Hartlöten von Edelstahl

Hartlöten von Edelstahl

1. Lötbarkeit

Das Hauptproblem beim Hartlöten von Edelstahl besteht darin, dass die Oxidschicht auf der Oberfläche die Benetzung und Ausbreitung des Lotes stark beeinträchtigt. Verschiedene Edelstähle enthalten einen beträchtlichen Anteil an Chrom (Cr), einige auch Nickel (Ni), Titan (Ti), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Niob (Nb) und andere Elemente, die verschiedene Oxide oder sogar Mischoxide auf der Oberfläche bilden können. Die Oxide Cr₂O₃ und TiO₂ von Chrom und Titan sind besonders stabil und schwer zu entfernen. Beim Hartlöten an Luft muss ein aktives Flussmittel verwendet werden, um sie zu entfernen. Beim Hartlöten unter Schutzgasatmosphäre lässt sich die Oxidschicht nur in einer hochreinen Atmosphäre mit niedrigem Taupunkt und ausreichend hoher Temperatur reduzieren. Beim Vakuumlöten sind ein ausreichendes Vakuum und eine ausreichend hohe Temperatur erforderlich, um ein gutes Lötergebnis zu erzielen.

Ein weiteres Problem beim Hartlöten von Edelstahl besteht darin, dass die Löttemperatur einen erheblichen Einfluss auf die Struktur des Grundwerkstoffs hat. Die Löttemperatur von austenitischem Edelstahl sollte 1150 °C nicht überschreiten, da sonst das Kornwachstum stark zunimmt. Enthält der austenitische Edelstahl nicht die stabilen Elemente Titan (Ti) oder Niob (Nb) und weist einen hohen Kohlenstoffgehalt auf, ist das Hartlöten im Sensibilisierungsbereich (500–850 °C) ebenfalls zu vermeiden, um eine Verringerung der Korrosionsbeständigkeit durch Chromcarbid-Ausscheidungen zu verhindern. Die Wahl der Löttemperatur für martensitischen Edelstahl ist noch anspruchsvoller. Zum einen sollte die Löttemperatur auf die Abschrecktemperatur abgestimmt werden, um den Lötprozess mit der Wärmebehandlung zu kombinieren. Zum anderen sollte die Löttemperatur unterhalb der Anlasstemperatur liegen, um ein Erweichen des Grundwerkstoffs während des Lötens zu verhindern. Das Prinzip der Auswahl der Löttemperatur von ausscheidungshärtendem Edelstahl ist das gleiche wie bei martensitischem Edelstahl, d. h. die Löttemperatur muss auf das Wärmebehandlungssystem abgestimmt sein, um die besten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.

Neben den beiden oben genannten Hauptproblemen besteht beim Hartlöten von austenitischem Edelstahl, insbesondere beim Hartlöten mit Kupfer-Zink-Lot, die Neigung zu Spannungsrissen. Um Spannungsrisse zu vermeiden, muss das Werkstück vor dem Hartlöten spannungsarmgeglüht und während des Hartlötens gleichmäßig erwärmt werden.

2. Lötmaterial

(1) Gemäß den Anforderungen an die Verwendung von Edelstahl-Schweißkonstruktionen zählen zu den üblicherweise verwendeten Lötzusatzwerkstoffen für Edelstahl-Schweißkonstruktionen Lötzusatzwerkstoffe auf Zinn-Blei-Basis, Lötzusatzwerkstoffe auf Silberbasis, Lötzusatzwerkstoffe auf Kupferbasis, Lötzusatzwerkstoffe auf Manganbasis, Lötzusatzwerkstoffe auf Nickelbasis und Lötzusatzwerkstoffe auf Edelmetallbasis.

Zinn-Blei-Lot wird hauptsächlich zum Löten von Edelstahl verwendet und zeichnet sich durch einen hohen Zinngehalt aus. Je höher der Zinngehalt des Lots, desto besser ist seine Benetzbarkeit auf Edelstahl. Die Scherfestigkeit von 1Cr18Ni9Ti-Edelstahlverbindungen, die mit verschiedenen gängigen Zinn-Blei-Loten gelötet wurden, ist in Tabelle 3 aufgeführt. Aufgrund der geringen Festigkeit der Verbindungen eignen sie sich nur zum Löten von Bauteilen mit geringer Tragfähigkeit.

Tabelle 3 Scherfestigkeit einer mit Zinn-Blei-Lot gelöteten Verbindung aus Edelstahl 1Cr18Ni9Ti

