Einsatz silanhaltiger Schutzgase für das flussmittelfreie Hart- und Hochtemperaturlöten in Durchlauföfen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das flussmittelfreie Hart- und Hochtemperaturlöten anspruchsvoller Konstruktionswerkstoffe in Schutzgasöfen ist nur möglich, wenn die eingesetzten (reduzierenden) Schutzgase einen extrem hohen Reinheitsgrad aufweisen. Geringste Verunreinigungen insbesondere mit Wasser oder Sauerstoff führen zu einer drastischen Qualitätsverschlechterung der Lötverbindung bis hin zu einem völligen Scheitern des Fügeprozesses. Die Sicherstellung einer hochwertigen Schutzgasatmosphäre -insbesondere in offenen Lötöfen - bedingt damit aufwendige Ofenkonstruktionen, die Verwendung von Schutzgasen mit hohen Reinheitsgraden sowie hohe Schutzgasdurchsätze, um das Eindringen von Luft in den Ofenraum zu vermeiden. 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-Grundwerkstoffkombinationen aus dem Bereich Titanlöten und Edelstahllöten bestätigen die aus thermodynamischen Betrachtungen postulierte positive Wirkung einer Monosilanzumischung zum Prozessgas. Durch den Einsatz monosilandotierter Schutzgase werden nunmehr Lötprozesse im Durchlaufofen möglich, für die bislang entweder hochwertigere und damit teurere Prozessgase notwendig waren oder grundsätzlich nur ein Vakuumlötprozess erfolgreich war. Der Einsatz monosilandotierter Prozessgase ist aktuell Gegenstand weiterer Forschungsprojekte, die sich mit dem Ofenlöten unter Schutzgas beschäftigen. Im laufenden DFG-Vorhaben „Chemische „in situ“-Schutzgasreinigung zum flussmittelfreien Hartlöten von Aluminiumwerkstoffen“ wird diese Technologie zur Entwicklung eines flussmittelfreien Lötverfahrens für Aluminiumwerkstoffe eingesetzt, wobei hier insbesondere das enge Prozessfenster hinsichtlich Aufheizgeschwindigkeit, Löttemperatur und Schutzgasqualität Gegenstand der Untersuchung ist. Im AiF-Projekt „Bor- und phosphorfreie Nickelbasislote für das Löten im Schutzgasdurchlaufofen“ werden neuartige Nickel-Basislote für das Edelstahllöten im Durchlaufofen entwickelt. Ziel des Projektes ist es u. a., den bislang für derartige Lötprozesse notwendigen Wasserstoff gegen wesentlich kostengünstigeren und ökologischeren Stickstoff als Prozessgas ersetzen zu können. Dieses funktioniert beim Edelstahllöten nur, wenn der Stickstoff durch eine Silandotierung eine ausreichend reduzierende Wirkung erlangt. Neben den genannten bereits laufenden Forschungsprojekten ist die Förderung eines weiteren Lötprojekts, welches sich mit der Entwicklung von neuen Aluminiumloten beschäftigt, bei der DFG beantragt. Die geplanten Lotlegierungen benötigen für ihre Verarbeitung ebenfalls hochreine Prozessatmosphären, die über eine Silandotierung erreicht werden sollen. Neben den genannten Forschungsvorhaben gibt es eine Zusammenarbeit mit einem mittelständischen Unternehmen bezüglich einer industriellen Umsetzung der Thematik für die dort durchgeführten Lötprozesse. Das Verfahren wurde bei diesem Unternehmen bereits erfolgreich an Serienbauteilen getestet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- DE-Patentanmeldung 103 54 358.8 „Verfahren zum Reinigen von Schutzgas“
- SCIP-Self cleaning inert gas brazing, Ein neues Verfahren zum flussmittelfreien Hartlöten korrosionsbeständiger Konstruktionswerkstoffe. In: Tagungsband zum 8. Internationalen Kolloquium Hart- und Hochtemperaturlöten und Diffusionsschweißen (LÖT 2007, Aachen, 19. – 21. Juni 2007)
Bach, Fr.-W.; Möhwald, K.; Holländer, U.; Roxlau, C.
- Neue Entwicklungen beim Hartlöten im Schutzgasdurchlaufofen. In: Tagungsband zum 11. Werkstofftechnischen Kolloquium – WTK Chemnitz, 2008
Bach, Fr.-W.; Möhwald, K.; Holländer, U.; Roxlau, C.
- Physikalisch-chemische Aspekte der Oberflächenaktivierung beim flussmittelfreien Hartlöten im Schutzgasofen. INFO-SERVICE Ausgabe 20 (Dez. 2009), Fachgesellschaft „Löten“ im DVS, Düsseldorf 2009, S. 6-11
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, U. Holländer
- Werkstoffkundliche und prozesstechnische Aspekte zum Hartlöten im Schutzgasdurchlaufofen. 4. Aachener Oberflächenkolloquium, 11. Dez. 2009, Aachen, Shaker Verlag, Aachen, ISBN 978-3-8322-8719-1
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, U. Holländer, J. Schaup, C. Roxlau
