Löten in der Werkzeugindustrie · 2019-04-25 · 2. Grundlagen zur Lötung von Werkzeugen 7 men...

11.1.1. Kapitelbezeichnung

Löten in der Werkzeugindustrie

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Löten in der Werkzeugindustrie

von Dipl.-Ing. Max Schimpfermann Dipl.-Ing. Daniel Schnee Technical MaterialsBrazeTec


4 1.1.1. Kapitelbezeichnung

Unsere Angaben über unsere Produkte und Geräte sowie über unsere Anlagen und Verfahren

beruhen auf einer umfangreichen Forschungsarbeit und anwendungstechnischen Erfahrung.

Wir vermitteln diese Ergebnisse, mit denen wir keine über den jeweiligen Einzelvertrag

hinausgehende Haftung übernehmen, in Wort und Schrift nach bestem Wissen, behalten uns

jedoch technische Änderungen im Zuge der Produktentwicklung vor. Darüber hinaus steht

unser anwendungstechnischer Dienst auf Wunsch für weitergehende Beratungen sowie zur

Mitwirkung bei der Lösung fertigungs- und anwendungstechnischer Probleme zur Verfügung.

Das entbindet den Benutzer jedoch nicht davon, unsere Angaben und Empfehlungen vor ihrer

Verwendung für den eigenen Gebrauch selbstverantwortlich zu prüfen. Das gilt – besonders

für Auslandslieferungen – auch hinsichtlich der Wahrung von Schutzrechten Dritter sowie für

Anwendungen und Verfahrensweisen, die von uns nicht ausdrücklich schriftlich angegeben

sind. Im Schadensfall beschränkt sich unsere Haftung auf Ersatzleistungen gleichen Umfangs,

wie sie unsere Allgemeinen Verkaufs- und Lieferbedingungen bei Qualitätsmängeln vorsehen.



1. Einleitung 6

2. Grundlagen zur Lötung von Werkzeugen 7

2.1 Schneidstoffe .............................................................................................................. 7

2.2 Trägerwerkstoffe ........................................................................................................ 9

2.3 Herausforderungen an das Fügen ........................................................................... 9

3. Lotwerkstoffe, Flussmittel und Erwärmungsmethoden 10

3.1 Lotwerkstoffe .............................................................................................................. 11

3.1.1 Silberbasislote ............................................................................................................ 11

3.1.2 Kupferbasislote ........................................................................................................... 12

3.1.3 Nickelbasislote ........................................................................................................... 12

3.1.4 Aktivlote ...................................................................................................................... 12

3.2 Flussmittel ................................................................................................................... 13

3.3 Erwärmungsmethoden ............................................................................................. 13

3.3.1 Induktive Erwärmung ................................................................................................ 13

3.3.2 Erwärmung mit Flamme ........................................................................................... 14

3.3.3 Ofenerwärmung ......................................................................................................... 14

4. Löten verschiedener Schneidstoffe 15

4.1 Hartmetall ................................................................................................................... 15

4.1.1 Löten von Hartmetall und Cermets ......................................................................... 16

4.1.2 Thermische Effekte und Spannungszustände ....................................................... 17

4.1.3 Schichtlote ................................................................................................................... 21

4.1.4 Besonderheiten durch spezielle Anwendungen ................................................... 24

4.2 Diamant & Polikristalliner Diamant (PKD) ............................................................. 24

4.2.1 Löten von Diamanten & PKD .................................................................................... 25

4.3 Kubisches Bornitrid & Polykristallines Bornitrid (PcBN) ...................................... 26

4.3.1 Löten von kubischem Bornitrid ............................................................................... 26

4.4 Löten von Keramiken ................................................................................................ 27

4.4.1 Lotwerkstoffe und Lötprozess .................................................................................. 28

4.4.2 Thermische Effekte und Spannungszustände ....................................................... 28

4.5 Anwendungsbeispiele .............................................................................................. 29

