Vakuumlöten - ein hochwertiger Fügeprozess (Teil 3) Lötanwendungen

Rostfreie Stähle zum Vakuumlöten

Das Vakuumlöten von Produkten aus rostfreiem Stahl wird angewendet für unter anderem folgende Bauteile:

Wärmetäuscher,
Kühl-und Heizplatten,
Vakuumbehälter,
Spritzguss Formen und
Turbokompressoren.

Die rostfreien Stahlsorten sind unterteilbar in fünf Gruppen:

Ferritischer Chromstahl (nicht Härtbar)
Martensitische- und Ferritisch-Martensitische Chromstahlsorten (Härtbar)
Austenitische Chromnickelstahlsorten (nicht Härtbar)
Präzipitationshärtende rostfreie Stahlsorten (Härtbar)
Duplex- Stahlsorten

Rostfreie Stahlsorten können meistens ohne Vorbehandlung in Vakuumöfen gelötet werden. Folgende Materialkombinationen sind möglich:

Rostfreie Stahlsorten aus verschiedenen Gruppen.
Konstruktions-und Werkzeugstahlsorten
Nickel-und Nickellegierungen
Kupfer-und Kupferlegierungen
Superlegierungen
Wolfram und Molybdän

Bei Materialkombinationen müssen die Unterschiede in der thermische Ausdehnung und das Korrosionsverhalten der verbundenen Materialen betrachtet werden. Wenn ein austenitischer, rostfreier Stahl in einem Vakuumofen gelötet wird, ist es sehr empfehlenswert einen“ Löw Carbon “Typ(niedriger C-Gehalt) zu wählen. Die Korrosionsfestigkeit vom rostfreien Stahl wird dann nicht durch die Lötbehandlung beeinträchtigt.

Diese L-Qualitäten sind viel weniger empfindlich für die Ausscheidung von Chromkarbiden beim Abkühlen der Teile am Ende des Lötzykluses. Diese Bildung von Chromkarbiden ist sehr unerwünscht, weil sie zur Chromverarmung führt und das Material anfällig für die interkristalline Korrosion wird.

Kaltverfestigte Produkte von nicht härtbaren, rostfreien Stahlsorten werden beim Vakuumlöten weichgeglüht.

Härtbare, rostfreie Stahlsorten werden bevorzugt bei der Härtetemperatur des Werkstoffes gelötet, wodurch sie in einer einzigen Behandlung gelötet und gehärtet werden.

Präzipitationshärtende, rostfreie Stahlsorten werden auf der Lösungsglühtemperatur gelötet, und anschließend durch eine Auslagerungs-Glühbehandlung gehärtet.

Ein Turbokompressor-Verdichterrad aus Werkstoff 17-4 PH wird bis zur Streckgrenze des Basismaterials belastet. Die Bruchfestigkeit der im Vakuumofen gelöteten Verbindung beträgt 1120 MPa.

Die Korrosionsfestigkeit der gelöteten Verbindung ist abhängig von der Kombination des Basismaterials, dem Lötwerkstoff, der durchgeführten Wärmebehandlung und dem korrosivem Umfeld. Mit Lotsorten auf der Basis von Nickel oder Edelmetall können gute Korrosionseigenschaften erzielt werden. Es ist dabei wichtig, die Konstruktion so auszuführen, dass die Lötspalte völlig gefüllt werden und damit Spaltkorrosion vermieden wird.

Kohlstoffstahl

Kohlstoffstahl wird unterteilt in:

Konstruktionsstahl
Veredlungsstahl
Automatenstahl

Kupfer gelöteter Schalthebel

Karbonitrierstahl
Nitrierstahl
Werkzeugstahl

Vakuumlöten von niedrig-und hochlegiertem Kohlstoffstahl wird in großem Stil in fast allen Marktsegmenten angewendet.

Massenteile für die Automobilindustrie oder den Werkzeugbau werden aus wirtschaftlichen Gründen in Durchlauföfen mit einer reduzierenden Gasatmosphäre gelötet. Abmessungen und Gewichte der Bauteile sind hierbei ein einschränkender Faktor.

In Vakuumöfen dagegen können sehr kleine als auch sehr große Teile gelötet werden. Produkte mit einen Gewicht von 500 kg ist hierbei keine Ausnahme. Für unlegierten- und niedriglegierten Stahl wird meistens ein Kupferlot verwendet. Für hochlegierte Materialen finden dagegen mehr Nickellote oder Lote auf Basis von Edelmetallen(Ni- Au, Ni-Pd, Ag-Cu) Anwendung.

