Hartlöten von Werkzeugstahl und Hartmetall

1. Lötmaterial

(1) Zum Hartlöten von Werkzeugstählen und Hartmetallen werden üblicherweise Reinkupfer, Kupfer-Zink-Legierungen und Silber-Kupfer-Lot verwendet. Reinkupfer benetzt alle Hartmetallarten gut, die besten Ergebnisse werden jedoch durch Hartlöten in reduzierender Wasserstoffatmosphäre erzielt. Gleichzeitig führt die hohe Löttemperatur zu hohen Spannungen in der Lötverbindung, was die Rissbildung begünstigt. Die Scherfestigkeit der mit Reinkupfer gelöteten Verbindung beträgt etwa 150 MPa, und die Lötverbindung weist ebenfalls eine hohe Plastizität auf, ist aber für Hochtemperaturanwendungen ungeeignet.

Kupfer-Zink-Lot ist das am häufigsten verwendete Lot zum Hartlöten von Werkzeugstählen und Hartmetallen. Um die Benetzbarkeit des Lotes und die Festigkeit der Verbindung zu verbessern, werden dem Lot häufig Mangan, Nickel, Eisen und andere Legierungselemente zugesetzt. Beispielsweise führt die Zugabe von 4 % Mangan (w(MN)) zu b-Cu58Znmn zu einer Scherfestigkeit von 300–320 MPa bei Hartmetall-Lötverbindungen bei Raumtemperatur; selbst bei 320 °C beträgt die Scherfestigkeit noch 220–240 MPa. Durch die Zugabe einer geringen Menge Kupfer (CO) zu b-Cu58Znmn lässt sich die Scherfestigkeit der Lötverbindung auf 350 MPa steigern. Zudem weist das Lot eine hohe Schlagzähigkeit und Dauerfestigkeit auf, wodurch die Standzeit von Schneid- und Gesteinsbohrwerkzeugen deutlich verlängert wird.

Der niedrigere Schmelzpunkt des Silber-Kupfer-Lötlots und die geringere thermische Spannung der Lötverbindung tragen dazu bei, die Rissbildungsneigung von Hartmetall beim Löten zu reduzieren. Um die Benetzbarkeit des Lots sowie die Festigkeit und die Betriebstemperatur der Verbindung zu verbessern, werden dem Lot häufig Mangan, Nickel und andere Legierungselemente zugesetzt. Beispielsweise weist das Lot β-Ag50CuzncDNi eine ausgezeichnete Benetzbarkeit von Hartmetall auf, und die Lötverbindung besitzt insgesamt gute Eigenschaften.

Zusätzlich zu den drei oben genannten Lötmetalltypen können für Hartmetallbearbeitungen oberhalb von 500 °C und bei Anforderungen an die Verbindungsfestigkeit auch mangan- und nickelbasierte Lötmetalle wie b-mn50nicucrco und b-ni75crsib verwendet werden. Für das Löten von Schnellarbeitsstahl ist ein spezielles Lötmetall mit einer Löttemperatur, die der Abschrecktemperatur entspricht, erforderlich. Dieses Lötmetall lässt sich in zwei Kategorien unterteilen: Ferromangan-Lötmetalle bestehen hauptsächlich aus Ferromangan und Borax. Die Scherfestigkeit der Lötverbindung liegt üblicherweise bei etwa 100 MPa, die Verbindung neigt jedoch zu Rissen. Eine andere Art von speziellem Kupferlegierungsmetall mit Ni, Fe, Mn und Si weist eine geringere Rissneigung in den Lötverbindungen auf und erreicht eine Scherfestigkeit von bis zu 300 MPa.

(2) Die Auswahl des Lötflussmittels und des Schutzgases muss auf den Grundwerkstoff und den zu verschweißenden Zusatzwerkstoff abgestimmt sein. Beim Löten von Werkzeugstahl und Hartmetall werden hauptsächlich Borax und Borsäure als Lötflussmittel verwendet, denen Fluoride (KF, NaF, CaF₂ usw.) zugesetzt werden. Für Kupfer-Zink-Lötverbindungen kommen die Flussmittel Fb301, Fb302 und Fb105 zum Einsatz, für Silber-Kupfer-Lötverbindungen die Flussmittel Fb101 bis Fb104. Borax wird vorwiegend verwendet, wenn spezielle Zusatzwerkstoffe zum Löten von Schnellarbeitsstahl eingesetzt werden.

