In-Situ-Untersuchung des Erstarrungsverhaltens ausgewählter Aktivlote beim Löten von monokristallinen Diamanten
Final Report Abstract
Mit den ausgewählten Aktivloten wurden auf Hartmetallen und Diamanten Benetzungsversuche durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass das Benetzungsverhalten, welches anhand der Fließgeschwindigkeit und des Benetzungswinkels charakterisierbar ist, mit steigenden Temperaturen verbessert wird. Auf den Hartmetallen existiert allerdings ein Grenzwert, dessen Überschreitung zu einer Verschlechterung des Benetzungsverhaltens führt. Die erzielten Benetzungswinkel auf Diamant waren stets < 25°, während die Winkel auf Hartmetall im Bereich zwischen 75° und 17° lagen. Eine Variation der Oberflächenrauheit der verwendeten Grundwerkstoffe zeigte eine Verschlechterung des Benetzungsverhaltens mit steigenden Rauheitswerten. Dabei ist der Einfluss der Rauheit auf Hartmetall größer als auf Diamant. Die Zunahme der Oberflächenrauheit des Hartmetalls von Ra= 0,47 µm auf Ra= 6,79 µm führt beispielsweise bei Cusil zu einem Anstieg des Benetzungswinkels um 160 %. Auf Diamant war der Anstieg des Winkels um 185 %, bei einer Erhöhung der Rauheit (Ra) von 2,0 µm auf 10,57 µm, zwar ähnlich hoch, die erzielten Winkel waren mit 7° und 20° aber deutlich geringer. Durch eine Untersuchung der Diffusionszone zwischen Hartmetall und Lot im REM konnte festgestellt werden, dass mit zunehmender Löttemperatur die Eindringtiefe des Aktivelementes Titan in das Hartmetall zunimmt. Die Art und Richtung der Wärmeeinbringung in das Lotmaterial hatte bei den hier durchgeführten Versuchen nur einen sehr geringen Einfluss auf das Benetzungsverhalten der verwendeten Aktivlote. Lediglich bei höheren Löttemperaturen konnte gezeigt werden, dass das Benetzungsverhalten, welches anhand der Benetzungswinkel und der mittleren Fließgeschwindigkeit bewertet wird, bei einer gleichmäßigen Wärmeeinbringung etwas besser ist. So sind die erzielten Winkel bei den Versuchen mit Zusatzheizungen und somit einer gleichmäßigeren Wärmeeinbringung etwa 5° – 6° kleiner als bei den gleichen Versuchen ohne Zusatzheizungen. Die Untersuchungen bezüglich des Einflusses des Sauerstoffgehaltes auf den Benetzungswinkel, haben gezeigt, dass bei Drücken oberhalb von 0,1 mbar keine Benetzung auftritt. Die Reinheit des verwendeten Argons sowie des Druckes und somit des Sauerstoffgehaltes haben deutliche Auswirkungen auf den Benetzungswinkel. Bei Drücken geringer als 10-4 mbar konnten bei der Verwendung von Argon 5N als Schutzgas technisch geforderte Benetzungswinkel eingestellt werden. Somit lässt sich aus den durchgeführten Versuchen schlussfolgern, dass ein Löten unter Schutzgas prinzipiell möglich ist, aber sehr reines Argon als Schutzgas verwendet werden muss (>99,999 %). Allgemein ist festzuhalten, dass bei den Proben mit Incusil geringere Benetzungswinkel erzielt werden. Das liegt am höheren Titangehalt von 1,75 % im Gegensatz zum Titangehalt von 1,25 % in Cusil, zudem besitzt es einen geringeren Schmelzpunkt als Cusil. Der Titangehalt in der Verbindungszone ist bei den Incusil Proben mit durchschnittlich 30 % etwa doppelt so hoch, wie bei den Proben, die mit Cusil gelötet wurden. Ein Anteil von über 3 Gew.-% führt zu einer Versprödung der Verbindung. Die starke Anreicherung von Titan in der Verbindungszone führt darüber hinaus zu einem tiefen Eindringen in das Hartmetall (>1 µm).