Silberbasierte Lötmetalle sind die am häufigsten verwendeten Lötmetalle zum Hartlöten von Edelstahl. Besonders verbreitet sind Silber-Kupfer-Zink- und Silber-Kupfer-Zink-Cadmium-Lote, da die Löttemperatur die Eigenschaften des Grundwerkstoffs kaum beeinflusst. Die Festigkeit von ICr18Ni9Ti-Edelstahlverbindungen, die mit verschiedenen gängigen silberbasierten Loten gelötet wurden, ist in Tabelle 4 aufgeführt. Edelstahlverbindungen, die mit silberbasierten Loten gelötet werden, kommen selten in stark korrosiven Medien zum Einsatz, und die Betriebstemperatur der Verbindungen überschreitet in der Regel nicht 300 °C. Beim Hartlöten von nickelfreiem Edelstahl sollte zur Vermeidung von Korrosion der Lötverbindung in feuchter Umgebung ein nickelreicheres Lötmetall, wie z. B. b-ag50cuzncdni, verwendet werden. Beim Hartlöten von martensitischem Edelstahl sollte zur Vermeidung einer Erweichung des Grundwerkstoffs ein Lötmetall mit einer Löttemperatur von maximal 650 °C, wie z. B. b-ag40cuzncd, verwendet werden. Beim Hartlöten von Edelstahl unter Schutzgasatmosphäre kann zur Entfernung der Oxidschicht auf der Oberfläche ein lithiumhaltiges selbstlötendes Flussmittel wie b-ag92culi und b-ag72culi verwendet werden. Beim Hartlöten von Edelstahl im Vakuum empfiehlt sich die Wahl eines silberhaltigen Lötmetalls mit Elementen wie Mn, Ni und RD, um eine gute Benetzbarkeit des Lots zu gewährleisten, auch wenn dieses keine leicht verdampfenden Elemente wie Zn und CD enthält.

Tabelle 4: Festigkeit der ICr18Ni9Ti-Edelstahlverbindung, die mit silberbasiertem Lötmetall verlötet wurde

Kupferbasierte Lötmetalle zum Löten verschiedener Stähle sind hauptsächlich Reinkupfer, Kupfer-Nickel und Kupfer-Mangan-Kobalt. Reinkupfer wird vorwiegend zum Löten unter Schutzgas oder im Vakuum verwendet. Die Löttemperatur von Edelstahlverbindungen liegt bei maximal 400 °C, allerdings ist die Oxidationsbeständigkeit gering. Kupfer-Nickel wird hauptsächlich zum Flamm- und Induktionslöten eingesetzt. Die Festigkeit der gelöteten Verbindung aus 1Cr18Ni9Ti-Edelstahl ist in Tabelle 5 dargestellt. Die Verbindung weist die gleiche Festigkeit wie der Grundwerkstoff auf und ist für hohe Temperaturen geeignet. Kupfer-Mangan-Kobalt wird hauptsächlich zum Löten von martensitischem Edelstahl unter Schutzgasatmosphäre verwendet. Die Festigkeit und die Löttemperatur der Verbindung sind vergleichbar mit denen von Verbindungen, die mit goldbasierten Lötmetallen gelötet wurden. Beispielsweise weist eine mit b-cu58mnco-Lot gelötete 1Cr13-Edelstahlverbindung die gleiche Leistung auf wie eine mit b-au82ni-Lot gelötete Edelstahlverbindung (siehe Tabelle 6), jedoch sind die Produktionskosten deutlich geringer.

Tabelle 5: Scherfestigkeit einer mit Hochtemperatur-Kupferlot verlöteten Edelstahlverbindung aus 1Cr18Ni9Ti

Tabelle 6 Scherfestigkeit der Lötverbindung aus Edelstahl 1Cr13

Manganhaltige Lötmetalle werden hauptsächlich beim Schutzgaslöten eingesetzt, wobei eine hohe Gasreinheit erforderlich ist. Um Kornwachstum im Grundwerkstoff zu vermeiden, sollte ein geeignetes Lötmetall mit einer Löttemperatur unter 1150 °C gewählt werden. Wie Tabelle 7 zeigt, lassen sich mit manganhaltigem Lot zufriedenstellende Lötergebnisse bei Edelstahlverbindungen erzielen. Die zulässige Betriebstemperatur der Verbindung kann bis zu 600 °C betragen.

Tabelle 7 Scherfestigkeit einer mit manganbasiertem Lötmetall verlöteten Verbindung aus Edelstahl LCR18Ni9Fi

Beim Hartlöten von Edelstahl mit Nickelbasis-Lot weist die Verbindung ein gutes Hochtemperaturverhalten auf. Dieses Lot wird üblicherweise für das Schutzgas- oder Vakuumlöten verwendet. Um die Bildung spröder Phasen in der Lötverbindung zu vermeiden, die die Festigkeit und Plastizität der Verbindung stark beeinträchtigen, sollte der Lötspalt minimiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die spröden Phasen bildenden Bestandteile des Lots vollständig in den Grundwerkstoff diffundieren. Um ein Kornwachstum im Grundwerkstoff aufgrund langer Haltezeiten bei der Löttemperatur zu verhindern, können nach dem Löten kurze Haltezeiten und eine Diffusionsbehandlung bei niedrigerer Temperatur (im Vergleich zur Löttemperatur) durchgeführt werden.

