Untersuchungen über die Warmfestigkeit von Hartlötverbindungen

85 Pages·1963·2.654 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Franz Bollenrath, Ahmed Ali Salem El-Sabbagh (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.l083
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Prof Dr.-Ing. Franz Bollenrath
Ahmed AN Salem EI-Sabbagh
Institut für Werkstoffkunde der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
Untersuchungen über die Warmfestigkeit
von Hartlätverbindungen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06566-1 ISBN 978-3-663-07479-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07479-3
Diese Arbeit wurde als Dissertationsschrift des zweit genannten Verfassers
von der Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen genehmigt
Verlags-Nr. 011083
© 1963 Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1963
Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag'
Inhalt
Kurzzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Übersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . ... . ... . ... . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 8
1. Einleitung .......................................................... 9
1.1 Begriffsbestimmungen ............................................ 9
1.11 Löten .......................................................... 9
1.12 Löttemperatur ................................................... 10
1.13 Lötzeit ......................................................... 10
1.14 Spaltbreite ...................................................... 10
1.15 Die metallurgischen Vorgänge beim Löten .......................... 10
2. Versuchswerkstoffe .................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Grundwerkstoffe ................................................. 13
2.11 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften ......................... 13
2.2 Lotwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.21 Thermische Analyse .............................................. 15
3. Versuchsanordnung ................................................. 18
3.1 Probenformen ................................................... 18
3.11 Probenform zur Ermittlung der Zugfestigkeit der Hartlötverbindungen 18
3.12 Probenform zur Ermittlung der Scherfestigkeit der Hartlötverbindungen. 20
3.13 Einfluß der Radialkräfte auf die Scherfestigkeit der Lötverbindungen ... 22
3.2 Erwärmen der Proben für das Löten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.21 Aufheizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
3.22 Steuerung der Löttemperatur ...................................... 29
3.3 Lötvorrichtungen................................................ 30
3.31 Lötvorrichtungen für Zugproben .................................. 30
3.32 Lötvorrichtungen für Scherproben ................................. 32
3.4 Temperaturmessung beim Löten ................................... 32
3.5 Bearbeiten und Vorbereiten der Proben zum Löten...... . . ... .... . . . . 33
3.6 Erwärmung und Beanspruchung der Proben für Zerreiß- und Scherver-
suche ........................................................... 34
3.61 Zugproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34
3.62 Scherproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4. Versuche bei Raumtemperatur und bei höheren Temperaturen. . . . . . . . .. 37
4.1 Lötverfahren.................................................... 37
4.2 Einfluß einiger Faktoren auf den Lötvorgang ........................ 40
4.21 Einfluß der Löttemperatur und Lötzeit auf den Querschnittsanteil des
Lotes (FL/Fo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
4.22 Verhältnis FL/Fo und Zugfestigkeit der Lötverbindungen 40
4.23 Oberflächenbeschaffenheit und Güte der Lötverbindungen 41
4.24 Spaltbreite und Zugfestigkeit der Stumpflötverbindungen 44
4.25 Spaltbreite und Scherfestigkeit der Lötverbindungen ................. 51
4.26 Einfluß der überlappungstiefe bzw. der Lotflächengröße auf die Scher-
festigkeit der Lötverbindungen .................................... 53
4.3 Warmfestigkeit der Lötverbindungen ............................... 54
4.31 Lötverbindungen von Grundwerkstoff St 00.11 ...................... 54
4.32 Lötverbindungen von Grundwerkstoff St 60.11 ...................... 58
4.33 Lötverbindungen von Grundwerkstoff Cu und SnBz 8 ................ 62
4.34 Lötverbindungen von Grundwerkstoff M Al Bz ..................... 62
4.35 Lötverbindungen von Grundwerkstoff X 12 CrNi 18 8 ................ 67
