Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Adamant: Impfen von Ni-und Fe-Basisloten zum Verbessern der Verbundeigenschaften

Die Verwendung von Nickelloten oder auch Eisenbasisloten ist insbesondere bei Bauteilen, die im Betrieb einer hohen thermischen und/oder korrosiven Belastung ausgesetzt sind, weit verbreitet. Aufgrund der enthaltenen schmelzpunktsenkenden Metalloide kommt es bei diesen Loten im Lötprozess jedoch zur Ausbildung von Hartphasenbändern in der Mitte der Lötnaht, was mit einer deutlichen Verschlechterung der mechanischen und korrosiven Eigenschaften der Fügeverbindung einhergeht. Die gängigen Ansätze zur Reduzierung der Hartphasen sind geprägt von langen Prozesszeiten, hohen Temperaturen und einem hohen technischen Aufwand zur Limitierung der Lötspaltbreite. Dies resultiert teils in Qualitäts- und Werkstoffproblemen sowie in einer Einschränkung der Wirtschaftlichkeit dieser Lötprozesse.

Im Rahmen dieses Projektes wird ein gänzlich neuer Ansatz zur Lösung dieser Problemstellung untersucht. Nickel- und Eisenbasisloten werden mit Titan bzw. Titandihydrid geimpften, was die gezielte Bildung von Ti-haltigen Ausscheidungen innerhalb des Lötspaltes ermöglicht, welche die Mikrostruktur der Fügeverbindung verändern. Im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen werden dabei die Hartphasen bereits bei kurzen Prozesszeiten durch die Ausscheidungen unterbrochen, verästelt und nicht aufgelöst.

Als Ergebnis dieses Vorhabens liegt ein detailliertes Verständnis für die Ausscheidungsbildung sowie die bestimmenden Werkstoff- und Prozessparameter vor. Zudem wurde der Ansatz auf gängige Lot-/Grundwerkstoffkombinationen übertragen und hinsichtlich der Auswirkungen auf mechanische und korrosive Eigenschaften charakterisiert und qualifiziert. Aufgrund der kürzeren Prozesszeiten und des folglich weniger stark beeinflusst Grundwerkstoffes bietet dieser Ansatz Vorteile hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und Qualitätssicherheit dieser Lötprozesse. Von diesen Vorteilen sowie dem Know-How-Vorsprung profitieren insbesondere Lot herstellende Unternehmen wie auch Lohnlöter, die häufig KMUs sind.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war es, das Aufbrechen und Homogenisieren von spröden Hartphasenbändern in Lötnähten durch das Impfen von Ni- und Fe-Basisloten mit Ti zu einem industriell nutzbaren Ansatz zu entwickeln. Die gezielte Bildung von Ti-Ausscheidungen im flüssigen, bzw. teilflüssigen Lot begünstigt die Ausbildung von verästelten unterbrochenen Sprödphasen, welche ein günstigeres Verhalten bei Belastung aufweisen. Zunächst wurde die Werkstoffkombination Ni 650/X5CrNi18-10 untersucht. Hier hat sich die Ti-Impfung als wirksames Mittel zur Zerstreuung von groben Sprödphasen herausgestellt. Ti-Ausscheidungen bilden sich frühzeitig im flüssigen Lot und dienen als Keimstellen für harte Sprödphasen wie Boride und Silizide. Die Lötnahtmikrostruktur ist somit homogener und die Härteverteilung schwankt weniger stark. Scherzugversuche und Kerbschalgbiegeversuche zeigen bei dieser Werkstoffkombination ein verbessertes Verhalten im Vergleich zu den ungeimpften Referenzproben. Da die Ausbildung von Ti-Ausscheidungen allerdings auch die Benetzung des Substrates mit dem Lot beeinflusst, ist eine Ti-Impfung nur bis zu einem Anteil von ω = 3 Gew.-% und für C-arme Stähle sinnvoll. Ein hoher C-Gehalt des Substrates führt bei geimpften Proben zu einer unzureichenden Benetzung. Des Weiteren sollte die Ti-Impfung auf P-freie Lote beschränkt werden, da sich in diesen durch Ti-Zugabe eine im Vergleich zum Ausgangszustand gröbere Sprödphase mit höheren Härten ausbildet. Insgesamt hat das Forschungsvorhaben gezeigt, dass eine Impfung mit ω = 3 Gew.-% Ti bei C-armen Stählen in Kombination mit P-freien Loten zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt, ohne dass die Löttemperatur und die Lötzeit im Vergleich zum konventionellen, ungeimpften Lot angepasst werden muss. Aufwändige und kostenintensive Methoden zur Vermeidung harter Sprödphasenbänder, wie eine anschließende Diffusionsbehandlung oder eine Reduzierung der Lötspaltbreite, können somit umgangen werden.