DE102004026490A1

DE102004026490A1 - Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe

Info

Publication number: DE102004026490A1
Application number: DE200410026490
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Wilhelm Prof. Dr. Bach; Kai Dr. Möhwald; Christian Dr. Bach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe im Wege eines thermischen Spritzverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe.
Nach DIN 8505 ist das Löten ein stoffschlüssiges thermisches Fügeverfahren, bei dem die Fügeflächen metallischer oder keramischer Bauteile mit Hilfe eines metallischen Lotes bzw. nichtmetallischen Zusatzwerkstoffes (sogenannte Glaslote) unter Zuführung von Wärme und Schmelzen des Lotes benetzt werden und somit die Kapillarkraft generiert wird, aus der die Spaltfüllung der Fügestellen und die Ausbildung der Lötverbindungen resultiert. Das Benetzen eines Grundwerkstoffes bedingt außerdem, dass Lote auch zum Beschichten von Bauteiloberflächen, zum Beispiel zum Korrosions- und Verschleißschutz, eingesetzt werden können. Dieses sogenannte Auftraglöten stellt daher ein Beschichtungsverfahren dar.
Begriffsbestimmend für das Löten ist das Entstehen einer schmelzflüssigen Phase in der Lötzone unterhalb der Schmelzpunkte der zu fügenden Grundwerkstoffe, so dass es – im Unterschied zum Schweißen – beim Fügeprozess nicht zum Schmelzen der eingesetzten Grundwerkstoffe kommt. Mit Ausnahme einiger Kontaktreaktionslötprozesse, bei denen durch eine eutektische Reaktion zwischen den Fügepartnern eine temporäre schmelzflüssige Phase und somit ein selbstgeneriertes Lot entsteht (zum Beispiel Fügen von Kupfer und Silber) wird immer ein zum Löten geeigneter Zusatzwerkstoff, das Lot, eingesetzt, welches sich in seiner chemischen Zusammensetzung in der Regel deutlich von den zu fügenden/beschichtenden Grundwerkstoffen unterscheidet. Dazu ist es notwendig, die entsprechend erforderliche Menge Lot an die Fügestelle anzulegen bzw. zu applizieren. Diese Lotapplikation ist abhängig von den eingesetzten Werkstoffen (Lote und Grundwerkstoffe), den verwendeten Lötverfahren (Löten mit partieller Erwärmung, wie zum Beispiel Flammlöten, Induktionslöten und Laserlöten, sowie den Ofenlötverfahren, wie Schutzgaslöten und Vakuumlöten), der Notwendigkeit eines Flussmitteleinsatzes zur Verbesserung der Benetzungs- und Fließeigenschaften des Lotes sowie der vorliegenden Bauteil- bzw. Fügegeometrien. Man kennt folgende Applikationsformen, bei denen das Lot als eigenständige Komponente an bzw. in die Fügestelle eingelegt wird:

1. Lotdrähte (nur unformbare Lotlegierungen, in der Regel Kupfer- und Silberlote)
2. Lotstäbe (mit und ohne Flussmittelseele bzw. -Mantel)
3. Lotpulver (hier alle marktgängigen Lotsysteme)
4. Lotpasten (Lotpulver mit organischem Binder und ggf. Flussmittel. Lotpasten werden auch als Lotbeschichtung, zum Beispiel im Siebdruckverfahren oder in Form einer Lackierung gesprüht, aufgetragen. Diese besitzen aber nur eine verhältnismäßig geringe Haftfestigkeit und keine metallurgische Anbindung zum Grundwerkstoff)
5. Lotvliese (Hartstoff-Lot-Pulvergemisch mit organischem Binder)
6. Lotfolien (als homogener Lotwerkstoff oder als Verbundfolie aus zwei oder mehr Werkstoffen, hier nur umformbare Lotlegierungen, in der Regel Kupfer- und Silberlote)
7. Lotformteile

Darüber hinaus werden in der Großserienproduktion vor allem aus wirtschaftlichen Gründen in einigen Fällen festhaftende (das heißt metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff) Lotbeschichtungen eingesetzt. Hier zählen zum Stand der Technik:

8. Walzplattierte Lotbeschichtungen (überwiegend Aluminiumlote auf Halbzeugen, wie Bleche, Bänder und Profile)
9. Galvanisch hergestellte Lotbeschichtungen (ausschließlich Nickel-Phosphor-Lote)

Diese Lotapplikationsformen dienen insbesondere relativ großflächigen Lötverbindungen, wie zum Beispiel Lamellen- und Plattenwärmetauscher.
Darüber hinaus befinden sich weitere Lotbeschichtungsverfahren im Forschungs- und Entwicklungsstadium und zählen noch nicht zum Stand der Technik:

10. Aufgedampfte (PVD) Lotbeschichtungen (selten angewandte Sonderlote, die kommerziell nicht erhältlich sind)
11. Tauchbadbeschichtungen (hier im Wesentlichen Zinklote auf Aluminiumhalbzeugen)

