Einfluss der Fest-Flüssig-Reaktionen im Lötspalt auf Lötguteigenschaften und Präzision

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Die Präzision eines Lötprozesses kann als das Herstellen einer Fügeverbindung mit definierten reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften durch Nutzung und Variation von werkstoff- und prozesstechnischen Größen definiert werden. Das Verstehen und Beherrschen der Diffusions- und Erstarrungsvorgänge im Lötspalt stellt hierbei eine unbedingte Voraussetzung zur Steigerung der Präzision von Lötprozessen dar. Beim Hartlöten mit beispielsweise Ni-Basisloten, kann es jedoch bei nicht idealen Geometrie und Prozessbedingungen zur Bildung von unerwünschten intermetallischen Phasen im Lötgut kommen, welche einen nicht quantifizierbaren Einfluss auf das Lötgut und auch auf die mechanischen Eigenschaften einer Fügeverbindung haben. Übergeordnetes Ziel dieses Teilprojektes ist es, die präzisionsbestimmenden Faktoren von Hart- und Diffusionslötprozessen und Lötverbindungen zu analysieren, zu verstehen und schlussendlich durch eine gesteigerte Prozessbeherrschung bzw. eine neue Prozessführungsstrategie die Präzision im Lötspalt zu erhöhen. Als Modellanwendung wird hierbei, in Überschneidung zu den Anwendungen weiteren Teilprojekte des SFB 1120, der Formenbau für Druck- und Spritzgussprozesse adressiert.

Um die übergeordnete Zielsetzung der Präzisionssteigerung beim Hart- und Diffusionslöten zu erfüllen, erfolgte in der ersten Phase eine Analyse und Definition der präzisionsbestimmenden Faktoren anhand von Lötverbindungen, bestehend aus Warmarbeitsstahl und dem Ni-Lot Ni 620. In Kooperation mit dem Teilprojekt A06 wurden des weiteren Aluminiumwerkstoffen analysiert, welche mit SnCu-Loten gelötet wurden. Unterstützt durch die Teilprojekte A06 und B07 wurden die Phasenzusammensetzung und -bildung, insbesondere von möglichen Sprödphasen an verschiedenen Lötverbindungen untersucht. Außerdem wurde die thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Wiederaufschmelztemperatur, aber auch die mechanischen Eigenschaften wie Härte und Festigkeit charakterisiert. Parallel erfolgte ebenfalls die Herstellung und Erforschung von amorphen Lotfolien mittels des Melt-Spinning-Verfahren, Abbildung 1. Die Erkenntnisse und insbesondere die amorphen Ni-Basislotfolien stellten einen wichtigen Baustein für die zweite Phase dar.

Ziel der zweiten Phase war es dann, die bereits definierten und analysierten Einflussfaktoren und deren Zusammenhänge zu quantifizieren und auf dieser Grundlage ein übergeordnetes Verständnis für die komplexen Prozesse innerhalb von Hart- und Diffusionslötprozesse zu generieren. Ebenfalls war es das Ziel auf Basis des erworbenen Verständnisses, neue Prozessführungsstrategien für eine Steigerung der Präzision im Lötspalt zu entwickeln. Durch die Nutzung angepasster bzw. Ti-geimpfter amorpher Lotfolien wie auch die Nutzung eines stromunterstützten Diffusionslötprozesses (eng. Electric current-assisted brazing, ECAB), wurde hierbei eine Reduzierung von intermetallischen Phasen bzw. Sprödphasen im Lötprozess von ΔVSpröd. = 15 % anvisiert, Abbildung 2. Hierdurch wurde ebenfalls eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Härte, plastischen Eigenschaften und den Eigenschaftsgradienten im Fügeverbund angestrebt. Durch das Impfen mit Ti konnte eine Zerlegung und Verteilung der Sprödphasen, durch den ECAB-Prozess eine Reduzierung der Sprödphasen um mehr als ΔVSpröd. = 50 % erzielt werden. Gleichzeitig konnte hierbei die Löttemperatur auch in sehr kurzen Lötprozessen von tLöt = 10 min um ΔT = 60 K auf TLöt = 1.000 °C gesenkt werden, was den Grundwerkstoff schont und die Prozesseffizienz erhöht. Insgesamt konnten somit erfolgreich zwei grundlegende neue Prozessführungsstrategien bzw. Ansätze für eine signifikante Präzisionssteigerung im Lötspalt gefunden werden, Abbildung 3.

Ziel der geplanten dritten Phase ist es, die Diffusions- und Erstarrungsvorgänge im Lötprozess mithilfe der beiden neuen Prozessführungsstrategien aus der zweiten Phase zu beherrschen und hierdurch die Präzision der Lötprozesse und der Lötverbindungen prädiktiv zu erhöhen. Dabei steht insbesondere die reproduzierbare und definierte Zerlegung und Verteilung der intermetallischen Sprödphasen in der Lötnaht und die Reduzierung von diesen Sprödphasen um mindestens ΔVSpröd. = 80 %, durch die Steuerung von Werkstoff- und Prozessparametern beim ECAB-Prozess im Vordergrund. Zur besseren Prozessbeherrschung soll hierbei die Stromdichte gesteigert werden, ohne jedoch die Joulesche Erwärmung innerhalb der Probe zu steigern. Hierzu soll ein gesteuerter hybrider ECAB-Prozess angewendet werden, in welchem der Gleichstrom mit Strompulsen hoher Amplitude überlagert wird. Hieraus ergeben sich weitere anwendbare Steuergrößen wie Frequenz, Amplitude, Pulsform usw., welche eine Steigerung der Präzision durch das ECAB bei einer beherrschbaren Jouleschen Erwärmung ermöglichen. Neben dem hybriden ECAB-Prozess werden zudem die geimpften amorphen Ni-Lotfolien weiter erforscht. Hierbei steht insbesondere die Verwendung von Refraktärmetallen mit einer geringeren Affinität zu B und C als Ti, aber einer höheren Affinität als Cr im Fokus. Ähnlich wie bei Ti-stabilisierten Stählen wird hierbei die Bildung von kleineren Ausscheidungen erwartet, wodurch die Erstarrungskinetik des Lötgutes z.B. aufgrund der heterogenen Keimbildung weiter begünstigt werden kann.

 
Wärmebild des Melt-Spinning-Prozesses von geimpften amorphen Lotfolien Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 1: Wärmebild des Melt-Spinning-Prozesses von geimpften amorphen Lotfolien
 
 
 
Versuchsaufbau im Vakuumofen für den ECAB-Prozess (A) und Prozessablauf (B) Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 2: Versuchsaufbau im Vakuumofen für den ECAB-Prozess (A) und Prozessablauf (B)
 
  REM-Aufnahmen von Lötverbindungen bestehend aus X38CrMoV5-1, gelötet mit und ohne Anwendung des ECAB-Prozesses und von Ti-geimpften amorphen Ni 620-Lotfolien Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 3: REM-Aufnahmen von Lötverbindungen bestehend aus X38CrMoV5-1, gelötet mit und ohne Anwendung des ECAB-Prozesses und von Ti-geimpften amorphen Ni 620-Lotfolien