Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erhöhung der Fertigungstoleranz hochtemperaturgelöteter Bauteile durch thermodynamische Berechnung von Temperatur-/Zeitzyklen

Mittels thermodynamischer Berechnungen werden die Stabilitätsbedingungen der in Nickelbasislotnähten mit einer Spaltbreite von mehr als 0,05 mm bei artgleichen und artungleichen Verbindungen gebildeten spröden Phasen untersucht, um prozesstechnisch gezielt auf eine Minimierung oder sogar Vermeidung von Sprödphasen Einfluss nehmen zu können und so die Gebrauchseigenschaften, insbesondere das Bruchverhalten, zu verbessern. Der vorgeschlagene Lösungsweg lässt sich in 3 wesentliche Abschnitte unterteilen. Zunächst werden T-t-Zyklen für alle Werkstoffkombinationen im Projekt berechnet. Nicht vorhandene Daten werden anhand von ersten Lötproben nach konventionellen Zyklen ermittelt. Die zweite Phase umfasst die Fertigung von Proben nach den neu berechneten T-t-Zyklen bei zwei verschiedenen Spaltbreiten sowie deren umfangreiche metallurgische und mechanische Untersuchung. Insbesondere die Brucheigenschaften und Phasen in der Lötnaht werden berücksichtigt. Im letzten Abschnitt werden die bisherigen Resultate optimiert. Hier wird die benötigte Lötzeit zum Erzielen eines optimalen Lötergebnisses reduziert und zulässige Lötspaltbreiten erhöht. Parallel werden die Ergebnisse experimentell validiert. Die erzielten Ergebnisse werden durch Berichte und ein DVS-Merkblatt dokumentiert. Im Ergebnis werden prozesssichere T-t-Zyklen ermittelt, die es gestatten, eine Vielzahl von Verbindungen mit großen Spalten zu fügen und dabei eine ausgezeichnete Verbindungsfestigkeit zu erreichen. Durch die Optimierung wird nicht nur die Produktqualität sondern auch die Wirtschaftlichkeit des Prozesses gesteigert. Dies erschließt den KMU neue Anwendungsgebiete und erweitert deren Portfolio um diverse Lötkonstruktionen, ein neuer Markt wird erschlossen. Ferner erlauben größere Lötspalte bei guter Verbindungsfestigkeit teure Edelmetalllote durch Nickellote zu ersetzen. Dies steigert die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens und damit der KMU, die das Löten als Dienstleister und Zulieferer betreiben.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsprojekt wurden mittels thermodynamischer Berechnungen sowie Simulationen Temperatur-/Zeitzyklen zur sprödphasenfreien Fertigung von Hochtemperaturlötverbindungen mit großen Lötspaltbreiten oberhalb von 50 µm ermittelt. Betrachtet wurden Spaltbreiten bis 100 µm. Hierzu wurden Probelötungen durchgeführt, die Proben metallografisch präpariert, mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie analysiert und hinsichtlich ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften geprüft. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei Nutzung der entwickelten Temperatur-/Zeitzyklen eine deutliche Verbesserung der Eigenschaften, besonders im Hinblick auf die erreichten Verbindungsfestigkeiten, vorliegt. Weiterhin wurde belegt, dass die Proben bei Einhaltung der ermittelten Temperatur-/Zeitzyklen größtenteils oder vollständig sprödphasenfrei gefertigt werden können. Die genannten Verbesserungen liegen bei gleichzeitig erhöhter Fertigungstoleranz vor. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Projektresultate sowohl die Fertigungstoleranz hochtemperaturgelöteter Verbindungen, als auch die einhergehenden Gebrauchseigenschaften nachhaltig erhöhen. Die vorliegenden Ergebnisse ermöglichen es kmU, die Qualität ihrer bestehenden Produkte zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Hierdurch wird es diesen ermöglicht einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen und sich am Markt erfolgreich aufzustellen. Aufgrund der größeren Toleranzen ist es möglich, den Aufwand der Arbeitsvorbereitung und Werkstückfertigung zu reduzieren und die zugehörigen Kosten zu minimieren. In Folge der sich ergebenden Verbesserungen profitieren auch die Industriekunden der kmU von den vorliegenden Projektergebnissen, da die Qualitätssteigerung der Produkte zu einem geringeren Ausfalls- und Schadensrisiko führt.