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe im Wege eines thermischen Spritzprozesses. – Die Lotapplikation durch thermische Spritztechnik und der anschließende Lötprozess verlangen ein konsequentes Abstimmen aufeinander, um erfolgreiche Lötergebnisse zu erzielen. Im Rahmen der Erfindung lassen sich erfolgreiche Lötergebnisse insbesondere durch das thermische Spritzen von Fe-, Ni- und Cu- sowie Al- und Zn-Basisloten erzielen. Im Folgenden werden die Fe-, Ni-, Cu-, Al- und Zn-Basislotzusammensetzungen spezifiziert:
Fe-Basislote:
Ni-Basislote:
Cu-Basislote:
Al-Basislote:
Zn-Basislote:
Aus der Erfindung resultieren folgende technische Vorteile: Die Benetzung des jeweiligen Grundwerkstoffes ist zum größten Teil bereits mit der Lotbeschichtung im Wege des thermischen Beschichtens vollzogen, so dass man im anschließenden Lötprozess auf den Einsatz von Flussmitteln zum Entfernen und/oder Vermeiden von Oxidschichten vollständig verzichten kann oder Flussmittel zumindest nur noch in stark reduziertem Umsatz erforderlich sind. Tatsächlich lassen sich im Rahmen der Erfindung Lötverbindungen verwirk lichen, die bisher nur im Vakuum realisiert werden konnten und nunmehr auch in einem Schutzgasofen gefahren werden können. Die Lotapplikation durch thermisches Spritzen ist eine Entwicklung, welche insbesondere der industriellen Produktion zur Verfügung steht.
Die Verfahren der thermischen Spritztechnik werden durch die europäische Norm DIN EN 657:1994-06 "Thermisches Spritzen – Begriffe, Einteilung", welche in überarbeiteter Form als prEN 657:2003-04 vorliegt und in naher Zukunft verabschiedet werden wird, beschrieben. Der Begriff "Thermisches Spritzen" ist dort wie folgt definiert:
"Das thermische Spritzen umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen oder für eine geeignete Plastifizierung nur aufgeheizt und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden; die Oberflächen werden hierbei nicht aufgeschmolzen.
Die Spritzschichten können dabei aus Spritzzusätzen im flüssigen oder plastischen Zustand aufgetragen werden.
Spezifische Schichteigenschaften können durch zusätzliches thermisches oder mechanisches Nachbehandeln oder durch Versiegeln erreicht werden."
Die thermischen Spritzverfahren lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren. Zum einen nach der Art des Spritzwerkstoffes (Draht, Stab, Schnur, Pulver oder Schmelzbad), nach der Art der Fertigung (manuell, mechanisiert oder automatisch) oder nach der Art des Energieträgers. Einteilung der thermischen Spritzverfahren nach Art des Energieträgers (nach prEN 657:2003-04).
Schmelzbadspritzen
Das Schmelzbadspritzen stellt eine der ältesten Techniken des thermischen Spritzens dar. Der Spritzwerkstoff wird dabei in einem meist elektrisch beheizten Tiegel geschmolzen und durch ein Zerstäubergas (zum Beispiel Druckluft) auf die vorbereitete Werkstückoberfläche geschleudert.
Flammspritzen
Beim Flammspritzen wird der Spritzwerkstoff in einer Brennstoff-Sauerstoff-Flamme aufgeheizt und auf das Substrat aufgespritzt. Der Spritzwerkstoff kann dabei pulver-, draht-, stab- oder schnurförmig vorliegen und allein durch die Verbrennungsgase oder mit einer Zerstäubergasunterstützung (zum Beispiel Druckluft) beschleunigt werden.
Die wesentliche Bedeutung innerhalb der Flammspritzverfahren haben die Verfahren Draht-, Pulver- und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen.
Beim Draht-Flammspritzen wird ein drahtförmiger Spritzwerkstoff von einer Brenngas-Sauerstoffflamme kontinuierlich abgeschmolzen und mit Hilfe eines Sekundärgases zerstäubt und beschleunigt. Die Variante des Hochgeschwindigkeits-Draht-Flammspritzens verwendet höhere Gasdrücke beim Sekundärgas, was in einer feineren Zerstäubung und höheren Partikelgeschwindigkeiten resultiert.
Beim Pulver-Flammspritzen wird pulverförmiger Spritzwerkstoff mittels eines Trägergases in eine Brenngas-Sauerstoffflamme injiziert, aufgeheizt und durch die expandierenden Verbrennungsgase beschleunigt.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) werden mittels einer kontinuierlichen Verbrennung in einer Brennkammer hohe Drücke der Verbrennungsgase erzeugt, welche die Gase in einer Expansionsdüse auf hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Überschallbereich beschleunigen. Der Spritzwerkstoff wird in der Brennkammer axial oder radial in den Flammstrahl injiziert. Die Partikel erreichen die höchsten Geschwindigkeiten innerhalb der Flammspritzverfahren beim HVOF. Als Brennstoffe werden hauptsächlich Kerosin (Petroleum) oder Acetylen, Propan, Propylen oder Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff oder Luft verwendet.
