Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zuverlässige Metall-Keramik-Verbunde über das Reaktivlöten an Luft mittels alternativer Erwärungsverfahren

Im gemeinschaftlichen Forschungsprojekt MetCeRAB zwischen dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme und dem Lehrstuhl für Werkstofftechnologie der TU Dortmund wird ein industriell einsatzfähiger, reaktiver Lötprozess für die kostengünstige Herstellung von keramischen und metallkeramischen Verbunden entwickelt. Die erworbenen Erkenntnisse aus den grundlegenden Untersuchungen innerhalb des Prototypenbaus von SOFCs zum Reaktivlöten an Luft (engl. RAB) werden genutzt, das Anwendungsspektrum dieses innovativen Fügeverfahrens auf weitere und für die keramische Industrie relevante Werkstoffkombinationen zu erweitern. Durch den Verzicht auf teure oder aufwendige Atmosphären (Schutzgas & Vakuum) und dem Einsatz alternativer Wärmequellen (Induktion) findet eine nachdrückliche Kostensenkung statt. Durch eine zielgerichtete Prozessentwicklung werden geeignete Lotsysteme für oxidische und nichtoxidische Keramikwerkstoffe hergestellt. Geeignete Analyseverfahren wie die mikroskopische Analytik (REM) und die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung klären die elementaren Ursachen für beobachtete Festigkeitsminderungen wie starke Porenbildung und verschiedene Grenzflächenreaktionen im Lötgut auf und werden in Richtlinien zur Handhabung der Prozesse formuliert. Zum Projektende werden in Diskussion mit den beteiligten Unternehmen anwendungsrelevante Demonstratoren definiert, hergestellt und getestet. Somit erhalten Unternehmen in der keramischen Industrie geeignete Lotsysteme und Prozesse samt Handhabungsparameter zum kostengünstigen Löten von Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid untereinander und mit metallischen Werkstoffen wie Stahl. Durch die geringen Investitionskosten können die Unternehmen diese innovativen Verfahren schnell in ihre Fertigungslinien integrieren und durch die neuen Fügemöglichkeiten ihr Produktspektrum erweitern, wie auch die Herstellungskosten signifikant reduzieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Vorhaben MetCeRAB wurden neue Lotzusammensetzungen für das Fügen von Metallen und Keramiken an Luft in der Applikationsform von Pasten sowie alternative Erwärmungsverfahren für schnelle Lötprozesse entwickelt. Mit den neuen Lotzusammensetzungen unter Verwendung gröberer Silberpulver und der Zulegierung von Palladium konnten das bekannte, schwerwiegende Fehlerbild der übermäßigen Lunkerbildung in den Lotnähten unterdrückt werden. Ein besonderer Fokus wurde auf die Auswahl der Stahlsorten als metallische Fügepartner gelegt, da hier Wechselwirkungen mit den Lote auftreten, die zu defektreichen Grenzflächen auf Seite des metallischen Fügepartners führen. Hier konnte gezeigt werden, dass insbesondere ferritische Stähle, die dichte oxidische Schichten ausbilden können, auch beim Reaktivlöten die qualitativ besten Grenzschichten ausbilden. Insgesamt muss aber festgestellt werden, dass selbst Stähle, die an Luft bis ca. 1000 °C als hochtemperaturbeständig gelten, mit dem Kupfer-Anteil der Lote komplexe, mit Poren durchsetzte oxidische Phasen an der metallseitigen Grenzfläche ausbilden. Dieses Verhalten engt die für das Reakivlöten geeigneten Stahlsorten leider deutlich ein. Festigkeitsmessungen reaktiv gelöteter Verbunde aus ZrO2 und dem ferritischen Stahl Crofer22 haben Werte gezeigt, die mit Literaturdaten vergleichbar sind. Weiterhin konnten neben dem konventionellen langsamen Ofenlöten die induktive Erwärmung sowie ein, mit schnell erwärmenden keramischen Heizelementen ausgestatteter, Ofen für das Reaktivlöten qualifiziert werden. Mit Hilfe der Ultraschalltechnik und einem eigenentwickelten In-Situ-Ultraschallprüfstand konnte der Zustand des Lotes während des Induktionslötprozesses bestimmt werden. Dabei zeigte sich eine Abhängigkeit des reflektierten Ultraschallsignals mit dem Zustand des Lotes. Somit konnten sowohl Aufschmelz- als auch Erstarrungsvorgänge bestimmt werden.