5. Prozessoptimierung 32

5.1 Prozessfehler beim Induktionslöten – Ursachen und Auswirkungen ................ 33

5.2 Potenzielle Festigkeitsverluste bei der Verwendung von Kupferbasisloten ..... 34

5.3 Optimierungen zur Temperatursteuerung mittels Pyrometermessung ............ 34

5.4 Einfluss der Überhitzung von Diamantsegmenten mit hohem Binderanteil .... 35

5.5 Einfluss der Überhitzung von Schichtlot ................................................................. 36

5.6 Brüche in der Kupferzwischenschicht .................................................................... 36

5.7 Fehlerhafte Positionierung von Schichtloten ........................................................ 36

5.8 Fehlerhafte Ausformung des Sägenstammblattes ............................................... 37

6. Allgemeine Empfehlungen zur Lot- und Prozessauswahl 38

Literatur ....................................................................................................................... 39


1. Einleitung6

und kubisches Bornitrid bis hin zu Keramikenreichen. Die Güte der Verbindung zwischenTräger und Schneidstoff ist für die Qualitätdes Werkzeuges entscheidend. Eine derwichtigsten Verbindungstechniken stellt dasLöten dar, da gute Verbindungen mit hoherFestigkeit erreicht werden können [1]. Diehöchsten Festigkeiten beim Löten könnenmittels Hartlötverfahren erreicht werden,d.h. laut DIN ISO 857-2 mit Loten mit einerLiquidustemperatur > 450 °C. Für das Hartlö-ten stehen verschiedene Hartlote, Flussmittelund auch Lötverfahren zur Verfügung. Nurder optimale Einsatz eben dieser Hilfsstoffegewährleistet ein Endprodukt, das auchhohen qualitativen Ansprüchen genügt.

Werkzeuge werden eingesetzt, um aus denverschiedensten Materialien Werkstücke her-zustellen. Neben Handwerkzeugen wie Ham-mer oder Feile und Formwerkzeugen fürSchmiede- oder Gießprozesse machen Bear-beitungswerkzeuge zum Zerspanen oderTrennen einen Großteil der technisch einge-setzten Werkzeuge aus. Unterschieden wer-den z.B. Werkzeuge zum Fräsen, Bohren,Drehen und Schleifen.

Um die Lebensdauer und damit die Wirt-schaftlichkeit eines Schneidwerkzeuges zuerhöhen, wird häufig auf einen Trägerwerk-stoff ein harter und verschleißfester Schneid-stoff aufgebracht. Als Schneidstoff stehenverschiedene Materialien zur Verfügung. Jenach Anwendungsfall und Einsatzgebiet kanndieser von einem Hartmetall über Diamanten

1. Einleitung



men Härte in der Lage, jedes Material zutrennen. Ihre Sprödigkeit, die zu einer erhöh-ten Schlagbruchempfindlichkeit führt, würdeden Einsatz beispielsweise bei der Holzbear-beitung jedoch stark limitieren. Die Diaman-ten würden z.B. durch eingewachsene Steineim Nassholzbereich, also bei Baumstämmenusw., zersplittern. Wesentlich geeigneter sindfür diese Applikation Hartmetalle, die ent-wickelt wurden, um die jeweiligen positivenEigenschaften der verwendeten Werkstoff-komponenten Carbid und Metall zu nutzen.So besitzt die Carbidphase eine hohe Härteund sorgt somit für den Verschleißschutz,während die metallische Binderphase duktilwirkt und zähe Eigenschaften einbringt.

2.1 SchneidstoffeUnter Schneidstoffen versteht man im allge-meinen Stoffe, welche durch ihre Eigenschaf-ten die zerteilende und spanabhebendeBearbeitung bestimmter Materialien ermög-lichen. Ein idealer Hartstoff würde sich hin-sichtlich seiner mechanischen Eigenschaftendadurch auszeichnen, dass er gleichzeitigeine hohe Härte und Duktilität aufweist. WieAbbildung 1 zeigt, ist bei den meisten Hart-stoffen in der Realität allerdings eine hoheHärte mit einer geringen Duktilität verbun-den. Je nach Einsatzgebiet ergeben sich sophysikalische Grenzen, über welche hinausein bestimmter Hartstoff nicht mehr zum Ein-satz in einem Werkzeug geeignet ist. ZumBeispiel sind Diamanten aufgrund ihrer enor-

2. Grundlagen zurLötung von Werkzeugen

Här

te/

Vers

chle

ißw

ider

stan

d

Zähigkeit

Naturdiamant

Polykristalliner Diamant (PKD)

Kubisches Bornitrid (cBN)

Keramik (O)

Keramik (N)Cermet

Hartmetall

Hochleistungs-schnellstahl (HSS)

Während des Fügeprozesses treten thermisch induzierte Spannungen im Fügeverbund auf, welche auf ein minimales Maß reduziert werden sollten.

