INFO Hartlöten von Hartmetall-Stahl-Verbindungen


Hartmetalle und Trägerwerkstoffe


Hartmetalle

Hartmetalle sind gesinterte Werkstoffe aus einem oder mehreren Hartstoffen, die in eine metallische Bindematrix eingebettet sind. Zusammensetzung, Gefüge und Fertigungstechnik bieten weite Variationsmöglichkeiten. So stehen heute Hartmetalle mit unterschiedlichsten Eigenschaften am Markt zur Verfügung. Viele Hartmetalle, insbesondere auch die mit höchster Verschleißfestigkeit und Zähigkeit bestehen fast ausschließlich aus Wolframkarbid mit Kobalt als Bindemetall. Durch weitere Karbide, wie z.B. TiC kann das Eigenschaftsprofil erweitert werden. Leistungsbestimmende Eigenschaften der Hartmetalle sind im wesentlichen die Kenngrößen: Härte, Warmhärte, Biegebruchfestigkeit, Diffusions- und Oxidationsbeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit Ein ideales Hartmetall vereint die gegensätzlichen Eigenschaften einer hohen Härte mit gleichzeitig hoher Biegebruchfestigkeit. Die Weiterentwicklung der Hartmetalle und Herstellungstechnik führten zu neuen feinkörnigen Hartmetallsorten hoher Härte ohne Rückgang der Zähigkeitseigenschaften.

 

Unterschieden werden nach ISO drei Anwendungsgruppen der Hartmetalle.

  • P-Gruppe- hier sind die Bestandteile meist Wolframkarbid + Titankarbid.
  • K-Gruppe- Hauptbestandteil Wolframkarbid.
  • M-Gruppe- Typ zwischen P und K, Hauptbestandteil Wolframkarbid mit geringen Anteilen an Titankarbid.

 

Grundsätzlich gilt, daß mit steigendem Titankarbidgehalt die Lötbarkeit mit traditionellen Verfahren und Zusätzen abnimmt. Daher sind Hartmetalle der Anwendungsgruppe K bevorzugt für das Hartlöten zu verwenden.

 

Neben der chemischen Zusammensetzung spielt die Oberflächenbeschaffenheit der Hartmetalle eine wichtige Rolle. So verbessert eine Anreicherung mit Kobalt die Lötbarkeit, wogegen eine Verarmung an Kobalt (abdampfen des Kobalts) bzw. auch das Vorhandensein von Resten der Sinterhaut (z.B. Siliziumoxide), die Lötbarkeit verschlechtern, bzw. ganz ausschließen.

 

Die Herstellung der Hartmetalle erfolgt im allgemeinen in mehreren Prozeßstufen:

  • Mahlen
  • Metallgranulierung
  • Formgebung (Herstellung des Grünlings)
  • Warmsintern, mit und ohne zusätzlich aufgebrachtem Druck.

 

Mit der Anwendung von Hartmetallen erhebt sich sofort die Frage nach der einsetzbaren Fügetechnik zur Herstellung von hartmetallbestückten Bauteilen. Hier hat das stoffschlüssige Fügen, insbesondere das Hartlöten, einen hohen Anteil.


Trägerwerkstoffe für Hartmetalle

Werkzeuge sind sehr unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen unterworfen. An der Kontaktstelle mit dem zu bearbeitenden Werkstück wird der Werkstoff extrem hohen Reibungskräften ausgesetzt, woraus sich ein hoher Verschleißwiderstand, d.h. eine hohe Härte, als wesentlichste Forderung an jedes Werkzeug ableitet. Für schlagartige Beanspruchungen muß der Werkstoff eine ausreichende Zähigkeit besitzen. Eingesetzt werden üblicherweise Hochleistungsschnellstähle wie z.B. HSS 1.3343 oder HSS-E 1.3243. Die Fügepartner haben im Vergleich zum Hartmetall eine höhere Zähigkeit und geringere Festigkeit und Härte. Die Ausdehnungskoeffizienten sind ebenfalls unterschiedlich. An das Design und die Lotauswahl zum Fügen werden daher entsprechend hohe Anforderungen gestellt.


Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten

Stahl: 11-14 x 10 K HM

Hartmetall: 5-7 x 10 K 

 
Einfluss des Wärmeausdehnungskoeffizienten

Die außergewöhnlichen technologischen und physikalischen Eigenschaften der Hartmetalle ergeben beim Löten mit einer Stahlunterlage (Trägerstahl) Erschwernisse. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Hartmetallen und Trägerstählen verhalten sich etwa 1 : 2.

 

Sobald das Lot unterhalb der Soliduslinie erstarrt ist, beginnen sich, infolge des unterschiedlichen Schrumpfens, beim Abkühlen in den beiden durch das Lot verbundenen Partnern Spannungen auszubilden.

 

Der Trägerstahl wird am Schrumpfen gehindert, in der Nähe der Lötnaht daher gedehnt. Dadurch ergeben sich in den meisten Fällen im innern Zugspannungen. Das Hartmetall dagegen wird wegen der geringeren Schrumpfung gestaucht, d.h. es ergeben sich hier Druckspannungen. In den meisten Fällen kommt es allerdings im Hartmetall zu einer Kombination von mehreren Spannungsarten, so daß in vielen Fällen ein Biegemoment im Hartmetall auftritt. Dieses Biegemoment in den Hartmetallen führt dann in der Randzone zu Anrissen, da das Hartmetall zwar eine hohe Druckfestigkeit aber nur eine sehr geringe Dehnung bei Zug- und Biegebeanspruchung aufweist. So entstehen die gefürchteten Hartmetallrisse. Aus diesem Grund wählt man meist Trägerstähle mit einer hohen Streckgrenze und hoher Zugfestigkeit - Werkzeugstähle mit Kohlenstoffgehalt - 0,5 bis 0,7 % - und einer Zugfestigkeit von ca. 700 – 1000 N/mm². Für hochbeanspruchte Schneidwerkzeuge sind dies meist lufthärtende Trägerstähle, deren Vergütung aus der Lötwärme erfolgen kann.

 

Die auftretenden Spannungen können durch die Wahl des Lotes und des Montagespaltes beeinflußt werden.

Bei Loten mit niedriger Arbeitstemperatur < 750 °C, werden die Spannungswerte verständlicherweise geringer. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, vor allem bei großflächigen Hartmetall/Stahlverbindungen, die Anwendung der Sandwich-Lotfolie(A 312 F). Der breite Lötspalt und die weiche Kupferschicht sorgen bei der Abkühlung für den Abbau der entstehenden Spannungen durch plastische Verformung.

 

Weitere Möglichkeiten zum Spannungsabbau bestehen in der Anwendung von geschlitzten Stahlträgern oder in der Unterteilung der Hartmetalle in Einzelteile, d.h., es wird nicht ein kompaktes Hartmetall, sondern mehrere kleine Einzelstücke aus Hartmetall verlötet. Beim Löten von schlanken und langen Hartmetall/Stahlverbindungen, z.B. Papiermessern, ist es üblich, diese entgegengesetzt des auftretenden Verzuges vorzuspannen und in diesem Zustand zu löten.

 

Die Anwendung von Drahtgewebeeinlagen zwischen Hartmetall und Trägerwerkstoffen führt zu einer Verbreiterung des Lötspaltes (> 0,1 mm) und somit zum Spannungsabbau.

 

Lötgerechte Konstruktion


Geometrie und Gestaltung der Fügeverbindung

Beim Einsatz des Werkzeuges soll die Lotverbindung die angreifenden Kräfte schadlos überstehen. Die Lötverbindungen dürfen keine Spannungsspitzen ins bruchgefährdete Hartmetall einleiten. Dies wird erreicht mit größeren Lotspalten und Einsatz von Schichtloten. Die Lotspaltdicke sollte über die gesamte Verbindungsfläche eine konstante Dicke aufweisen. Hierzu sollten Hartmetall und Werkzeugträger im Fügebereich die gleiche Kontur aufweisen. Je nach Fügepartner, Lot und erreichter Lötqualität können die Fügebereiche Scherkräfte von ca. 150-300 MPa überstehen.