Beispiele für Anwendungen sind:

Kettenräder, Kupplungen, Massenteile, Ölkühler, Ventilhäuser, Hebel aus unlegiertem - oder niedrig legiertem Kohlstoffstahl.
Turboverdichterräder, Diaphragmen, Spritzgussmatrizen, Messer. Maschinenteile aus niedrig-oder hochlegiertes Kohlstoffstahl.

Kohlstoffstahl kann gelötet werden unter anderem auf rostfreiem Stahl, Gusseisen, Hartmetall und Kupfer. In einigen Fällen kann eine zusätzliche Wärmebehandlung notwendig sein. Meistens wird diese mit dem Lötprozesskombiniert. Behandlungsprozesse wie Nitrieren, Karbonitrieren, thermisches Verzinken, chemisch- oder elektrolytisch Vernickeln müssen unbedingt nach dem Lötprozess durchgeführt werden.

Gusseisen

In 1969 kam bei einer Wertanalyseuntersuchung von Abgasventilgehäusen für industriellen Dieselmotoren der Gedanke auf, Gusseisen in einem Vakuumofen zu löten. Nach dieser Überlegung könnte dies eine Produktionskosten-Ermäßigung von etwa 30% ergeben. Weil das Ventilgehäuse jetzt aus mehrere Teilen gefertigt werden kann, sind die Gussteile einfacher von Form und verschiedene Materialen können kombiniert werden. Ursprünglich gelang es nicht reproduzierbare Produkte zu fertigen. Die Zusammensetzung und Gusseisen-Qualität waren maßgebend für das Erzielen einer konstanten Qualität. Ein weiteres Untersuchungsprogramm befasste sich mit der Festlegung der mechanisch-technologischen Werte der vakuumgelöteten Verbindungen zwischen verschiedene Arten von Gusseisen und in Kombination mit unterschiedlichen Stahlsorten.

Die folgenden technologischen Eigenschaften sind festgestellt worden:

Dehngrenze und Bruchfestigkeit
Bruchfestigkeit bei erhöhten Temperaturen bis 600°C
Scherfestigkeit
Dauerfestigkeit mittels Rotationsbiegeversuch
Härte und Struktur des Basismaterials.

Aus den Resultaten ergab sich, dass Vakuumlöten eine überragende Verbindungstechnik ist für das Fügen von Gusseisen. nahezu gleich wie die des Basismaterials.

Vakuumgelötete Ventilgehäuse aus Gußeisen

Ein Nachteil ist jedoch, dass beim Erhitzen von Gusseisen oberhalb von 400°C eine bleibende Volumenvergrößerung auftritt, bedingt durch die Gefüge- Umwandlung von Zementit in Ferrit und Graphit. Die Größe des Wachstums ist abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Gusseisens. Die Elemente Cr und Mn stabilisieren den Zementit und wirken dem Wachstum entgegen.Durch diese unkontrollierbare Maßänderung haben stumpfgelötete Verbindungen einen Vorteil gegenüber Stift-Lochverbindungen.

In 1974 hat die Produktion von vakuumgelöteten Ventilgehäuse angefangen. Die wichtigste Anwendung in Gusseisen ist noch immer das Ventilgehäuse, wovon noch immer jährlich tausende Gehäuse gelötet werden.

Nickel und Superlegierungen

Nickel und Superlegierungen finden Anwendung in Gasturbinen wegen ihrer guten Oxidationseigenschaften und deren Festigkeit bei hohen Temperaturen. Man spricht gewöhnlich über Superlegierungen bei Materialen, die im heißen Teil einer Gasturbine verwendet werden.

Unter Superlegierungen versteht man nicht nur Nickellegierungen, jedoch auch Kobalt- Eisenbasislegierungen, vielfach legiert mit mehr als 4 % Al + Ti. Produkte werden oft aus dünnen Blechen zusammengebaut, damit feste und leichte Konstruktionen entstehen.

Gegossene Leitschaufeln werden auch oft gelötet, vor allem zu Reparaturzwecken. Beim Reparaturlöten von stark verunreinigten Gasturbinenkomponenten kann es notwendig sein, die Teile vorab in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder Fluor/Wasserstoff zu reinigen. Nickelbasis -und Kobaltbasis -Lotsorten ergeben die höchste Hitzebeständigkeit und werden daher für Superlegierungen verwendet. Neben Turbinenschaufel werden auch sehr dünnwandige Wabenkonstruktionen gelötet, wie Honeycombs als Dichtungen in Gasturbinen.

