Kaltgasspritzen von Al-basierten Lotwerkstoffen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Fortsetzungsvorhabens wurden als Lotwerkstoffe Al12Si, Al7,5Si, Al10Si4Cu und reines Si verwendet. Aluminium EN AW 1050 und Al-Legierungen EN AW 6060, 6063, 3003 und 5754 wurden als Substratmaterialien eingesetzt. Die Beschichtungsversuche zeigten, dass sowohl die Auswahl der Lotwerkstoffe als auch die Spritzparameter die Schichtbildung stark beeinflussten. So lag die erforderliche Prozessgastemperatur für Al, Al7,5Si und Al12Si zwischen 230 und 320 °C , während für Al10Si4Cu mindestens 480 °C erforderlich war. Der Grund dafür lag darin, dass die kritischen Geschwindigkeiten der Partikel zum Auftrag während des Spritzprozesses durch die harten Phasen Si und Al2Cu erhöht wurden. Mit hohen Prozesstemperaturen von mehr als 500 °C ließ sich eine dünne Si-Schicht herstellen. Der Auftragwirkungsgrad der Lotpulver ließ sich im Allgemein durch Erhöhung der Prozessgastemperatur und Gasdurchflussmenge steigern. Durch geeignete Wahl von Prozessgastemperatur, Gasdurchflussmenge und Oberflächengeschwindigkeit (relative Geschwindigkeit zwischen der Spritzpistole und der Oberfläche) konnte die Schichtdicke eingestellt werden. Die Dicke der meisten Lotschichten wurde gezielt zwischen 40 und 100 μm variiert. Die Mikrostrukturuntersuchungen der wärmebehandelten Proben zeigten, dass Elemente wie Mg und Si bei der Wärmbehandlung vom Substrat in die Schicht und umgekehrt von der Schicht in das Substrat hinein diffundierten. Beispielsweise wurden 0,39 Gew.- % Mg an der Oberfläche einer 50 μm dicken Al10Si4Cu-Schicht gemessen, nachdem die belotete Probe aus EN AW 5754 unter Argonatmosphäre bei 500 °C für 1 Minute wärmebehandelt wurde. Die Wärmebehandlung an Luft oberhalb der Liquidustemperaturen der Lotwerkstoffe zeigte, dass eine gute metallurgische Verbindung zwischen Substraten und Lotwerkstoffen, trotz des Luftsauerstoffs, realisiert werden konnte. Der Grund dafür war, dass das lokale Brechen der Oxidhaut bei der Schichtbildung die Diffusion der Elemente im Grenzenbereich begünstigen konnte. Die Lötversuche zeigten, dass sowohl die Lotwerkstoffe als auch die Substratmaterialien das Fügverhalten der beloteten Proben stark beeinflussten. Beispielsweise ließen sich die Al12Si-beloteten Proben aus EN AW 6060 und 6063 gut unter Argonatmosphäre bei einer Arbeitstemperatur zwischen 580 und 600 °C flussmittelfrei löten. Im Vergleich mussten die mit Al12Si beloteten Proben aus EN AW 1050 und 3003 bei höheren Arbeitstemperaturen von bis zu 620 °C gelötet werden. Die Al7,5Si beloteten Proben benötigten im Allgemeinen höhere Prozesstemperaturen als die Al12Si-beloteten Proben. Dagegen konnte die Si-Schicht auf EN AW 1050 und 3003 die Arbeitstemperatur wieder auf 580 °C senken. Die Al10Si4Cu sowie mit Si beschichteten Proben aus hoch-Mg-haltigem EN AW 5754 konnten bei einer Arbeitstemperatur unter 565 °C flussmittelfrei gefügt werden. Der Grund dafür lag darin, dass der höhere Gehalt an Si das Aufbrechen der Oxidhaut beim Löten begünstigt. Die Scherfestigkeit der Lötverbindungen wurde in Zugversuchen ermittelt. Die Substratmaterialien, die Lotwerkstoffe, die Lotschichtdicke sowie die Überlappbreite beeinflussten die Scherfestigkeit der Lötverbindungen. Der höchste Wert der flussmittelfrei gelöteten Proben aus EN AW 6060 mit einer Al12Si-Schicht lag bei 80 MPa, während die maximale Scherfestigkeit der Proben aus EN AW 5754 mit einer Al10Si4Cu-Schicht 49,7 MPa betrug. Ein wichtiger Grund für den Unterschied lag darin, dass das hohe Mg-Gehalt in EN AW 5754 das Aufbrechen der Oxidhaut beim Löten erschwerte. Die Scherfestigkeit nahm tendenziell mit zunehmender Schichtdicke und Überlappbreite ab. Die mikrostrukturelle Untersuchung der Bruchflächen zeigte, dass die Proben zum größten Teil in der Lötnaht versagten und dass Fehlstellen in der Lötnaht die Festigkeit der Lötverbindungen beeinträchtigten. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens erarbeiteten Ergebnisse sind gegenüber dem Stand des Wissens zum Zeitpunkt der Antragstellung neu und national sowie international bislang auch nicht von anderen Forschern berichtet. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die mittels Kaltgasspritzens beloteten Al-Legierungen unter Argonatmosphäre durch Induktionsheizung flussmittelfrei gelötet werden können. Wissenschaftlich interessant und technisch sinnvoll ist es, in der Zukunft die Eignung der beloteten Al-Legierungen zum flussmittelfreien Löten auch in einem Durchlaufofenprozess unter Stickstoffatmosphäre ohne oder mit Zumischung von reduzierenden Gasen zu untersuchen, da der Durchlaufofenprozess für die industrielle Massenproduktion, wie etwa bei der Herstellung von Wärmetauschern, von großem Interesse ist. Außerdem sollte das Löten von Al-Legierungen durch die in-situ Lotbildung von einer dünnen Si-Schicht weiter systematisch und eingehend untersucht werden, da die Arbeitsschritte in der industriellen Produktion dadurch wesentlich verkürzt werden. Ein weiterer Forschungsbedarf liegt möglicherweise in der Entwicklung von geeigneten Lotwerkstoffen und Lötprozessen zur Herstellung von Lötverbindungen zwischen Stählen und Al-Legierungen mithilfe der Kaltgasbelotung. Es ist dadurch möglich, Lötverbindungen mittels Laser- oder Plasmaverfahren flussmittelfrei lokal herzustellen. Die potentiellen Anwendungen bezüglich der Belotung mittels Kaltgasspritzens liegen in der Herstellung von Wärmetauschern- sowie Kühlkörpern aus Al- Legierungen. In Autoindustrie ist es denkbar, durch den Einsatz von beloteten Blechen leichte Mischbauweisen aus Stählen und Al-Legierungen herzustellen. Außerdem ist es möglich, diese Technik bei der Herstellung von Haushaltswaren wie z. B. Schnellkochtöpfen einzusetzen, damit hier auf die Verwendung von Flussmitteln verzichtet werden kann. Über Al-Legierungen hinaus ist es prinzipiell denkbar, mit Hilfe der Kaltgasbelotung andere schwer benetzbare Werkstoffe etwa wie Titan flussmittelfrei zu löten.
Publications
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K. Bobzin, L. Zhao, Thomas Schlaefer, Thomas Warda