 

Zusammenfassung Geometrie

  • Konstruktion des Fügebereiches für optimale Einleitung von Druck- und Scherbelastungen,
  • konstante Spaltbreiten im Fügebereich
  • identische Kontur der Fügepartner
  • Spaltbreite zum Spannungsausgleich ausreichend dick auslegen.

Geeignete Lote und Flussmittel

 

Silberlot, wie das Lot A 324 oder A 312 F eignen sich hervorragend für die Herstellung, belastbarer Hartmetall/Stahl-Verbindungen. Die thermische Beständigkeit ist bis ca. 200 - 300 °C gegeben. Aufgrund der zu meist etwas niedrigeren Löttemperatur, bilden sich geringere Spannungen in der Lötnaht aus. Zu empfehlen ist insbesondere, wenn es sich um titan-karbidhaltige Hartmetalle handelt und damit sehr spröde Hartmetalle, daß die Fügefläche des Hartmetalls vor dem Löten mit Kupfer oder Nickel beschichtet ist. Empfohlene Montagespaltbreite 0,1 bis 0,2 mm. Flußmittel: F 300 H Ultra NT und F 300 HM.


Die Verarbeitung der Lote erfolgt mittels Flamm-, Induktiv- oder Widerstandslöten. Die Verwendung von cadmiumfreien Silberhartloten ermöglicht deutlich niedrigere Löttemperaturen als mit Cu/Cu-Basisloten. Die Lötung erfolgt vornehmlich mit Flussmittel induktiv oder auch mit Flamme an Luft. Die niedrige Löttemperatur reduziert die maximal auftretenden Spannungen im Hartmetall. Durch Verbreiterung des Lotspaltes kann ein Teil der Spannungen durch plastische Formänderung des Lotes abgebaut werden.


Sollen Werkzeuge nach dem Löten mit TiN für eine höhere Lebensdauer beschichtet werden muss zum Löten ein geeignetes zinkfreies Silberhartlot verwendet werden. Wegen des geringen Dampfdruckes von Zink und Oberflächentemperatur von bis zu 500°C beim PVD-Beschichtungsprozess dampft das Zink bei der Vakuumbehandlung aus. Die Folgen sind neben Maßhaltigkeitsverlusten ein Verfall derFestigkeit der Lotverbindung und der Verunreinigung des Vakkumofens mit Zink. Auch bei Ofenlötungen empfiehlt sich der Einsatz zinkfreier Lote. Die bei Ofenlötungen vergleichsweise lange Lötzeit führt zu Ausdampfungen von Zn.

 


Schichtlote. wie die Lotfolie A 312 F  haben eine weite Verbreitung beim Löten von Werkzeugen gefunden. Sie kombinieren die gute plastische Verformbarkeit des Kupfers mit der niedrigen Arbeitstemperatur der Silberhartlote. Eine Zwischenschicht aus Kupfer ist beidseitig mit Silberhartlot plattiert. Beim Abkühlen nach dem Löten werden auftretende Spannungen durch plastische Verformung der im Vergleich zum Lot und den Fügepartnern weichen Kupferzwischenschicht reduziert. Das Hartmetall bleibt hierdurch spannungsfrei. Ab ca. 100 mm² Lötfläche lassen sich Hartmetalle nur noch mit Schichtloten spannungsfrei löten. Je nach Geometrie und Anwendung werden Schichtlote auch bei kleineren Lötflächen eingesetzt.

 

Messing- und Neusilberlote werden zum Teil für Straßenbauwerkzeuge, Bohrwerkzeuge und für Hartmetallverschleißteile eingesetzt. Empfohlene Montagespaltbreite ca. 0,2 bis 0,4 mm; die Verarbeitung erfolgt meist mittels Flamm- oder Induktionslötung und Flußmittel. Geeignete FONTARGEN-Hartlote sind: Neusilberlot AF 101 und Messinglot AF 210

 

Flussmittel für Hartlötungen an Hartmetall

 

Für eine erfolgreiche Benetzung der Fügepartner, speziell des Hartmetalles mit Lot ist eine oxidfreie Oberfläche notwendig. Die Flussmittel unterscheiden sich für verschiedene Anwendungsgebiete hinsichtlich Arbeitstemperatur, metallspezifischem Lösevermögen der Oxide und ihrer Konsistenz in Abhängigkeit der Art der Zugabe.
Checkliste Flussmittel

  • ein zum Löten von Hartmetallen vom Hersteller empfohlenes Flussmittel verwenden.
  • bei automatisierten Lötprozessen ein dosierfähiges Flussmittel einsetzen.
  • ausreichende Menge an Flussmittel ermitteln und dosieren.