Kaltgasspritzen
Beim Kaltgasspritzen wird ein vorgewärmtes Prozessgas (hauptsächlich Stickstoff oder Helium) in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Die Gastemperatur liegt deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Spritzwerkstoffes. Der vor der Düse injizierte, pulverförmige Spritzwerkstoff erreicht hohe kinetische und relativ geringe thermische Energien. Beim Kaltgasspritzen können unerwünschte Oxidation oder auch Phasenumwandlungen des Spritzwerkstoffes vermieden werden. Der Prozess ist bislang auf metallische Werkstoffe beschränkt.
Lichtbogenspritzen
Beim Lichtbogenspritzen wird nur Draht als Spritzzusatz verwendet. An den Enden des Drahtes wird durch die angelegte Spannung ein Lichtbogen erzeugt, der die Enden schmelzen lässt. Die Werkstofftröpfchen werden mit Hilfe eines Zerstäubergases abgelöst und auf das Substrat geschleudert. Im Falle des atmosphärischen Lichtbogenspritzens ist dies in den meisten Fällen Druckluft. Wird im Vakuum gearbeitet, besteht das Zerstäubergas vornehmlich aus Argon. Die Drähte werden kontinuierlich nachgefördert. In beiden Fällen entsteht beim Vorbeifließen des Zerstäubergases am Lichtbogen ein Plasma, das aber nicht primär zum Aufschmelzen des Spritzzusatzes erzeugt wird.
Plasmaspritzen
Beim Plasmaspritzen wird ein Plasma generiert, worin der pulver- oder drahtförmige Spritzzusatz aufgeschmolzen wird. Als Plasmagas kommt primär Argon und Stickstoff mit Zumischungen von Helium oder Wasserstoff zum Einsatz.
Die Weise, mit der mittels elektrischer Energie ein Plasma erzeugt wird, unterteilt die Plasmaverfahren nochmals in zwei Gruppen, nämlich in die Hochfrequenz-(HF-) und die Gleichstrom-(DC-)Verfahren. Bei den Induktionsplasmaspritzverfahren ist eine Induktionsspule um ein zylindrisches Rohr angebracht, durch welches das Plasmagas strömt. Die Spule wird mit Frequenzen von ca. 200 kHz–3 MHz betrieben. Sie induziert Wirbelströme im Plasmagas, die die notwendigen Temperaturen erzeugen, um das Plasma nach der Zündung mit Hilfe eines Grafitstabes zu erhalten.
Gleichstrom-Plasmaspritzverfahren (an Atmosphäre, im Vakuum oder unter Schutzgasen) arbeiten mit einem Gleichstrom-Lichtbogen, der zwischen der ringförmig als Düse angeordneten Anode(n) und stiftförmigen Kathode(n) brennt und das Plasma erzeugt. Das Plasmagas strömt zwischen den konzentrisch angeordneten Elektroden. In das expandierende Gas wird überwiegend radial und außerhalb der Düse der pulverförmige Spritzwerkstoff injiziert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass hohe Enthalpien im Plasma zur Verfügung stehen, welche es erlauben refraktäre Werkstoffe aufzuschmelzen.
Die Verfahren des thermischen Spritzens weisen die beeindruckende Eigenschaft auf, nahezu alle Werkstoffe auf einer beinahe unlimitierten Auswahl an Substraten verarbeiten zu können.
Mit den verschiedenen beschriebenen Verfahren werden fast alle Materialien beschichtet: Metall, Keramik, Kunststoff und Textilien ebenso wie Holz oder Glas. Hauptsächlich angewendetes Substrat ist Metall. Beispiele hierfür sind Turbinenschaufeln, Dichtungsringe, Laufbuchsen, Förderschnecken, Motorventile oder Druckwalzen. Im Rahmen der Erfindung erfolgt nunmehr eine Lotbeschichtung.

Claims

Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe im Wege eines thermischen Spritzverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des thermischen Spritzverfahrens insbesondere Fe-, Ni- und Cu- sowie Al- und Zn-Basislote verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des sich an die Lotapplikation anschließenden Lötprozesses auf den Einsatz von Flussmitteln zum Entfernen und/oder Vermeiden von Oxidschichten verzichtet wird oder solche Flussmittel nur in reduziertem Umfang eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotapplikation wahlweise im Wege folgender Spritzverfahren erfolgt: Schmelzbadspritzen oder Flammspritzen oder Kaltgasspritzen oder Lichtbogenspritzen oder Plasmaspritzen.