehenden Legierung. Aktivlote werden zur Verbindung von keramischen und metallischen Werkstoffen verwendet. Aktivlote sind Lote mit Legierungsanteilen von reaktiven Elementen R (-z. B. Ti, Zr, Nb und TÅa), wobei der Gehalt an diesen sauerstoffaffinen Elementen eine Vormetallisierung der Keramik beim Lötprozess überflüssig macht. Ziel der Erfindung ist es, für den Lötprozess geeignete CuR- und AgCuR-Legierungen, die im Gleichgewichtszustand spröde sind, durch rasches Abschrecken als duktile Lötfolie herzustellen. Aktivlotlegierungen mit hohem Gehalt an den sauerstoffaffinen Elementen Ti oder Zr sind in der Regel spröde und werden deshalb mechanisch zu Lotpulver verarbeitet (siehe z. B. Nesse, "Untersuchungen zum Aktivlöten von Keramik und Graphit", Metall 27 (1973), Seiten 259 bis 265). Im AgCuTi-Legierungssystem lassen sich verschiedene Zusammensetzungsbereiche zu Draht- oder Bandform verarbeiten: a) Legierungen mit einem niedrigen Titangehalt von bis zu 3 Gew. Ti, b) Legierungen mit einem sehr hohen Silbergehalt ( > 50 Ges.% Ag) und c) binäre CuTi-Legierungen mit hohem Titangehalt von 25 bis 64 Gew.% Ti, die sich im amorphen Zustand herstellen lassen. Die Phasenzt#ammensetzungen dieser Bereiche können aus dem Gleich gewichtsphasendiagramm entnommen werden (z. B. V.A. Chang, D. Goldberg, J.P. Neumann, "Phase diagrams and thermodynamical properties of ternary copper-silver systems", J. Phys. Chem. Ref. Data 6 (1977) Seiten 666 bis 669) und in ihrer Verwendbarkeit als Aktivlot bewertet werden: a) Die Legierungen mit dem niedrigen Ti-Gehalt ( < 3 Ges.%) lösen das Titan in der binären AgCu-Struktur. Durch den beschränkten Titangehalt ist die Benetzbarkeit der Keramikoberfläche für viele Anwendungsfälle ungenügend. Das Fliessverhalten dieser Lote ist mässig, da sich der Titananteil an der Keramikober fläche anreichert, so dass das Lot im Spalt an Titan verarmt und somit keine weitere Keramikoberfläche benetzen kann. b) Legierungen mit einem höheren Titangehalt bilden im Gleich gewichtszustand intermetallische CuTi-Phasen aus, die den Werkstoff verspröden können. Um diese Versprödung zu vermeiden, müssen ausreichend viele duktile Phasen die intermetallischen Phasen umgeben. Derartige Lote, die diesen Vielphasenaufbau aufweisen, sind in der US-PS 3 117 003 beschrieben. Eine Ver sprödung der Lote kann nur durch einen hohen Silberanteil ( > 50 Ges.%) vermieden werden (siehe z. B. Ausführungsbeispiel in US-PS 3 117 003). Die Lotzusammensetzungen sind auch in Form von Verbundwerkstoffen, z. B. als AgCu-Eutektikum mit Ti-Seele, auf dem Markt erhältlich. Sie sind aufgrund des hohen Silbergehalts jedoch verhältnismässig teuer. c) Entsprechende Lötfolien mit amorpher Struktur sind im Giess zustand zwar duktil, werden aber bei der Kristallisation während des Lötprozesses sehr spröde, da sie in ihren Zusammen setzungen im Bereich der intermetallischen Phasen liegen. Die Verwendung der amorphen CuTi-Lote beschränkt sich deshalb auf Verbunde, bei denen das Titan beim Lötvorgang mit benachbar ten Metallphasen auflegiert werden kann, also z. B. beim Verbund zwischen Kupfer und Keramik (vgl. z. B. K. Brunner, M. Fischer, R.S. Perkins, Metalceramic bonding by new active brazing materials" in DVS-Berichte 66 (1980), Seiten 37 bis 40) oder durch Verwendung eines Schichtverbundes (EP-OS 00 38 584). Für das Verbunden von nichtmetallisiertem Al203 wurde gezeigt, 23 dass weder die binären CuTi noch die Ti-armen, noch die Ag-reichen Lote zu einer optimalen Festigkeit der Verbindung führen (M. G. Nicholas, "The development of brazes for unmetallized alumina" in DVS-Berichte, 66 (1980) Seiten 29 bis 32). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, duktile Lötfolien im Legierungssysteia (Ag)CuR herzustellen, die die Nachteile der bisher bekannten Zusammensetzungen vermeiden. Erfindungsgemäss wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Zur Herstellung rasch abgeschreckter Metallfolien mit einer innerhalb der in den Ansprüchen 1 und 2 genannten Zusammensetzung, wobei als R-Element vorzugsweise Titan verwendet wurde, wurde ein Giessverfahren angewandt, bei dem die schmelzflüssigen Legierungen auf eine schnell rotierende Walze gegossen wurden (Einwalzenverfahren). Die Verwendung dieses Herstellungsweges für Lötfolien wurde zuerst für Nickelbasislegierungen berichtet (vgl. z. B. Welding Journal 57 (1978) Seiten 33 bis 38). Die erfindungsgemässen Lötfolien weisen nach der Erstarrung eine mikrokristalline Struktur auf. Derart hergestellte AgCuTi-Folien zeigten einen deutlich erweiterten Bereich, in dem die Ausbildung der intermetallischen Phasen durch eine erhöhte Löslichkeit unterdrückt wird und in dem solche duktilen Lötfolien herstellbar sind. Unter der Bezeichnung "duktil" soll hier verstanden werden, dass die Lötfolien auf den Radius r = 0 gebogen werden können, ohne zu brechen. Die erfindungsgemässen Lötfolien werden durch folgenden Zusammensetzungbereich beschrieben: Ag0-44Cu52-96Ti 4-8 bzw. CuRestTi4-11 , vorzugsweise ist die Lötfolie folgendermassen zusamsengesetzt: Ag0-44Cu54,5-93,5Ti6,5-8 bzw. CuRestTi6,5-11 . Ag0-44Cu54,5-93,5Ti 6,5-8 bzw.CuRestTi6,5-11 Der Vorteil des beanspruchten Bereiches gegenüber den bisher bekannten Zusammensetzungen liegt a) in einem höheren Ti-Gehalt und somit in einer besseren Benetzung der Keramik und einem besseren Fliessverhalten, b) in einem geringeren Ag-Gehalt und somit in einer wirtschaft licheren Lösung und c) in einer weitgehenden Vermeidung von Sprödphasen in der Löt verbindung. Anhand einiger Ausführungsbeispiele und einer Gefügeabbildung soll die Erfindung nachstehend noch näher erläutert werden. Zur Herstellung rasch abgeschreckter Lötfolien wurde die in einem Vorratsbehälter befindliche Schmelze durch die Öffnung einer Giessdüse gepresst und auf die Oberfläche einer rotierenden Kühlwalze gegossen. Auf der Kühlwalzenoberfläche erstarrte die Schmelze zu einer Folie. Mit dem sogenannten Einwalzenverfahren wurden sieben erfindungsgemässe Lötfolien unterschiedlicher Zusammensetzung sowie sechs Legierungen als Vergleichsbeispiele durch Raschabschreckung hergestellt. Die jeweilige Zusammensetzung der Ausführungsbeispiele sowie das Ergebnis von Duktilitätsuntersuchung#n sind in der Tabelle zusammengefasst. Nr. Ag Cu Ti Duktilität 1 - Rest 13,5 nein 2 - Rest 11,2 ja 3 - Rest 9,3 ja 4 - Rest 16,4 nein 5 - Rest 20,0 nein 6 8,8 Rest 10,5 nein 7 18k9 Rest 9,4 nein 8 49,0 Rest 6,0 nein 9 40,0 Rest 5,0 ja 10 25,0 Rest 5,0 ja 11 20,0 Rest 7,0 ja 12 15,0 Rest 5,0 ja 13 10,0 Rest 7,0 ja An einer beispielhaft ausgewählten Legierung Ag25Cu70 Ti5 (Ausführungsbeispiel 10) wurden metallographische Untersuchungen durchgeführt. Es zeigt sich, dass diese Lötfolie ein fein eutektisches Gefüge besitzt. Intermetallische CuTi-Phasen konnten nicht identifiziert werden. Die Abbildung zeigt das eine sehr kleine Korngrösse aufweisende Gefüge der Lötfolie in 1000faches Vergrösserung. Das Lötverhalten der erfindungsgemässen Lötfolie wurde ergänzend in einer Verbindung zwischen zwei keramischen Werkstoffen (Al203) überprüft. Es wurde festgestellt, dass die Keramik vollständig von dem Aktivlot benetzt war. Ferner ergaben röntgenographische Aufnahmen, dass die Grenzschichten zwischen Keramik und Lotlegierung eine Titananreicherung aufwiesen, während das übrige Lotmetall beträchtlich an Titan verarmt war. Intermetallische Phasen, die eine Versprödung der Verbindung bewirken, wurden nicht beobachtet.

Claims: Patentansprüche 1. Rasch abgeschreckte duktile Lötfolie mit mikrokristalliner Struktur aus einer im wesentlichen aus Kupfer, mindestens einem sauerstoffaffinem Element und gegebenenfalls Silber bestehenden Legierung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass diese Legierung die Zusammensetzung AgaCubRc besitzt mit a a - 44, 52 < b o 96, 4 c = 8, a + b + c = 100, wobei R mindestens eines der Elemente Titan, Zirkon, Niob und Tantal bedeutet und die Legierung frei von intermetallischen CuR Phasen ist. 2. Lötfolie nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 4 bis 11 Gew.% mindestens eines mit R bezeichneten Elements, Rest Kupfer, besteht. 3. Lötfolie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass R Titan bedeutet und die Zusammensetzung 6,5 bis 11 Gew.% Titan, Rest Kupfer, enthält. 4. Lötfolie nach Anspruch 3, da du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus 6,5 bis 8 Gew.# Titan, bis zu 44 Gew.% Silber, Rest Kupfer, besteht.

Inventors: EMMERICH, KURT, DR.
Applicants: VACUUMSCHMELZE GMBH
Application year: 1985
Main classification: B23K35
IPC codes: B23K35