Abbildung 1 | Härte/Verschleißwiderstand und Duktilität einiger Hartstoffe [2]


2. Grundlagen zur Lötung von Werkzeugen8

Hartstoff Kennbuchstaben Werkstoffgruppe

Hartmetalle (Carbide)

HW Unbeschichtetes Hartmetall, Hauptbestandteil Wolframcarbid (WC), Korngröße ≥ 1 μm

HF Unbeschichtetes Hartmetall, Hauptbestandteil Wolframcarbid (WC), Korngröße < 1 μm

HT (Cermets) Unbeschichtetes Hartmetall, Hauptbestandteil Titancarbid (TiC) oder -nitrid (TiN) oder beide

HC Hartmetalle wie oben, jedoch beschichtet

Schneidkeramik

CA Schneidkeramik, Hauptbestandteil Aluminiumoxid

CR Schneidkeramik, Hauptbestandteil Aluminiumoxid, verstärkt

CM Schneidkeramik, Hauptbestandteil Aluminiumoxid, zusammen mit anderen Bestandteilen aus Oxiden

CN Siliziumnitrid-Keramik, Hauptbestandteil Siliziumnitrid

CC Schneidkeramik wie oben, jedoch beschichtet

Diamant

DM Monokristalliner Diamant

DD Polykristalliner Diamant ohne Bindemittel

DP Polykristalliner Diamant mit Bindemittel

Bornitrid

BL Kubisch-kristallines Bornitrid mit niedrigem Bornitridgehalt

BH Kubisch-kristallines Bornitrid mit hohem Bornitridgehalt

BC Bornitrid wie oben, jedoch beschichtet

Werkzeugstahl 1.6582 (34CrNiMo6) 1.2003 (75Cr1) 1.2235 (80CrV) 1.8159 (51CrV4)

Anwendung Hammerbohrer Sägeblätter Sägeblätter Sägeblätter

Element min. in % max. in % min. in % max. in % min. in % max. in % min. in % max. in %

Fe Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest Rest

C 0,30 0,38 0,70 0,80 0,75 0,85 0,47 0,55

Si 0,00 0,30 0,25 0,50 0,15 0,35 0,00 0,40

Mn 0,50 0,80 0,60 0,80 0,30 0,50 0,70 1,10

P 0,000 0,025 0,000 0,03 0,000 0,025 0,000 0,035

S 0,00 0,025 0,000 0,03 0,000 0,025 0,000 0,035

Cr 1,30 1,70 0,30 0,40 0,40 0,60 0,90 1,20

Ni 1,30 1,70 – – – – – –

Mo 0,15 0,30 – – 0,00 0,10 – –

V – – – – 0,15 0,25 0,10 0,25

Tabelle 1 | Kennbuchstaben für die verschiedenen Werkstoffgruppen nach DIN ISO 513 [3]

Tabelle 2 | Zusammensetzung ausgewählter Werkzeugstähle [4]



Eine Einteilung von Schneidstoffen, z.B. fürdie Metallzerspanung, nimmt unter anderendie Norm DIN ISO 513 [3] vor. Hier werdenalle gängigen Hartstoffe durch einen Kenn-buchstabencode eindeutig beschrieben. Tabelle 1 gibt die Kennbuchstaben für Hart-metalle, Schneidkeramiken, Diamant undBornitrid an. Für eine eindeutige Bezeich-nung sieht die Norm zudem die Angabe derZerspanungshauptgruppe (P: Stahl, M: Nicht-rostender Stahl, K: Gusseisen, N: Nichteisen-metalle, S: Speziallegierungen und Titan, H: harte Werkstoffe) und der Anwendungs-gruppe (01, 05, 10, … 50 (01: hohe Ver-schleißfestigkeit, 50: hohe Zähigkeit) vor,z.B. HW-P10 oder HC-K20.