Auch in der petrochemischen Industrie werden Konstruktionen verwendet, die Lötverbindungen aus Superlegierungen enthalten.

Gelöteter Heizkopf eines Stirlingmotors

Kupfer

Kupfer ist ein Material mit einem sehr breiten Anwendungsgebiet vor allem in der Elektroindustrie. Der Werkstoff hat neben einer guten elektrischen Leitfähigkeit, auch eine hohe Wärmekapazität und ist ein guter Wärmeleiter. Kupfer ist schwierig schweißbar, aber jedoch einfach zu löten. Die wichtigste Verunreinigung im Kupfer ist Sauerstoff. Für den Lötprozess ist es wichtig zu wissen, welche Kupfersorte man verarbeitet. Weiter soll man damit rechnen, dass Kupfer nach dem Lötprozess völlig weichgeglüht ist. Kupferlegierungen mit Zink, Blei oder Mangan können wegen der hohen Dampfspannung dieser Elemente nicht Vakuumgelötet werden. Elemente wie Aluminium oder Beryllium werden dem Lot hinzugefügt, um die Festigkeit zu erhöhen.

Diese Eigenschaften gehen beim Lötprozess verloren und sind nur schwer wieder herstellbar. Kupfer wird im Allgemeinen gelötet mit Lotsorten auf Silberbasis. Materialkombinationen aus rostfreiem Stahl, Stahl, Keramik, Tantal und Graphit sind gut lötbar.

Übrige Werkstoffe

Zum Vakuumlöten von Aluminium sind spezielle mit Magnesium legierte Lote entwickelt worden, die als Cladding auf das Basismaterial gewalzt werden. Von zwei zu fügende Oberflächen ist mindestens eine mit Lotmaterial plattiert. Auf der Lötfläche ist jedoch immer ein Oxidschicht anwesend ,die eine Benetzung vom Lötmaterial verhindert.

Weil Aluminium sich dreimal so stark ausdehnt wie Aluminiumoxid, wird die Oxidschicht beim Erwärmen aufgebrochen. Oberhalb 400°C wird der Ofenraum mit Magnesiumdampf gefüllt, der als „Getter“ für den anwesenden Sauerstoff wirkt. Durch den hohen Vakuumdruck und dem anwesenden Magnesiumdampf kann der niedrige Sauerstoff-Partialdruck das darunterliegende Aluminium nicht neu oxidieren.

Der Lötprozess ist sehr empfindlich für kleine Prozessabweichungen und wird in speziell für das Löten von Aluminium entwickelten Vakuumöfen durchgeführt. Das Lötmaterial ist entwickelt auf Basis von Aluminium mit Beigaben von Silizium und Magnesium.

Die wichtigsten Anwendungen sind Wärmetauscher und Kühler für Fahrzeuge, Flugzeuge und Wellenrohren für Radarinstallationen. Andere Materialen ,die mit Erfolg gelötet werden können sind zum Beispiel Titanlegierungen, Tantal, Hartmetall, Keramik, Diamant, Schnellstahl und Fernico.

Auch die sich schnell entwickelnden pulvermetallurgischen Werkstoffe werden zunehmend in Vakuumöfen gefügt.

Zusammenfassung

Die Anwendung der Vakuumlötprozesse geschieht aus nach folgenden Gründen:

Reproduzierbare Fügeprozesse mit hohen mechanischen Eigenschaften.
Schwer schweißbare, rostfeste Stahlsorten werden problemlos gelötet.
Teile einer Konstruktion können separat bearbeitet und anschließend durch Vakuumlöten gefügt werden. Hierbei ist eine freie Wahl von Materialen mit verschiedenen Eigenschaften möglich.
Vakuumlöten ist ein sauberer Produktionsprozess.
Vakuumlöten ist an Stellen möglich, die für Schweißen nicht zugänglich sind.
Teile mit sehr dünner Wandstärke mit dickwandigen Teilen können verbunden werden
Verformung des Werkstücks wird auf ein Minimum beschränkt.
Lötverbindungen können gut geprüft werden mittels zerstörungsfreien Prüfmethoden.
Vakuumlöten kann kostengünstiger sein als andere Verbindungsmethoden, vor allem wenn das Löten kombiniert werden kann mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung.
Wenn viele Verbindungen zur gleichen Zeit hergestellt werden, ist das Vakuumlöten kostengünstiger.

Autor:Peter Steege
Brazing Consultancy Peter Steege