In-situ Untersuchungen der physikalisch-chemischen Mechanismen der Oberflächenaktivierung von Edelstählen bei Wärmebehandlungen unter lötprozessähnlichen Bedingungen im reduzierenden Schutzgas

• Antragsteller: Professor Dr. Ronald Reinhard Frahm; Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 268192580

Die Desoxidation von Bauteiloberflächen in einem Ofenlötprozess unter reduzierendem Schutzgas ist Voraussetzung für deren Benetzbarkeit mit Lot und entscheidet über den Prozesserfolg und die Qualität der resultierenden Lötverbindungen. Während die notwendigen thermodynamischen Voraussetzungen für die Reduktion von nativ oxidierten Edelstahloberflächen mit reduzierenden Agentien im Prozessgas (Wasserstoff, Monosilan etc.) bekannt sind, ist die Kinetik dieser Reaktionen bislang noch nicht erforscht worden. Letzteres ist aber essentiell für ein grundsätzliches Prozessverständnis und Voraussetzung für die Weiterentwicklung von flussmittel¬freien Lötprozessen unter Schutzgas. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von mit Monosilan dotiertem Stickstoff als kostengünstige und ressourcenschonende Alternative zu konventionell verwendetem Wasserstoff für das Löten von Stahlwerkstoffen von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse.Projektziel ist es, die physikalisch-chemischen Mechanismen der Oberflächendesoxidation beim Löten von Edelstählen in einem Schutzgasdurchlaufofen bei Verwendung wasserstoff- und silanhaltiger Prozessgase zu untersuchen. Die geplanten Experimente sollen Informationen über die ablaufenden Reaktionen und die Oberflächenzustände liefern, die Grundlage für eine gezielte Weiterentwicklung flussmittelfreier Schutzgaslötprozesse in Richtung niedrigerer Verarbeitungstemperaturen, robusterer Prozessbedingungen und der Verarbeitung anspruchsvoller Stahlwerkstoffe sind.Im Rahmen des Projekts werden zunächst thermodynamische Simulationen durchgeführt und analytische Transportmodelle für den vorliegenden Prozess erweitert. Zur Verifizierung der Simulationen bzw. des Modells sollen die ablaufenden chemischen und physikalischen Reaktionen unter lötprozessähnlichen Bedingungen in-situ auch zeitaufgelöst untersucht werden, wobei Informationen zu Änderungen der Kristallstruktur, der atomaren Koordination (Bindungsabstände, Koordinationszahlen) und der chemischen Bindungszustände sowie über auftretende Diffusionsprozesse, die für die Aufklärung der Kinetik elementar sind, gewonnen werden sollen. Hierzu werden die Methoden TR-XRD (Time Resolved X-ray Diffraction) sowie Röntgenabsorptionsspektroskopie (EXAFS/XANES) unter Verwendung von Synchrotronstrahlung eingesetzt. Das Nachstellen von realistischen Prozessbedingungen für die spektroskopischen Messungen erfolgt in einer Hochtemperaturkammer für Röntgenexperimente, die eigens angefertigt wird.Die Messungen werden an der Dortmunder Elektronenspeicherringanlage DELTA, an dem die AG Frahm zwei Röntgenbeamlines betreibt, als auch an der Schweizer Synchrotronstrahlungsquelle SLS sowie der europäischen Quelle ESRF durchgeführt. Mithilfe der Kombination aus röntgenographischen Messungen und Lötversuchen soll so ein Modell aufgestellt werden, das die chemisch-physikalischen Vorgänge der ablaufenden Oberflächenreaktionen bei Schutzgaslötprozessen beschreibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Dirk Lützenkirchen-Hecht; Professor Dr.-Ing. Kai Möhwald