Zusammenfassung...................................................... 76
Literaturverzeichnis .................................................... 79
6
Kurzzeichen
oe
Arbeitstemperatur ,')-A
Zugfestigkeit des Grundwerkstoffes O"BG kpjmm2
Zugfestigkeit der Lötverbindung O"BV kpjmm2
Scherfestigkeit der Lötverbindung 't"BV kpjmm2
Scherspannung 't" kpjmm2
Scherfestigkeit 't"B kpjmm2
Radialspannung beim Scherversuch O"r kpjmm2
Tangentialspannung beim Scherversuch O"t kpjmm2
Druckfestigkeit O"dB kpjmm2
Streckgrenze O"s kpjmm2
Vickershärte HV kpjmm2
Stabquerschnitt der zu lötenden Zugprobe Fo mm2
Lotquerschnitt FL mm2
Anfangsdurchmesser der Zugprobe an der Lötstelle do mm
Scherfläche bei Scherprobe Ft" mm2
Querschnitt der Zugprobe Fo mm2
Außendurchmesser der Scherprobe DA mm
Innendurchmesser der Scherprobe D mm
1
Einstecktiefe bei Scherprohe h mm
Ermittelte Scherfestigkeit mittels Druckbeanspruchung 't"dB kpjmm2
Ermittelte Scherfestigkeit mittels Zugbeanspruchung 't"zB kpjmm2
Durchmesser der zu lötenden Zugprobe D mm
p
Innendurchmesser der Induktionsspule Ds mm
Benetzungswinkel e
()berflächenspannung y Ergjcm2
7
Durchführung von Versuchen zur Ermittlung von Zug- und Scherfestigkeit ver
schiedener Hartlätverbindungen an Kohlenstoffstählen, einem austenitischen
rostfreien Stahl und Elektrolytkupfer sowie einigen Kupferlegierungen bei sta
tischer Beanspruchung zwischen 20 und 6000 C
8
1. Einleitung
Beim Herstellen verschiedener Maschinenteile aus Verbindungen mehrerer ein
facher Elemente können Schmelzschweißen und mechanische Verbindungsver
fahren oft nur sehr schwer bzw. nicht angewandt werden. In manchen Fällen be
ruhen diese Schwierigkeiten auf Formen und Stückgrößen der zu verbindenden
Teile, etwa bei Verbindungen von dünnen Blechen, während in anderen Fällen
technologische Schwierigkeiten verursacht werden. Dann wendet man in erhöh
tem Maße Hartlötverbindungen an, so daß es für den Konstrukteur notwendig
wird, die Eigenschaften dieser Verbindungsarten zu kennen. Bisher sind ver
gleichbare Versuchsergebnisse über die Festigkeit von einigen Lötverbindungen
nur bei Raumtemperatur bekannt geworden. Wie sich bei der Aufstellung der
Werkstoffnormen für den Flugzeugbau gezeigt hat, liegen über den Einfluß der
Temperatur auf die Festigkeitseigenschaften der Verbindungen nur ungenügende
oder zum Teil keine Resultate vor. Durch die immer häufigere Anwendung von
Hartlötverbindungen, insbesondere im Turbinenbau und im Flugzeugbau (z. B.
Zelle bei Überschallgeschwindigkeit, Triebwerk und Wärmeaustauscher), müssen
Festigkeitswerte auch bei erhöhten Temperaturen ermittelt werden.
In der vorliegenden Untersuchung wurde die Warmfestigkeit bei Zug- und bei
Scherbeanspruchung von Hartlötverbindungen einiger Werkstoffe des Flugzeug
baues ermittelt. Dazu wurden zunächst Lötverbindungen von Stählen und
Kupferlegierungen unter induktiver Erwärmung bzw. Erhitzung im Ofen herge
stellt und bei s.tatischer Zug- und Scherbeanspruchung in Abhängigkeit von der
Temperatur untersucht.
1.1 Begriffsbestimmungen
In der Literatur findet man zahlreiche Definitionsvorschläge für die Vorgänge
beim Löten. COLBUS hat diese Vorschläge, die aus verschiedenen Ländern stam
men, in einigen Arbeiten zusammengefaßt [1, 2, 3]. Ein Entwurf aus der Nor
mungsarbeit 1959 [4] über diese Begriffe ist veröffentlicht worden. Es ist jedoch
zweckmäßig, die auf internationaler Übereinkunft beruhenden Begriffsbestim
mungen der Kommission I des IIW (International Institut for Welding) [5] anzu
wenden. Danach ist
1.11 Löten
ein Verfahren zum Vereinigen metallischer Werkstücke mit Hilfe eines geschmol
zenen Zulegemetalles (Lotes), dessen Schmelztemperatur unterhalb derjenigen
9
der zu verbindenden Werkstücke liegt, und das die Grundwerkstoffe benetzt,
ohne daß diese geschmolzen werden.
Im allgemeinen wird das Löten mit einer Schmelztemperatur des Lotes oberhalb
450°C als »Hartlöten« 'bezeichnet. Liegt dagegen die Löttemperatur unterhalb
450°C, so spricht man von »Weichlöten«.
1.12 Die LÖ'ttemperatur (.& A)
COLBUS [3] nannte, bezugnehmend auf den Vorschlag der Arbeitsgruppe 26
»Löten im DVS«, als Löttemperatur die »Arbeitstemperatur«, d. i. die Tempe
ratur, »die das Werkstück an der Berührungsstelle zwischen Lot- und Grund
werkstoff mindestens erreicht haben muß, damit das Lot binden und gleichzeitig
fließen kann«. Die Arbeitstemperatur liegt immer oberhalb des Soliduspunktes,
also bei Legierungen innerhalb des Schmelzintervalles. Sie kann aber auch ober
halb des Liquiduspunktes liegen.
