Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zuverlässigkeit von gelöteten Mischverbindungen aus CrNi-Stahl und Aluminiumlegierungen unter Verwendung niedrigschmelzender AlAgCu-Lote

Mit der zunehmenden Verwendung von Aluminiumlegierungen in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie bzw. Elektromobilindustrie und der Hochleistungselektronik steigt auch der Bedarf an geeigneten, zurzeit bedingt verfügbaren Fügetechniken für Aluminium-Stahl-Verbindungen. Im Rahmen des Fachausschusses FA7 „Löten“ des DVS wurde ein deutlicher Bedarf geäußert. Die Eigenschaften von Mischverbunden aus CrNi-Stahl und Aluminiumlegierungen wurden bislang kaum wissenschaftlich untersucht. Der Großteil der bisherigen Erkenntnisse beschränkt sich auf mit unterschiedlichen Verfahren geschweißte Stahl/Aluminium-Verbindungen. In den bestehenden Arbeiten, die sich mit gelöteten CrNi-Stahl/Aluminium-Mischverbindungen beschäftigen, wurden jedoch sowohl die mechanische Charakterisierung als auch die Schädigungsursachen lediglich geringfügig untersucht. Der Fokus des vorliegenden Forschungsvorhabens liegt auf der mechanischen und fraktografischen Untersuchung gelöteter CrNi-Stahl/Aluminium-Mischverbindungen, um letztendlich ein vollständiges Verständnis der Schädigungsursachen zu gewinnen. Hierfür werden niedrigschmelzende AlAgCu-Lote unter Anwendung von optimierten Prozessparametern zum Fügen von Mischverbunden aus CrNi Stahl und Aluminiumlegierungen eingesetzt. Der Vorteil besteht in einer vergleichsweise niedrigen Arbeitstemperatur von ca. 520°C. Daraus ergeben sich stark erweiterte Möglichkeiten zum Fügen von CrNi-Stählen mit hochfesten, bisher nicht lötgeeigneten Aluminiumlegierungen. Die niedrigschmelzenden AlAgCu-Lote können sowohl im Vakuumofen, als auch unter Verwendung der in vielen KMU vorhandenen Lötanlagen, z. B. Schutzgasöfen sowie Flammen- und Induktionslötanlagen, einsetzbar sein. Nach Projektende ist eine direkte Umsetzung der erreichten Ergebnisse in die Praxis möglich. Für die KMU ergeben sich keine zusätzlichen anlagentechnischen Investitionen.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Forschungsvorhaben untersuchten AlAgCuSi-Lote wurden als Drähte und als Folien hergestellt. Mischverbindungen aus CrNi-Stahl und hochfesten Aluminiumlegierungen wurden durch Induktionslöten sowie Vakuumofenlöten hergestellt. Die durch Induktionslöten hergestellten Proben weisen vollflächige Lötverbindungen mit sehr geringer Dicke der Reaktionszone zwischen Lötgut und CrNi-Stahl auf. Diese erreichen eine maximale Zugscherfestigkeit von 32 MPa. Dabei tritt das Versagen im Lötgut neben der Reaktionszone auf. Die Ergebnisse der Ermüdungsversuche zeigen, dass die hergestellten Lötverbindungen die angestrebte Grenzlastspielzahl von 10000000 bei einer Spannungsamplitude von 4 MPa erreichen. Im Vergleich zu induktiv gelöteten Proben ist bei im Vakuumlötprozess hergestellten Verbunden ein deutliches Wachstum der Reaktionszone mit einer Zunahme der Haltezeit zu sehen. Die Reaktionszone besteht aus zwei intermetallischen Schichten: Al2Cu und Al7Fe2Si. Hinsichtlich Anbindung und Mikrostruktur des Lötguts zeigen die vakuumgelöteten Proben ebenfalls eine gute Qualität. Diese Lötverbindungen erreichen eine maximale Zugscherfestigkeit von 18 MPa. Mit Zunahme der Haltezeit sinkt die Zugscherfestigkeit der Lötverbindungen, was auf die Zunahme der Dicke der Reaktionszone zurückzuführen ist. Die große Dicke der Reaktionszone wird durch die Bildung und das Wachstum der intermetallischen Schichten Al7Fe2Si und Al7Fe2Cr verursacht. Die fraktografischen Untersuchungen zeigen, dass die vakuumgelöteten Verbindungen in der Reaktionszone, insbesondere innerhalb der intermetallischen Al7Fe2Si-Schicht, versagen. Die niedrigschmelzenden AlAgCuSi-Lote können sowohl im Vakuumofen als auch unter Verwendung der in vielen KMU vorhandenen Induktionslötanlagen verarbeitet werden. Nach Projektende ist eine direkte Umsetzung der erreichten Ergebnisse in die Praxis möglich. Für die KMU ergeben sich keine zusätzlichen anlagentechnischen Investitionen.