SB_13.598N_LP

2005
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Weiterentwicklung des
Hochtemperaturlötens
mit Lederburitloten

Weiterentwicklung des
Hochtemperaturlötens mit
Lederburitloten
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 13.598 N
DVS-Nr.: 07.042
Universität Hannover -
Institut für Werkstoffkunde
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 13.598 N / DVS-Nr.: 07.042 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF
im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 74
Bestell-Nr.: 170183
ISBN: 978-3-96870-073-1
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Universität Hannover Institut für Werkstoffkunde
Prof. Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach
Geschäftsbereich
Inhalt
1. Einleitung und Problemstellung 4
2. Grundlagen zum Legierungssystem Eisen-Silizium-Kohlenstoff 4
3. Grundwerkstoffe 6
3.1 Grundlagen der Werkzeugstähle 6
3.2 Auswahl und Beschaffung 7
4. Lotherstellung und Charakterisierung 8
4.1 Legierungs- und Komponentenauswahl 8
4.2 Kalorimetrische Untersuchungen 10
4.3 Herstellungsprozesse 12
4.4 Metallografische Untersuchung der Lotlegierungen 13
5. Lötversuche 15
5.1 Prozessparameter 16
5.2 Ergebnisse der Lötversuche 18
5.2.1 Benetzung- und Fließverhalten 19
5.2.2 Metallografische Analysen 20
5.2.3 Zugfestigkeit 23
5.2.4 Härte 26
5.2.5 Korrosion 30
6. Arten der Lotapplikation 33
7. Schlussfolgerungen 35
7.1 Diskussion der Ergebnisse 35
7.2 Nutzen und Anwendungsmöglichkeiten 36
8. Veröffentlichungen 37
9. Danksagung 38
10. Literatur 38
- 3 -

1. Einleitung und Problemstellung
Auf dem Gebiet des Hochtemperaturlötens wurden in den vergangenen Jahrzehnten zahlreiche
Lotsysteme entwickelt und etabliert. Für eine sichere und reproduzierbare Anwendbarkeit
sind eine Reihe von mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des Lotsystems
und der daraus erstellten Lötverbindung von Bedeutung. Dies sind insbesondere die Benetzungs-
und Fließfähigkeit sowie die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Wesentlichen
Einfluss auf diese Eigenschaften hat die Art und Ausbildung der Fügegeometrie, besonders
die Lötspaltbreite. Viele der derzeit in der Industrie wirtschaftlich einsetzbaren Lotsysteme
liefern aufgrund ihrer Metallurgie ausschließlich für Engspaltverbindungen bis maximal ca.
30 µm sprödphasenfreie Lötverbindungen mit guten mechanischen Eigenschaften.
Zum Fügen von Schnellarbeitsstählen oder Hartmetallen werden zur Zeit hauptsächlich Nickelbasislote
eingesetzt, welche jedoch zwei grundsätzliche Schwierigkeiten mit sich bringen.
Zum einen führen die zur Schmelzpunktsenkung zulegierten Elemente (insbesondere Bor) zur
Ausbildung von spröden, festigkeitsreduzierenden intermetallischen Hartphasenbändern in
breiten Spalten, zum anderen ist durch den Unterschied zwischen Löttemperatur der Nickelbasislote
und Glühtemperatur der Schnellarbeitsstähle ein Vergüten der gefügten Teile nicht
möglich.
Zur Vermeidung der festigkeitsmindernden Sprödphasenbildung können bei Normal- und
Breitspaltverbindungen Füllstoffe in Form von Metallpulvern eingesetzt werden, die dann
vom Lot infiltriert werden. Um jedoch noch zusätzlich einen Vergütungsprozess realisieren zu
können, ist zwingend ein Lotsystem mit erheblich höheren Schmelztemperaturen erforderlich.
Ein grundsätzlich für diese Anwendungen geeignetes Legierungssystem stellen die im Rahmen
der vorliegenden Untersuchung entwickelten Eisenbasislote aus dem Dreistoffsystem Eisen-Silizium-Kohlenstoff
dar [El.99].
2. Grundlagen zum Legierungssystem Eisen-Silizium-Kohlenstoff
Die in Anlehnung an das Eisen-Kohlenstoff-Eutektikum benannten Ledeburit-Lote bestehen
prinzipiell aus Gusseisen (Abbildung 1a). Für Kohlenstoffgehalte über 4.3 % führt der eutektische
Zerfall der Schmelze bei 1147°C zur Bildung von Ledeburit Ι, welches aus metastabilem
Fe 3 C (Eisenkarbid, Zementit) mit orthorhombischem Kristallgitter und kubisch flächenzentriertem
γ-Eisen-Mischkristall (Austenit) mit Kohlenstoffeinlagerungsatomen besteht. Diese
beiden Bestandteile des Ledeburits sind extrem feinverteilt und kaum einzeln nachweisbar.
Der angesprochene γ-Mischkristall zerfällt an der A r1 -Linie (723°C) wiederum eutektisch in
Sekundärzementit und Perlit und bildet so das aus den Phasen γ-Mischkristall und Fe 3 C bestehende
Ledeburit ΙΙ. Dieser besondere Gefügebestandteil zeichnet sich infolge der eutektischen
Erstarrung durch eine noch feinere Verteilung der beiden Phasen aus [Gu.70, Sc.01].
Für kohlenstoffhaltige Eisen-Dreistoffsysteme (hier Fe-Si-C) ergeben sich, neben möglichen
Unterscheidungen in den zu Grunde liegenden Randsystemen, auch einige prinzipiell unterschiedliche
Darstellungsweisen im ternären Raum. Im vorliegenden Fall der Zulegierung von
Silizium wird im Zweistoffsystem Eisen-Silizium lediglich die γ-Phase abgeschnürt, so dass
die aus dem Eisen-Kohlenstoff Randsystem kommende Grenze doppelter Sättigung an α-
- 4 -