1.13 Lötzeit
Als Lötzeit wurde in dieser Arbeit die Dauer bezeichnet, während der die Löt
verbindung auf Arbeitstemperatur gehalten wird.
1.14 Spaltbreite
ist der Abstand zwischen den durch das Lot zu verbindenden Werkstoffober
flächen, gemessen in Richtung der Flächennormale.
1.15 Die metallurgischen Vorgäl~e beim Löten
Die folgende Darstellung ist eine Zusammenfassung der bisherigen Veröffent
lichungen über die Grenzflächenvorgänge zwischen Lot und Grundwerkstoff
[2, 6, 7, 15, 16, 25].
Die das Löten kennzeichnende Benetzung ist ein Grenzflächenvorgang zwischen
einem flüssigen Lot und einem festen Grundwerkstoff. Ein Maß für den Be
netzungsgrad eines Tropfens flüssigen Metalles auf der Oberfläche eines festen
Metalles ist der Tropfenrandwinkel 0 (Abb. 1). Danach ist im Gleichgewicht
Yl,3 - Yl,2 = Y2,3 cos 0 (1)
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Flußmittel
oder Gas flüssiges Lot
(3) (2)
Y1.2
festes Metall (1)
Abb. 1 Yl.3 = Grenzflächenspannung zwischen festem Metall und Umgebung, Fluß
mittel oder Gas
Yl.2 = Grenzflächenspannung zwischen festem Metall und flüssigem Lot
Y2.3 = Grenzflächenspannung zwischen flüssigem Lot und Fluß;nittel oder Gas
Die Benetzbarkeit kann nach der Größe des Tropfenrandwinkels (8) eingeteilt
werden:
a) 8 sehr klein oder 8 R:J 0 (nahezu vollkommene Benetzung).
b) 8 :;;;; 90° (unvollkommene Benetzung), der Tropfen erfährt eine linsenför
mige Ausbildung.
c) 8 R:J 90°. Der Tropfen bildet erst bei starker Überhitzung einen abgeplatteten
Körper mit spitzem Randwinkel, der sich bei Abkühlung zusammenzieht und
einen Randwinkel von R:J 90° bildet (Entnetzung).
Im allgemeinen werden Hartlotlegierungen, die bei Benetzung des Grundwerk
stoffes einen Randwinkel :;;;; 30° bilden oder die beim Abkühlen entnetzen, als
unbrauchbar bezeichnet.
Beim Löten ist das flüssige Lot einige Sekunden bis einige Minuten in Berührung
mit dem Grundwerkstoff. Während dieser Zeit kann Diffusion eintreten, wenn
zwischen Grundwerkstoff und Lot Löslichkeit im festen Zustand vorliegt bzw.
die Bedingungen für die Bildung einer intermetallischen Verbindung gegeben
sind. Neben dieser nachweisbaren Diffusion besteht auch die Möglichkeit einer
Diffusion, die infolge der erhöhten Oberflächenenergie bei der Löttemperatur nur
eine Eindringtiefe von der Größenordnung einiger Atomabstände ergibt.
Nach UMSTÄTTER [26, 1] ist die Benetzbarkeit zweier Stoffe und ihre gegenseitige
Löslichkeit um so größer, je genauer ihre thermischen Schwingungsfrequenzen
der Oberflächenatome bzw. Moleküle übereinstimmen. Metalle, die in der Fre
quenzreihe nahe beieinander stehen, legieren und benetzen sich gut, wie z. B.
Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Ag oder Pb-Sn, nicht aber solche, die in der Frequenzreihe
weiter voneinander entfernt sind, wie z. B. Hg-Fe.
BAILEY und WATKINS [16] haben bei Benetzbarkeitsversuchen an vielen Rein
metallpaaren beobachtet, daß sich eine Benetzung ergibt, wenn die Möglichkeit
einer intermetallischen Verbindung oder eine Mischkristallbildung gegeben ist,
andernfalls trgibl sich keim: Belll:tzung oder eine Entnerzung, wie z. B. für Fe-Ag
nachgewiesen wurde. Trotz des Entnetzungsvorgangs zwischen Fe-Ag finden
jedoch FISCHER [25] und BREDZS [9], die einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoff
gehalt mit Reinsilber gelötet haben, hohe Zugfestigkeiten der Lötverbindungen
zwischen 34 und 46 kpjmm2• Die Bruchfläche lag innerhalb der Lötschicht.
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