2.2 TrägerwerkstoffeDie verschiedenen Schneidstoffe werden inder Regel auf Stähle verschiedener Qualitä-ten gelötet. Vier Beispiele für niedriglegierteWerkzeugstähle, wie sie unter anderem fürhartmetallbestückte Sägeblätter eingesetztwerden, sind in Tabelle 2 dargestellt. An-hand der allgemein eingesetzten Qualitäten

kann in der Regel davon ausgegangen werden, dass diese lötgeeignet sind. Solltenhöher legierte Stahlsorten zum Einsatz kom-men, kann das Benetzungsverhalten durchAnpassung des eingesetzten Flussmittels verbessert werden. Zu beachten ist, dass dieStähle im Vergleich zu den eingesetztenSchneidstoffen häufig eine höhere Zähigkeitaufweisen. Dies sowie die unterschiedlichenthermischen Ausdehnungskoeffizienten müssen bei der Auslegung des zu lötendenBauteils sowie der Wahl des optimalenLotwerk stoffes beachtet werden.

2.3 Herausforderungen an das FügenEine Herausforderung beim Fügen vonSchneidstoffen an Stählen sind thermisch induzierte Spannungen im Fügeverbund, diehäufig für ein vorzeitiges Versagen verant-wortlich sind. Grund dafür sind unterschied -liche thermische Ausdehnungskoeffizientender Fügepartner, wie in Tabelle 3 darge-stellt. Wenn das Lot erstarrt ist, sind beidePartner fest miteinander verbunden. Wenn

die Temperatur weiter sinkt, ziehen sichStahl und Schneidstoff unterschiedlich starkzusammen, da sie aber aneinandergefügtsind, können sie nicht frei schrumpfen. DerStahl wird somit daran gehindert, sich zu-sammenzuziehen, und es kommt in der Nähedes Fügebereichs zu inneren Zugspannungenim Stahl. Der sich nicht so stark zusammen-ziehende Schneidstoff hingegen wird ge-staucht, was zu Druckspannungen führt.Zusätzlich tritt eine Biegebeanspruchung imSchneidstoff auf, die zu erhöhten Zugspan-nungen an der Oberfläche des Schneidstoffesführt und wodurch Risse entstehen können.Die Größe der thermisch induzierten Span-nungen kann aus dem E-Modul, Wärmeaus-dehnungskoeffizienten, der Dicke derWerkstücke und der Solidustemperatur desLotes rechnerisch für jede Werkstoffkombina-tion bestimmt werden. Ein Beispiel ist im Kapitel 4.1.2 aufgeführt [5].

Allgemein gilt, wie für jede Lötung, auchbeim Löten von Werkzeugen, dass die zu fügenden Oberflächen möglichst oxid- undfettfrei sein sollten.

Werkzeugmaterial Thermischer Ausdehnungskoeffizient

[10-6K-1]

Hartmetall 5 – 7

Oxidkeramik 6 – 13

Cermet 7 – 10

Diamant 2 – 4

Bornitrid 5

Niedriglegierter Stahl 11 – 14

Tabelle 3 | Thermische Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Werkzeugmaterialien


3. Lotwerkstoffe, Flussmittel und Erwärmungsmethoden10

3. Lotwerkstoffe, Flussmittelund ErwärmungsmethodenLotwerkstoff, Flussmittel und Erwärmungsmetho-den müssen passend zur Zusammensetzung und Geometrie des zu lötenden Werkzeugs sowie den späteren Einsatzbedingungen ausgewähltwerden, um eine qualitativ hochwertige Lötverbindung zu erreichen.