zw. δ- und γ-Eisen in den ternären Raum hinein verläuft, um dort schließlich in einem Übergangspunkt
also einem ternären Eutektikum zu enden (Abbildung 1b).
(a) Teilbereich des binären Eisen-Kohlenstoff-
Diagramms (metastabiler Zustand)
(b) Ebener Schnitt durch das ternäre Eisen-
Silizium-Kohlenstoff System
Abbildung 1: Phasendiagramme der Systeme Fe-C und Fe-Si-C nach [Sc.85]
Für die zu fügenden Werkstoffe ist dieser Verlauf charakteristisch für Silizium (im Lot) aber
auch für Chrom (im Grundwerkstoff). Somit ist es also durch gezielte Legierungsauswahl im
System Eisen-Silizium-Kohlenstoff möglich, sowohl die gewünschte Schmelztemperatur des
Lotes, abgestimmt auf die Lösungsglühtemperatur des Grundwerkstoffes, als auch die gewünschte
Phasenausbildung in der Lötnaht entsprechend einzustellen [Gr.84, Sc.01, Yo.86].
Darüber hinaus kann Silizium als partieller Substituent für Kohlenstoff eingesetzt werden,
ohne die Loteigenschaften grundlegend zu verändern. Im Gegensatz zu Nickelbasisloten bilden
Ledeburitlote aus dem System Eisen-Silizium-Kohlenstoff, im Wesentlichen aufgrund ihrer
Beschränkung auf wenige Legierungselemente und insbesondere ihrer Borfreiheit, auch
bei breiten Spalten keine Sprödphasenbänder aus.
Auf Basis von Literaturangaben [Am.73, Bl.02, Ja.70, La.98, Sc.85, Sc.01, Ye.70] sowie weiteren
im Internet verfügbaren Phasendiagrammen [Abbildung 2a, ASM, Go.02, Mh.02] wurden
für die im Eisen-Silizium-Kohlenstoff-System zu entwickelnden Legierungen eutektische
Zusammensetzungen ermittelt. Somit konnte ein Zusammenhang zwischen den Anteilen der
einzelnen Legierungselemente sowie der jeweiligen Liquidustemperatur des Lotes angegeben
werden. Abbildung 2b zeigt die errechnete eutektische Rinne im genannten Dreistoffsystem
zwischen dem reinen Ledeburit (FeC4.3) sowie dem Eisen-Silizium-Eutektikum (FeSi19).
Die Berechnungsergebnisse wurden in DSC-Messungen (Differential-Scanning-Calorimeter)
überprüft und im Wesentlichen bestätigt.
Auf Basis dieser Rechenergebnisse wurden Zusammensetzungen für unterschiedliche Lotlegierungen
(vgl. Abschnitt 4) in jeweiliger Abstimmung auf den zu fügenden Werkstoff hergestellt.
Wesentliches Kriterium hierbei war der Kohlenstoffanteil, der zum einen nicht zu hoch
sein durfte, um ein Aufkoken des Grundwerkstoffs zu verhindern, aber trotzdem ausreichend
zur Verfügung stehen musste, um die für den anschließenden Härtungsprozess erforderliche
Martensitbildung zu ermöglichen.
- 5 -

(a) Liquiduszustand des ternären Systems Fe-Si-
C mit Phasen und Peritektale nach [ASM]
(b) Eutektische Zusammensetzung gemäß eigener
Berechnungen
Abbildung 2: Peritektale und eutektische Rinne im ternären Eisen-Silizium-Kohlenstoff System
Prinzipiell entsprach der Kohlenstoffgehalt des Lotes dem des jeweiligen Grundwerkstoffs.
Aber auch der Siliziumanteil war einzuschränken, um die vom grauen Gusseisen bekannte Erscheinung
des Grafitisierens des Kohlenstoffs bei hohem Siliziumgehalt, welches auch durch
die damit verbundenen Grafiteinschlüsse zu einer recht spröden Verbindung analog zu den
Sprödphasen der Nickelbasislote führen, zu unterbinden. Zur Einhaltung dieser Vorgaben war
es daher nicht immer möglich, reine eutektische Lote zu verwenden, sondern es kamen auch
über- bzw. untereutektische Zusammensetzungen zum Einsatz.
3. Grundwerkstoffe
Ziel des Forschungsvorhabens war die Lotentwicklung für unterschiedliche Stähle, insbesondere
für Bau- und ferritische Chromstähle sowie Schnellarbeitsstähle für Warm- und Kaltarbeit.
3.1 Grundlagen der Werkzeugstähle
Werkzeugstähle zählen nach DIN EN 10020 zur Klasse der legierten Edelstähle. Eine spezielle
Gruppe der Werkzeugstähle stellen die Schnellarbeitsstähle dar, die aufgrund ihrer chemischen
Zusammensetzung über eine extrem hohe Warmhärte und Anlassbeständigkeit verfügen.
Schnellarbeitsstähle werden vorwiegend als Werkzeuge für spanende Verfahren bei hohen
Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sowie
einer geeigneten Wärmebehandlung haben Schnellarbeitsstähle zusätzlich zu ihrer hohen
Anlassbeständigkeit eine unverminderte Warmhärte bis etwa 600 °C, woraus lange Standzeiten
auch bei kurzzeitiger Rotglut resultieren.
Erzeugt werden diese ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen durch
eine gleichmäßige Verteilung der Karbide sowie durch sorgfältige Erschmelzungs- und werkstoffgerechte
Wärmebehandlungsverfahren, insbesondere Vergütung [Ju.01, Ma.02, Yo.80,
Yo.86].
- 6 -