Thermodynamische Verfahrensoptimierung zum Fügen von Magnesiumlegierungen mit rasch erstarrten Lotwerkstoffen.
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Löten von Magnesiumbasislegierungen wie AZ31 und AZ91 ist mit binären MgZn- bzw. ternären MgZnAl-Legierungen möglich. Bei der Verwendung von binären Lotlegierungen zum Fügen der Magnesiumbasislegierung AZ31 verbleibt die intermetallische Phase Mg7Zn3 auch nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur stabil. Da diese Phase hart und spröde ist, zielen die durchgeführten Arbeiten darauf ab, diese zu vermeiden. Die experimentellen und theoretischen Untersuchungen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens haben gezeigt, dass mit einer Zugabe von ca. 2 Gew.-% Aluminium die Bildung dieser Phase vermieden werden kann. Die Empfehlung für das löttechnische Fügen von Magnesiumbasislegierungen wird daher für AZ31 und das ternäre eutektische magnesiumreiche MgZnAl-Lot ausgesprochen, sowie für AZ91 und das binäre eutektische MgZn-Lot. Dabei sollte die Ultraschalleinwirkzeit nicht länger als 5 s betragen. Die Fügetemperatur sollte knapp über der jeweiligen Schmelztemperatur des eingesetzten Lotes liegen (ca. 350 ° C). Die Haltezeiten beim Löten richten sich nach der Lötnahtbreite und dem Zn-Gehalt des Lotes. In den vorliegenende Untersuchungen wurde sie so kurz wie möglich gewählt (gleiche Dauer wie Ultraschalleinwirkzeit). Die durchgeführten thermodynamischen Berechnungen wurden anhand der einzelnen Legierungen, der Lotmischungen und ihrer Kombination analysiert. Der Vergleich der Berechnungen mit den experimentellen Untersuchungen führt zu folgenden Punkten: • Binäre Mg-Zn Lote sind vor allem für Legierungen mit höherem Al Gehalt (z.B. AZ91) geeignet. Dabei muss es sicher sein, dass der Lötprozess lange genug dauert, damit die Al Atome in die Lötzone eindiffundieren können. Ist zu wenig Al vorhanden, bildet sich die intermetallische Phase Mg7Zn3. Die Diffusionsrate wird durch Ultraschallbehandlung beeinflusst, je länger die Ultraschalldauer, desto schneller verläuft die Diffusion. • Für Lote mit niedrigerem Al-Gehalt (Ausgangspunkt – binäres Mg-Zn Eutektikum) in Kombination mit der AZ31-Legierung enthält die Lötschicht weniger Al und das Gefüge besteht laut Berechnung vor allem aus (Mg) und MgZn. Die Grenze dafür sind ca. 3 Gew.-% Al in Lot und Grundwerkstoff • Für Lote mit einem Al-Gehalt über 3 Gew.-% entstehen andere Gefüge; es treten die Phasen τ- AlMgZn und φ-Mg6(Al,Zn)5 in kleinen Phasenanteilen auf. • Das Konzept der Diffusionspfade wurde hier qualitativ angewendet. Es zeigt sich, dass die Vorhersage der Zusammensetzung der Lotzone qualitativ möglich ist und kann in den untersuchten Systemen auch für Lote benutzt werden. Wichtig für das Verständnis ultraschallunterstützter Lötprozesse sind die Vorgänge, die zum Zerstören der Oxidschichten führen (z.B. Kavitationseffekte). Eine genaue Untersuchung, worauf der Effekt der Zerstörung der Oxidschichten beruht, könnte eine gezielte Anpassung der Prozessführung ermöglichen. In einzelnen Fällen wurden in den Lötzonen der untersuchten Proben Defekte in der Form von Gasblasen entdeckt. Das Auftreten von solchen Defekten kann die mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung verschlechtern. Im Hinblick auf den Charakter unserer Legierungen entsteht der Verdacht der Bildung von Wasserstoffblasen. Jedoch wurden bisher in der Literatur nur die thermodynamische Beschreibungen von einzelnen binären Systemen eines Metalls mit Wasserstoff publiziert (z.B. Al-H, Mg-H usw.). Es zeigt sich ein Bedarf an der thermodynamischen Beschreibung multikomponentiger metallischer Systeme mit Wasserstoff. Ein aus dieser Arbeit hervorgegangenes System wäre dann das komplexe quaternäre System Mg-Al-Zn-H. Die thermodynamische Beschreibung könnte die Bildung der aufgetretenen Defekte besser erklären und ermöglichte deren Vermeidung. Die thermodynamischen Berechnungen lassen außerdem für vorher angegebene Bedingungen die Bestimmung der Phasenbildung und der Phasenstabilität zu. Beim Löten spielt auch die Diffusion eine wichtige Rolle. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass beim Löten nur das lokale Gleichgewicht an der Grenze Lot/Grundmaterial erreicht wird. Dabei scheint der Einsatz der Diffusionssimulation in Verbindung mit thermodynamischen Berechnungen hilfreich zu sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Crystallization Behaviour of Amorphous Mg-Zn-Al-Alloys. Advanced Engineering Materials, 10 (2008) Nr. 5, S. 439-443
Wielage, B.; Böttger, T.; Fritsche, G.; Mücklich, S.
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Investigations into the microstructural optimization of magnesium soldered joints. In: Proc of the 4th Int. brazing and Soldering Conf., Orlando 2009, S.357-360. ISBN: 978-0-87171-751-1
Mücklich, S.; Wielage, B.
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Thermodynamic Behavior and Microstructural Development during Soldering of Magnesium Alloys. In: Proc. of 8th Int. Conf. on Magnesium Alloys and their Applications, Weimar 2009, WILEY-VCH, Weinheim, 1018 ff.
Mücklich, S.; Hampl, M.; Wielage, B.; Schmid-Fetzer, R.
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Thermodynamics of magnesium alloy solders, presented at the Calphad XXXVIII Conference, Mai 17-22, 2009, Prague, Czech Republic
Hampl, M.; Mücklich, S.; Wielage, B.; Schmid-Fetzer, R.
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ergleichende Untersuchungen zum Löten von Magnesiumknet- und Magnesiumgusswerkstoffen. DVS-Berichte, Band 263 (2010), S. 122-126., ISBN: 978-3-87155-589-3
Wielage, B.; Lampke, T.; Mücklich, S.; Kümmel, S.
