1. Lötmaterial
(1)Das Hartlöten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl umfasst Weich- und Hartlöten. Das am häufigsten verwendete Lot beim Weichlöten ist Zinn-Blei-Lot. Die Benetzbarkeit dieses Lots mit Stahl steigt mit zunehmendem Zinngehalt, daher sollte für die Schweißverbindungen ein Lot mit hohem Zinngehalt verwendet werden. Beim Zinn-Blei-Lot kann sich an der Grenzfläche zwischen Zinn und Stahl eine intermetallische FeSn₂-Verbindungsschicht bilden. Um die Bildung dieser Verbindung zu vermeiden, müssen Löttemperatur und Haltezeit präzise gesteuert werden. Die Scherfestigkeit von Kohlenstoffstahlverbindungen, die mit verschiedenen typischen Zinn-Blei-Loten gelötet wurden, ist in Tabelle 1 dargestellt. Die höchste Festigkeit weist die mit 50 Gew.-% Zinn (SN) gelötete Verbindung auf, während die Festigkeit der mit antimonfreiem Lot geschweißten Verbindung höher ist als die der mit antimonhaltigem Lot.
Tabelle 1 Scherfestigkeit von mit Zinn-Blei-Lot gelöteten Kohlenstoffstahlverbindungen
Beim Hartlöten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl werden hauptsächlich Reinkupfer, Kupfer-Zink und Silber-Kupfer-Zink als Lötmetalle verwendet. Reinkupfer besitzt einen hohen Schmelzpunkt und neigt beim Hartlöten zur Oxidation des Grundwerkstoffs. Es wird vorwiegend für das Schutzgas- und Vakuumhartlöten eingesetzt. Allerdings ist zu beachten, dass der Spalt zwischen den Lötstellen weniger als 0,05 mm betragen sollte, um ein undichtes Füllen aufgrund der guten Fließfähigkeit des Kupfers zu vermeiden. Mit Reinkupfer gelötete Verbindungen aus Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl weisen eine hohe Festigkeit auf. Die Scherfestigkeit liegt im Allgemeinen zwischen 150 und 215 MPa, die Zugfestigkeit zwischen 170 und 340 MPa.
Im Vergleich zu reinem Kupfer sinkt der Schmelzpunkt von Kupfer-Zink-Lot durch den Zinkzusatz. Um die Zinkverdampfung beim Löten zu verhindern, kann dem Kupfer-Zink-Lot eine geringe Menge Silizium beigemischt werden. Zudem sind schnelle Aufheizverfahren wie Flammlöten, Induktionslöten und Tauchlöten erforderlich. Verbindungen von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl, die mit Kupfer-Zink-Lot verlötet wurden, weisen eine gute Festigkeit und Plastizität auf. Beispielsweise erreichen Zugfestigkeit und Scherfestigkeit von mit β-Cu62Zn-Lot verlöteten Kohlenstoffstahlverbindungen 420 MPa bzw. 290 MPa. Der Schmelzpunkt von Silber-Kupfer-Lot ist niedriger als der von Kupfer-Zink-Lot, was das Nadellöten erleichtert. Dieses Lot eignet sich zum Flammlöten, Induktionslöten und Ofenlöten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl. Beim Ofenlöten sollte der Zinkgehalt jedoch so weit wie möglich reduziert und die Aufheizrate erhöht werden. Durch Hartlöten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl mit Silber-Kupfer-Zink-Lot lassen sich Verbindungen mit guter Festigkeit und Plastizität erzielen. Die spezifischen Daten sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2 Festigkeit von Lötverbindungen aus niedriggekohltem Stahl mit Silber-Kupfer-Zink-Lot
(2) Flussmittel: Zum Hartlöten von Kohlenstoffstahl und niedriglegiertem Stahl ist Flussmittel oder Schutzgas zu verwenden. Das Flussmittel richtet sich üblicherweise nach dem gewählten Lötmetall und dem Lötverfahren. Bei Verwendung von Zinn-Blei-Lot kann eine Mischung aus Zinkchlorid und Ammoniumchlorid oder ein anderes Spezialflussmittel als Flussmittel eingesetzt werden. Die Rückstände dieses Flussmittels sind in der Regel stark korrosiv, daher muss die Lötstelle nach dem Löten gründlich gereinigt werden.
Beim Hartlöten mit Kupfer-Zink-Lot sollte das Flussmittel fb301 oder fb302, d. h. Borax oder ein Gemisch aus Borax und Borsäure, gewählt werden; beim Flammlöten kann auch ein Gemisch aus Methylborat und Ameisensäure als Lötflussmittel verwendet werden, wobei der B2O3-Dampf die Funktion der Filmentfernung übernimmt.
Bei Verwendung von Silber-Kupfer-Zink-Lötmetall können die Lötflussmittel fb102, fb103 und fb104 eingesetzt werden, d. h. Mischungen aus Borax, Borsäure und Fluoriden. Die Rückstände dieses Flussmittels sind bis zu einem gewissen Grad korrosiv und müssen nach dem Löten entfernt werden.
2. Löttechnologie
Die zu verschweißende Oberfläche muss mechanisch oder chemisch gereinigt werden, um die vollständige Entfernung von Oxidschichten und organischen Verunreinigungen zu gewährleisten. Die gereinigte Oberfläche darf nicht zu rau sein und keine Metallspäne oder sonstige Verschmutzungen aufweisen.
Kohlenstoffstahl und niedriglegierter Stahl lassen sich mit verschiedenen gängigen Lötverfahren löten. Beim Flammlöten sollte eine neutrale oder leicht reduzierende Flamme verwendet werden. Eine direkte Erwärmung des Lötmetalls und des Flussmittels durch die Flamme ist während des Lötvorgangs möglichst zu vermeiden. Schnellheizverfahren wie Induktionslöten und Tauchlöten eignen sich sehr gut zum Löten von vergütetem Stahl. Dabei sollte eine Härte- oder Löttemperatur unterhalb der Anlasstemperatur gewählt werden, um ein Erweichen des Grundwerkstoffs zu verhindern. Beim Löten von niedriglegiertem, hochfestem Stahl unter Schutzgasatmosphäre ist neben einem hochreinen Gas auch der Einsatz eines Flussmittels erforderlich, um die Benetzung und Verteilung des Lötmetalls auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs zu gewährleisten.
Flussmittelreste lassen sich chemisch oder mechanisch entfernen. Rückstände organischer Lötflussmittel können abgewischt oder mit Benzin, Alkohol, Aceton und anderen organischen Lösungsmitteln gereinigt werden. Rückstände stark korrosiver Flussmittel wie Zinkchlorid und Ammoniumchlorid müssen zunächst in wässriger Natronlauge neutralisiert und anschließend mit heißem und kaltem Wasser abgespült werden. Borsäure und Borsäure-Flussmittelrückstände sind schwer zu entfernen und können nur mechanisch oder durch längeres Eintauchen in fließendes Wasser beseitigt werden.
Veröffentlichungsdatum: 13. Juni 2022