Flussmittel für Hartmetalllötungen

 
Prüfmöglichkeiten für gelötete Hartmetallverbindungen


Die anwendbaren Möglichkeiten zur Prüfung von Hartlötverbindungen sind abhängig von Geometrie, Materialpaarungen und Abmessungen der gelöteten Bauteile. Grundsätzlich unterscheiden sich die Prüfungsarten zwischen zerstörender und nicht zerstörender Prüfung. Sie sind in den europäischen Normen EN 12797 und EN 12799 näher beschrieben.

  •     12797 Scherzugprüfung Absolute Aussage zur Qualitätslage, direkte Funktion der Lötqualität.
  •     12797 Zugprüfung Absolute Aussage zur Qualitätslage, direkte Funktion der Lötqualität
  •     12797 Metallographische sehr hohe Aussagekraft, es lassen sich Untersuchung viele Einflüsse isolieren.
  •     12797 Härteprüfung Je nach Material Rückschluss auf Temperaturführung im Lötprozess.
  •     12797 Schälprüfung
  •     12797 Biegeprüfung
  •     12799 Sichtprüfung Qualitativ, begrenzte Aussagefähigkeit in Abhängigkeit der Lotzuführung
  •     12799 Ultraschallprüfung Quantifizierung der Benetzungsfläche möglich, begrenzt einsetzbar
  •     12799 Durchstrahlungsprüfung- hohe Investitionskosten, Rückschlüsse auf Poren und Fehlstellen
  •     12799 Eindringprüfung
  •     12799 Dichtheitsprüfung für Rohre, Behälter
  •     12799 Überdruckprüfung für Rohre, Behälter
  •     12799 Thermographie hohe Investitionskosten, Rückschlüsse auf Benetzungsgrad

 

Zur grundsätzlichen Feststellung der Qualität des bestehenden Lötprozesses, bei Qualitätsproblemen oder beim Anfahren neuer Anlagen und zur zielgerichteten Verbesserung der Prozessqualität bieten sich zerstörende Prüfungen mit größeren Stichproben wegen ihrer sehr hohen Aussagekraft an. Ist erst ein hoher Qualitätslevel eingestellt, kann mit reduziertem Prüfaufwand die Qualität durch Anwendung der statistischen Qualitätskontrolle gehalten werden. Die Auswahl der Prüfmethoden, ihre Anwendbarkeit, die sinnvolle Stichprobengröße und ihre Anzahl sind sehr abhängig vom Bauteil, dem Lötprozess, der spezifizierten Anforderungen der Kunden, der Zielsetzung der Prüfung und der Wirtschaftlichkeit. Sie sind individuell festzulegen


Visuelle Prüfung der Lotnähte

Eine gut aussehende Hohlkehle bedeutet nicht zwangsläufig auch eine sehr gute Lötqualität. Sind aber verstärkt Poren sichtbar, lässt sich umgekehrt eine Qualitätsverschlechterung attestieren. Poren könnten Flussmitteleinschlüsse oder eine Überhit zung des Lotes als Ursache haben. Flussmitteleinschlüsse treten verstärkt auf, wenn der Lötbereich nicht mindestens bis auf Arbeitstemperatur des Lotes durchwärmt wurde. Im dann dickflüssigen Lot können die Flussmittelrückstände dann nicht mehr so leicht an die Oberfläche gespült werden Wird das Lot überhitzt, kommt es zum „Kochen“. Das Legierungselement Zink hat einen sehr niedrigen Dampfdruck und dampft. Die wird verstärkt ver Zink-Dampfblasen bleiben als Pore zurück im erstarrten Lot.

Zerstörende Abscherversuche

Durch Abscherversuche lässt sich die maximale Belastbarkeit der Lötverbindung messen. Die Ergebnisse spiegeln die Summe aller Einflüsse des Designs der Fügepartner und des Lötprozesses geeignet die Lötqualität wieder und sind dadurch quantitativ darzustellen.

