Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Kupfer-Aluminium-Verbundloten zur in situ-Bildung von CuAl-Lotlegierungen beim Ofenlöten von CrNi-Stählen

Mit den Aluminiumbronzen sind Kupferlegierungen bekannt, die eine hervorragende Warmfestigkeit sowie eine hohe Korrosions- und Verzunderungsbeständigkeit aufweisen. Allerdings lassen sich diese Legierungen als Lote z.B. für CrNi-Stähle aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität des Aluminiums sehr schlecht bei Ofenlötprozessen verarbeiten. Der Lösungsansatz besteht in der Verwendung von Lotverbunden bestehend aus einem Aluminiumkern und einer Kupferdeckschicht,wobei über das Verhältnis der verwendeten Materialstärken die Zielzusammensetzung vorgegeben ist. Die gewünschte Lotlegierung bildet sich erst "in situ" während des Aufschmelzvorgangs. Die Verbundlotgeometrie sowie die Temperaturführung beim Ofenlöten bestimmen dann in weiten Grenzen die Lötgutmetallurgie und damit die technologischen Eigenschaften der resultierenden Lötverbindung. Diese Abhängigkeiten zu untersuchen und hieraus anwendungsgeeignete Aluminiumbronze-Verbundlote und Ofenlötprozesse zu entwickeln, ist Ziel dieses Projektes.

Cu-Al-Lotverbunde lassen sich sowohl als Drähte als auch als Folien herstellen, sodass sie für eine Vielzahl von Lötanwendungen geeignet sind. Profitieren können hiervon sowohl Lothersteller als auch Unternehmen, die Lötbaugruppen aus CrNi-Stählen fertigen, welche im Automobilbau, in der Heiz- und Klimatechnik oder im Apparatebau in unterschiedlichsten Formen und Ausführungen benötigt werden. Sowohl in der Lotherstellung als auch in der Anwendung von Löttechnologie sind in Deutschland zahlreiche KMU involviert (Drahthersteller und -verarbeiter, Lohnlötbetriebe, Hersteller von Lötöfen, Automobilzulieferer etc.), die ein großes Interesse an verbesserten Lotwerkstoffen für das Ofenlöten von CrNi-Stählen haben.

Ergebniszusammenfassung:

Aluminiumbronzen haben eine hervorragende Warmfestigkeit sowie eine hohe Korrosions- und Verzunderungsbeständigkeit. Allerdings lassen sich diese Legierungen, die als Lotdrähte für das Lichtbogenlöten von Stählen genutzt werden, als Lotwerkstoffe in Schutzgasofenprozessen nicht verwenden, da die extrem hohe Sauerstoffaffinität des Aluminiums in der Legierung schon in der relativ langsamen Aufheizphase eines Ofenprozesses zu einer Oxidbellegung des Lotes führt, die den Lotfluss und das Benetzen der Fügeflächen unterbindet. Der Lösungsansatz für diese Problematik besteht in der Verwendung von Lotverbunden bestehend aus einem Aluminiumkern und einer Kupferdeckschicht, welches erst im Lötprozess legiert.

Konkret wurden zunächst geeignete Prozessparameter ermittelt, bei denen Verbundlotdrähte mit einem Kern aus Aluminium und einen Mantel aus Kupfer mittels Drahtziehens hergestellt werden konnten. Es folgten Lötversuche im Vakuumofen sowie unter Schutzgas, eine werkstoffkundliche Charakterisierung der Lötverbindungen und die Ermittlung technologischer Eigenschaften hiermit gelöteter Prüfstücke.

Im Ergebnis liefern die entwickelten Cu-Al-Verbundlote einen wesentlichen Fortschritt zum Stand der Technik: Ihre Verarbeitbarkeit beim Ofenlöten von CrNi-Stählen ist vergleichbar mit der von reinem Kupferlot; bei dem wesentlich schnelleren Induktionslötprozess unter Schutzgas ist das Benetzungs- und Fließverhalten auf CrNi-Stählen den Kupferloten noch deutlich überlegen. Die resultierenden Lötverbindungen sind – im Gegensatz zu Kupferlötverbindungen – noch bei 650°C an Luft verzunderungsbeständig. Die Scherzugfestigkeiten von mit Cu-Al-Verbundlotdraht hergestellten Einsteckverbindungen liegen mit 250 MPa bei ofengelöteten und sogar 350 MPa bei induktiv gelöteten Prüfstücken deutlich höher als bei gleichartig mit reinem Kupferlot gefertigten Referenzprüfstücken, die nur maximal 210 MPa erreichten.