Contribution to microstructure formation and phase determination in nickel-based solder joints depending on the solder gap width

Kurzfassung

Nickel-Basis-Lote werden häufig für Fügeverbindungen an hochlegierten Stählen, Kobalt- und Nickellegierungen eingesetzt. Diese Lotwerkstoffe wurden gegen Ende der 1940er Jahre für das Löten von Triebwerksteilen im Flugzeugbau entwickelt. Aufgrund ihrer besonderen Hoch- und Tieftemperaturbeständigkeit, ihrer guten Festigkeit sowie hohen Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit decken sie einen breiten Anwendungsbereich ab. Meist werden sie als Lotfolien oder Lotpulver zum Vakuum- oder Schutzgas-Ofenlöten in Wärmetauschern für den Kraftwerksbau oder in der Luftfahrt- und Medizintechnik eingesetzt. Sie zeichnen sich durch gutes Spaltfüllungsvermögen sowie geringe Porositätsneigung aus. Damit die Löttemperaturen deutlich unter den Schmelztemperaturen der rostfreien Stähle liegen, werden den Lotlegierungen Elemente zulegiert, die stark den Schmelzpunkt senken. Dafür eignen sich Bor, Silizium und Phosphor besonders gut, sie bilden jedoch bei größeren Lotspalten spröde intermetallische Phasen [1]. Bei der Auswahl des Lotwerkstoffs spielen Arbeitstemperatur, Werkstoffbenetzung und Lötspaltfüllung die wesentliche Rolle. Doch auch die Gefügeausbildung im Lot und in der Wärmeeinflusszone des Grundwerkstoffs mit den daraus resultierenden Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Dehnung, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind von Bedeutung.

Voraussetzung für eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Lot und Grundwerkstoff sind Diffusionsvorgänge während des Lötprozesses. Je länger die Dauer, umso stärker findet Diffusion zwischen Lot und Grundwerkstoff statt, wodurch sich das Gefüge verändert. Dies wurde unter anderem durch Diffusionsglühversuche, mit denen sich die Zähigkeit der Lötnähte verbessern ließen, nachgewiesen [2]. Die Diffusionsgeschwindigkeit der Atome aus dem Grundwerkstoff in das flüssige Lot ist in der Regel größer als umgekehrt. So diffundiert bei der Verbindung von rostfreien Edelstählen mit Nickel-Basis-Loten auch Chrom aus dem Stahl in das Lot, was die verstärkte Ausbildung von spröden eutektischen Phasen wie Boride, Silicide und Phosphide vorzugsweise in der Mitte der Lötnaht begünstigt. Es entstehen sogenannte Sprödphasenbänder, welche die Festigkeit der Lötverbindung herabsetzen können. Eine starke Abhängigkeit der Lötnahteigenschaften von der Lötspaltbreite ist dabei charakteristisch. Die Bildung von Sprödphasenbändern wird durch breite Spalte begünstigt [1]. Bei sehr kleinen Spaltbreiten tritt bei einigen Loten kein Eutektikum auf. Bei Spaltbreiten, die größer als 50 μm sind, bilden sich je nach Legierungszusammensetzung verschiedene binäre und ternäre Eutektika aus intermetallischen Phasen. An den untersuchten Proben wurden diese Abhängigkeiten bestätigt. Bei der Verwendung von Bor-haltigen Loten beobachtet man außerdem in der Wärmeeinflusszone die Bildung von Chrom-Eisen-Boriden auf den Korngrenzen des Stahls aufgrund Diffusion von Bor aus dem Lot, was zur Chromverarmung führen und die Anfälligkeit für interkristalline Korrosion erhöhen kann. Die Abhängigkeit vom Lötspalt, die Beschreibung der komplexen Gefüge und die Phasenidentifizierung in den drei Loten im Vergleich zueinander zu untersuchen war die Motivation für diese Arbeit.