Um die Oxidation von Werkzeugstahl während des Lötprozesses zu verhindern und die anschließende Reinigung zu vermeiden, kann Schutzgaslöten eingesetzt werden. Als Schutzgas kann ein Inertgas oder ein Reduktionsgas verwendet werden, dessen Taupunkt unter -40 °C liegen muss. Hartmetall kann unter Wasserstoffschutz gelötet werden; der erforderliche Taupunkt des Wasserstoffs muss unter -59 °C liegen.

2. Löttechnologie

Der Werkzeugstahl muss vor dem Hartlöten gereinigt werden. Die bearbeitete Oberfläche muss nicht zu glatt sein, um die Benetzung und Verteilung von Material und Flussmittel zu gewährleisten. Hartmetalloberflächen werden vor dem Hartlöten sandgestrahlt oder mit Siliziumkarbid- oder Diamantschleifscheiben poliert, um überschüssigen Kohlenstoff zu entfernen und so die Benetzung durch das Lötmetall zu verbessern. Hartmetall mit Titankarbid ist schwer zu benetzen. Daher wird Kupferoxid- oder Nickeloxidpaste auf die Oberfläche aufgetragen und in reduzierender Atmosphäre eingebrannt, um den Übergang von Kupfer bzw. Nickel an die Oberfläche zu ermöglichen und so die Benetzbarkeit des Lötmetalls zu erhöhen.

Das Hartlöten von Kohlenstoffwerkzeugstahl sollte vorzugsweise vor oder gleichzeitig mit dem Abschrecken erfolgen. Wird vor dem Abschrecken hartgelötet, muss die Solidustemperatur des verwendeten Lötmetalls über dem Abschrecktemperaturbereich liegen, damit die Schweißverbindung nach dem Wiedererwärmen auf die Abschrecktemperatur noch ausreichend fest ist und nicht versagt. Bei kombiniertem Hartlöten und Abschrecken ist ein Lötmetall mit einer Solidustemperatur nahe der Abschrecktemperatur zu wählen.

Legierter Werkzeugstahl weist eine Vielzahl von Komponenten auf. Um eine gute Verbindungsfestigkeit zu erzielen, müssen das geeignete Lötzusatzmaterial, das Wärmebehandlungsverfahren und die Technologie zur Kombination von Löten und Wärmebehandlung je nach Stahlsorte festgelegt werden.

Die Abschrecktemperatur von Schnellarbeitsstahl liegt im Allgemeinen über der Schmelztemperatur von Silber-Kupfer- und Kupfer-Zink-Lot. Daher ist ein Abschrecken vor dem Hartlöten erforderlich. Das Hartlöten selbst sollte während oder nach dem Anlassen erfolgen. Ist ein Abschrecken nach dem Hartlöten notwendig, darf ausschließlich das oben genannte Speziallot verwendet werden. Zum Hartlöten von Schnellarbeitsstahl-Schneidwerkzeugen empfiehlt sich ein Koksofen. Nach dem Schmelzen des Lots wird das Schneidwerkzeug entnommen, sofort unter Druck gesetzt, überschüssiges Lot herausgepresst, in Öl abgeschreckt und anschließend bei 550–570 °C angelassen.

Beim Hartmetalllöten mit dem Werkzeugträger aus Stahl sollte die Methode der Vergrößerung des Lötspalts und des Einsatzes einer Kunststoff-Ausgleichsdichtung im Lötspalt angewendet werden. Nach dem Schweißen sollte eine langsame Abkühlung erfolgen, um die Lötspannung zu reduzieren, Risse zu vermeiden und die Lebensdauer der Hartmetall-Werkzeugbaugruppe zu verlängern.

Nach dem Faserschweißen müssen die Flussmittelreste auf der Schweißnaht mit heißem Wasser oder einem handelsüblichen Schlackenentferner abgewaschen und anschließend mit einer geeigneten Beizlösung gebeizt werden, um die Oxidschicht auf dem Grundwerkzeugstab zu entfernen. Dabei ist jedoch darauf zu achten, keine Salpetersäure zu verwenden, um Korrosion des Lötmetalls zu vermeiden.