Edelmetall-Lötmetalle für das Hartlöten von Edelstahl umfassen hauptsächlich goldbasierte und palladiumhaltige Lötmetalle. Zu den gängigsten zählen b-Au82Ni, b-Ag54Cupd und b-Au82Ni, die sich durch gute Benetzbarkeit auszeichnen. Die so gelötete Edelstahlverbindung weist eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen und Oxidationsbeständigkeit auf; die maximale Betriebstemperatur kann 800 °C erreichen. Da b-Ag54Cupd ähnliche Eigenschaften wie b-Au82Ni besitzt und kostengünstiger ist, wird es zunehmend als Ersatz für b-Au82Ni eingesetzt.

(2) Die Oberfläche von Edelstahl enthält in Flussmittel- und Ofenatmosphäre Oxide wie Cr₂O₃ und TiO₂, die sich nur mit einem hochaktiven Flussmittel entfernen lassen. Beim Hartlöten von Edelstahl mit Zinn-Blei-Lot eignet sich eine wässrige Phosphorsäurelösung oder eine Zinkoxid-Salzsäurelösung als Flussmittel. Da die Reaktionszeit der wässrigen Phosphorsäurelösung kurz ist, muss ein Schnellheizverfahren angewendet werden. Für das Hartlöten von Edelstahl mit silberbasierten Loten können die Flussmittel Fb102, Fb103 oder Fb104 verwendet werden. Beim Hartlöten von Edelstahl mit kupferbasierten Loten kommt aufgrund der hohen Löttemperatur das Flussmittel Fb105 zum Einsatz.

Beim Hartlöten von Edelstahl im Ofen wird häufig eine Vakuumatmosphäre oder eine Schutzgasatmosphäre wie Wasserstoff, Argon oder Ammoniak verwendet. Beim Vakuumlöten muss der Vakuumdruck unter 10⁻² Pa liegen. Beim Hartlöten in Schutzgasatmosphäre darf der Taupunkt des Gases -40 °C nicht überschreiten. Ist die Gasreinheit nicht ausreichend oder die Löttemperatur zu niedrig, kann der Atmosphäre eine geringe Menge Flussmittel, beispielsweise Bortrifluorid, zugesetzt werden.

2. Löttechnologie

Edelstahl muss vor dem Hartlöten besonders gründlich gereinigt werden, um Fett- und Ölrückstände zu entfernen. Am besten lötet man direkt nach der Reinigung.

Das Hartlöten von Edelstahl kann mittels Flammen-, Induktions- und Ofenheizung erfolgen. Der Hartlötofen muss über ein präzises Temperaturregelungssystem verfügen (die Abweichung der Hartlöttemperatur muss ± 6 °C betragen) und eine schnelle Abkühlung ermöglichen. Wird Wasserstoff als Schutzgas verwendet, hängen die Anforderungen an den Wasserstoffgehalt von der Hartlöttemperatur und der Zusammensetzung des Grundwerkstoffs ab: Je niedriger die Hartlöttemperatur, desto höher der Anteil an Stabilisatoren im Grundwerkstoff und desto niedriger muss der Taupunkt des Wasserstoffs sein. Beispielsweise muss bei martensitischen Edelstählen wie 1Cr13 und Cr17Ni2T der Taupunkt des Wasserstoffs beim Hartlöten bei 1000 °C unter -40 °C liegen. Bei 18-8 Chrom-Nickel-Edelstahl ohne Stabilisatoren muss der Taupunkt des Wasserstoffs beim Hartlöten bei 1150 °C unter 25 °C liegen. Bei 1Cr18Ni9Ti-Edelstahl mit Titanstabilisator muss der Wasserstofftaupunkt beim Hartlöten bei 1150 °C unter -40 °C liegen. Beim Hartlöten unter Argonschutz ist eine höhere Argonreinheit erforderlich. Durch die Beschichtung der Edelstahloberfläche mit Kupfer oder Nickel können die Anforderungen an die Schutzgasreinheit reduziert werden. Um die Oxidschicht auf der Edelstahloberfläche zu entfernen, kann BF₃-Flussmittel zugesetzt oder lithium- oder borhaltiges selbstfließendes Lot verwendet werden. Beim Vakuumhartlöten von Edelstahl hängen die Anforderungen an den Vakuumgrad von der Löttemperatur ab. Mit steigender Löttemperatur kann der erforderliche Vakuumgrad reduziert werden.

Der Hauptprozess nach dem Hartlöten von Edelstahl besteht in der Entfernung von Flussmittel- und Verdünnungsrückständen sowie gegebenenfalls in einer Nachbehandlung. Je nach verwendetem Flussmittel und Lötverfahren können Flussmittelrückstände mit Wasser abgewaschen, mechanisch oder chemisch entfernt werden. Zum Entfernen von Flussmittel- oder Oxidschichten im erhitzten Bereich nahe der Lötstelle sind Sand oder andere nichtmetallische Feinpartikel zu verwenden. Teile aus martensitischem und ausscheidungshärtendem Edelstahl erfordern nach dem Hartlöten eine Wärmebehandlung entsprechend den spezifischen Materialanforderungen. Mit NiCrB- und NiCrSi-Lotmetallen gelötete Edelstahlverbindungen werden häufig einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen, um die Anforderungen an den Lötspalt zu reduzieren und das Mikrogefüge sowie die Eigenschaften der Verbindungen zu verbessern.