Metallographische Untersuchungen

Durch metallographische Präparation einer Fügestelle und ihrer Untersuchung im Lichtmikroskop lassen sich sehr viele Einflussfaktoren isolieren. Diese Untersuchungsmethode erlangt hierdurch eine sehr hohe Aussagekraft.

Visuelle Prüfung des Rücklaufs defekter Werkzeuge

Verschleiss oder Überbeanspruchung der Werkzeuge führen zu Ausfällen einzelner Sägezähne. Vielfach werden solche Werkzeuge generalüberholt und neue Sägezähne auf das alte Stammblatt gelötet. Durch Beurteilung des Lotbereiches abgebrochener Zähne lassen sich u.U. rückwirkend weise auf den Lötprozess ableiten. Die Summe aller beschriebenen Einflussgrößen der verwendeten Werkstoffe, der Geometrie, des Lotes und Flussmittels, des Fügeprozesses und die Lebensgeschichte des Werkzeuges im Einsatz bestimmen die Lebensdauer des Werkzeuges und sein Schadensbild. Wegen der Komplexität der Zusammenhänge ist eine solche Beurteilung im Kontext der Werkzeughistorie sehr sorgfältig vorzunehmen.


Bruchlinien im Hartmetall

Bruchlinien im Hartmetall zeugen von einer Überbelastung der Hartmetalle. Mögliche Ursachen können sein:

  •     Qualität der Hartmetalle
  •     ungünstige Krafteinleitung wegen Geometrie des Fügebereiches und der Fügepartner
  •     zu hohe innere Spannungen im Hartmetall wegen zu geringem Lotspalt oder fehlender vollständiger Cu-Zwischenschicht.


Abriss zwischen Lot und Fügepartner

Abriss zwischen Hartmetall und Lot oder Stammblatt und Lot deutet auf eine unzureichende Lotbenetzung hin. Mögliche Ursachen können sein:

  •     Fügepartner war nicht auf Arbeitstemperatur des Lotes,
  •     zu wenig oder falsches Flussmittel beim Löten,
  •     zu lange Lötzeit.
  •     Überbelastung des Hartmetalls durch ungünstige Krafteinleitung oder Qualitätsproblem des Hartmetalls.
  •     Kontur in der Ecke zwischen Stammblatt und Hartmetall nicht identisch.
  •     die Geometrie Hartmetall-Stammblatt in der Ecke ist nicht konturgenau.
  •     der Anpressdruck beim Löten war zu groß, wodurch das Lot im flüssigen Zustand herausgepresst wurde und der verbleibende Lotspalt zwischen Kupfer und Hartmetall gegen Null tendiert
  •     die Lotfolie wurde nicht im Rückenbereich bis zur Hohlkehle durchgeführt, es kam zum Anriss


Abriss in der Kupferzwischenschicht

Abriss in der Kupferzwischenschicht ist die „Sollbruchstelle“ der Lötung. Im Vergleich zum Lot und den Fügepartnern hat die Cu-Zwischenschicht die geringsten Festigkeitswerte. Diese gewollte Eigenschaft ermöglicht erst den Spannungsabbau nach dem Lötprozess. Für Abrisse die deutlich vor einer durchschnittlichen Werkzeuglebensdauer sind mögliche Ursachen:

  •     Überbelastung der Werkzeuge,
  •     zu geringem Lotspalt oder falsche Dicke der Cu-Zwischenschicht
  •     angelöste Cu-Zwischenschicht wegen Überhitzung beim Lötprozess
  •     zu geringe erzielte Benetzungsfläche.


Poröse Abrissflächen im Lot

Poröse Abrissflächen im Lot zeugen von einer reduzierten Festigkeit der Lötverbindung. Mögliche Ursachen können sein:

  •     Überhitzung des Lotes beim Lötvorgang,
  •     Überhitzung des Flussmittels beim Lötvorgang,
  •     Einschluss von Flussmittelresten im Lotspalt,
  •     unter Umständen zu wenig Lotangebot im Lotspalt