Entwicklung eines Ultraschall-gestützten Lötprozesses zum flussmittelfreien Fügen von Hartmetall an Stahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398973434

Beim stoffschlüssigen Fügen von Hartmetall an Stahl mit Hilfe der Löttechnologie ist zur Zeit der Einsatz von Flussmittel unumgänglich. Diese Flussmittel sind nicht nur gesundheitsschädlich, sondern verursachen im Fügeverbund eine nicht zu vernachlässigen und meist auch nicht vollständig vorhersagbare Porosität, die die Festigkeit des Verbundes je nach Größe und Verteilung maßgeblich beeinträchtigt. Eine Substituierung des Flussmittels durch die Erzeugung von Kavitationen im flüssigen Lot mittels der Indizierung von Ultraschallwellen erscheint hierbei als eine vielversprechende Lösung.Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Ultraschall-gestützten Lötprozesses zum flussmittelfreien Fügen von Hartmetall am Stahl. Eigene Vorarbeiten ergaben, dass bei anderen Fügeverbindungen bereits eine Festigkeitssteigerung um das 1,5-fache realisiert wurde. Dabei wurde festgestellt, dass sich Bestandteile des Hartmetalls lösen können und ins flüssige Lot gelangen. Diesen Mechanismus des Herauslösens wie auch das Benetzungsverhalten der Hartmetalle und Stahlsubstrate in einer oxidierenden Atmosphäre unter Einwirkung des Ultraschalls gilt es untersuchen und ein Verständnis für deren Ablauf zu generieren. Daher muss auch eine geeignete Prozessführung entwickelt werden, die möglichst schonend für das spröde Hartmetall ist und somit möglichst hohe Festigkeiten im Fügeverbund erzielt. Die bisher im Stand der Technik betrachteten Werkstoffe wiesen entweder eine hohe Oxidationsbeständigkeit auf (Saphir oder SiC) oder bildeten aufgrund eines günstigen Pilling-Bedworth Verhältnisses eine beständige und sehr dünne Passivierungsschicht aus (Al-, Ti-Legierungen), die durch die Kavitationen aufgebrochen werden. In dieser Hinsicht muss das Oxidationsverhalten bzw. Zunderverhalten des Stahls berücksichtigt werden. Insbesondere bei hohen Prozesstemperaturen neigt der Stahl zur starken und nicht abklingenden Oxidbildung, was im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik mit einer der Herausforderungen dieses Forschungsvorhabens ist. Hierbei muss das Oxidationsverhaltens des Stahls während der Wärmebehandlung und insbesondere beim Löten analysiert werden. Hinzu kommt die Fragestellung, wie weit die Applizierung des Ultraschalls und der damit mechanischen Penetrierung sowie der erzeugten Kavitationen die Oberflächen aktiviert und von den vorhandenen Oxiden befreit werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Norman Sievers