Chemische "in situ" -Schutzgasreinigung zum flussmittelfreien Hartlöten von Aluminiumwerkstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die grundsätzliche Problematik beim Löten von Aluminiumwerkstoffen ist die Aktivierung der Bauteiloberflächen für den Lötprozess. Sowohl der Grundwerkstoff selbst als auch die Lote weisen aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität der Legierungsbestandteile immer eine chemisch außerordentlich stabile, oxidische Deckschicht auf, die zum einen die Benetzung unbeschichteter Werkstoffe mit dem Lot verhindert, zum anderen auf lotbeschichteten Komponenten als trennende Oxidhaut auf dem schmelzflüssigen Lot die Fließfähigkeit des Lotes einschränkt sowie eine Kontaktierung zum Fügepartner erschwert. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird beim Aluminiumlöten unter Schutzgas ein Flussmittel aus Kaliumfluoroaluminat eingesetzt. Der Lötprozess findet in einem Schutzgasofen (Batch- oder Durchlaufofen) in der Regel unter Einsatz einer Stickstoffatmosphäre statt. Die Oberflächenaktivierung erfolgt durch eine Auflösung der Oxidhaut im die Bauteiloberflächen bedeckenden Film aus schmelzflüssigem Fluoroaluminat. Der Einsatz dieses Flussmittels ist sowohl aus prozesstechnischer Sicht als auch aus Umwelt- und Arbeitssicherheitsaspekten nachteilig und folglich ist der Verzicht auf Flussmittel ein wesentlicher Forschungsschwerpunkt bei der Weiterentwicklung von Aluminiumlötprozessen. Das in diesem Forschungsprojekt entwickelte Verfahren beruht auf dem Einsatz „selbstreinigender“ Schutzgasmischungen. Dem Schutzgas wird in Form von Monosilan ein hoch reaktives, stark reduzierendes gasförmiges Agens zugesetzt, welches in der Lage ist, sich schon bei Raumtemperatur quantitativ mit allen reduzierbaren Verunreinigungen – insbesondere Wasser und Sauerstoff – umzusetzen und damit – selbst bei Einsatz von Schutzgasen minderwertiger Qualität oder bei Eindringen von Umgebungsluft in den Ofenraum innerhalb des Ofens – permanent eine absolut wasser- und sauerstofffreie Prozessatmosphäre sicherstellt. Die durch das Projekt gewonnenen Erkenntnisse bei Einsatz von Monosilan zeigen, dass bereits bei Zudotierung dieses Hydrids im zwei- bis dreistelligen ppm-Bereich kein Restwasser- resp. Restsauerstoff mehr nachweisbar ist. Die durchgeführten Lötversuche mit unterschiedlichen Lot-Grundwerkstoff- Kombinationen aus dem Bereich Aluminiumlöten bestätigen die aus thermodynamischen Betrachtungen und Messungen postulierte positive Wirkung einer Monosilanzumischung zum Prozessgas. Durch den Einsatz monosilandotierter Schutzgase werden nunmehr flussmittelfreie Aluminiumlötprozesse im Durchlaufofen möglich, für die bislang nur ein Vakuumlötprozess erfolgreich war. Der Einsatz silandotierter Prozessgase ist aktuell Gegenstand eines weiteren Forschungsprojekts, welches sich mit dem Ofenlöten von Aluminum beschäftigt. Das im August 2010 begonnene DFG-Projekt „Lithiumhaltige Hartlote für das flussmittelfreie Löten von Aluminiumlegierungen im silandotierten Schutzgasofenprozess“ beschäftigt sich mit der Entwicklung lithiumhaltiger Aluminiumlote. Die hier zu entwickelnden Lotlegierungen benötigen für ihre Verarbeitung hochreine Prozessbedingungen, die im Schutzgasofen ebenfalls über eine Silandotierung erreicht werden sollen. Neben den genannten Forschungsvorhaben gibt es eine Zusammenarbeit mit zwei mittelständischen Unternehmen bezüglich einer industriellen Umsetzung der Thematik für die dort durchgeführten Lötprozesse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Physico-chemical aspects of surface activation during fluxless brazing in shielding-gas furnaces. Key Engineering Materials Vol. 438 (2010), Trans Tech Publications, Switzerland, pp 73-80
Bach, Fr.-W.; Möhwald, K.; Holländer, U.
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Fluxless Brazing of Aluminium in a Continuous Furnace Using Silane Doped Process Gases. Euro ECAA, Conference on Aluminium Science and Technology, 5 - 7 October 2011 in Bremen
U. Holländer, F.-W. Bach, K. Möhwald