Hartlotgruppe Hauptlegierungselemente Nebenlegierungselemente

Silber Ag, Cu, Zn, Sn Mn, Ni, Si

Kupfer Cu, Sn, Zn, Si, Mn, Ni Ag, Cu2O, Fe, P

Nickel Ni, Cr, B, P, Si C, Co, Cu, Fe, Mo, Nb, W

Aluminium Al, Si, Cu, Zn Bi, Fe, Mg, Ti

Magnesium Mg Be, Mn, Zn

Kupfer-Phosphor Cu, P, Ag, Sn Ni, Sb, Si

Kobalt Co, Cr, Ni, Si B, W

Palladium Pd, Ag, Cu Mn, Ni, Co

Gold Au, Cu, Ni, Pd Ag, Co, Fe

Tabelle 4 | Hartlotgruppen mit Haupt- und Nebenlegierungselementen; hervorgehobene Hartlotgruppen werden für das Löten von Werkzeugen eingesetzt [6]



3.1 LotwerkstoffeBeim Löten von Werkzeugen werden auf-grund ihrer Festigkeit vor allem Hartlote ein-gesetzt. Die Liquidustemperatur dieser Loteliegt über 450 °C. Grundsätzlich stehen dieverschiedensten Lotlegierungen zur Verfü-gung, deren Basis durch verschiedene metal-lische Elemente bestimmt ist. Definiertwerden diese Gruppen durch die Norm DINEN ISO 17672 [6]. In Tabelle 4 sind dieHaupt- und Nebenlegierungselemente derverschiedenen Hartlotgruppen aufgeführt.Die für das Löten von Werkzeugen eingesetz-ten Hartlotgruppen Silber, Kupfer und Nickelsind in der Tabelle hervorgehoben. Weiterhinkommen für das Löten von Werkzeugen, an

denen z.B. Keramiken, Diamanten oder kubi-sches Bornitrid (cBN) zu fügen sind, Aktivloteauf Silber-Kupfer-Basis mit Titan als Aktiv -element zum Einsatz. In Abhängigkeit vonder Zusammensetzung besitzen die einzel-nen Hartlotgruppen, wie Abbildung 2 zuentnehmen ist, verschiedene Liquidustempe-raturen, die sowohl beim Lötprozess als auchfür den Einsatz beachtet werden müssen.

3.1.1 SilberbasisloteSilberbasishartlote besitzen recht niedrigeSchmelztemperaturen im Bereich zwischen600 °C und 970 °C. Durch die so möglichenniedrigen Löttemperaturen werden dieGrundwerkstoffe thermisch gering belastetund auch das Eigenspannungsniveau in dem

Bauteil ist niedriger. Silberhartlote enthaltenneben Silber häufig Kupfer und Zink. Durchden Zusatz von Nickel und Mangan kann dieBenetzung, u.a. von schwerbenetzbaren Car-biden, verbessert sowie die Festigkeit erhöhtwerden. Eine Sonderform der Silberbasishart-lote sind die Schichtlote, die aus einer beid-seitig mit Hartlot plattierten Kupferfoliebestehen (Abbildung 3). Durch die hoheDuktilität des Kupfers können beim Abkühlenentstehende Eigenspannungen durch plasti-sche Verformung abgebaut werden [1].Werkzeuglötungen mit Silberloten werdenüberwiegend an Luft, induktiv oder mitFlamme, unter dem Zusatz von Flussmittelndurchgeführt.

Abbildung 3 | Modell der Schichten

am Produkt BrazeTec 49 / Cu

Schmelztemperatur [°C]

1.0501.000450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1.100 1.150 1.200

Aluminium-&Magnesiumhartlote

Silberhartlote

Kupfer-Phosphor-Hartlote

Kupferhartlote

Nickel- & Kobalthartlote

Palladiumhaltige Hartlote

Goldhaltige Hartlote

Abbildung 2 | Hartlotgruppen nach DIN EN ISO 17672 [7]



3.1.2 KupferbasishartloteDie Gruppe der Kupferhartlote, welche beimLöten von Werkzeugen zum Einsatz kommen,weist Schmelztemperaturen im Bereich zwischen ca. 970 °C und ca. 1.100 °C auf, alsowesentlich höhere Temperaturen als Silber-basislote. Dementsprechend werden höherethermisch induzierte Spannungen erzeugt,die die Festigkeit des Verbundes reduzierenkönnen. Kupferhartlote werden meist imOfen in reduzierenden Schutzgasen bzw. imVakuum verwendet. Um die Festigkeit derKupferhartlote zu erhöhen, wird Nickel hinzu-legiert. Durch die weitere Zugabe von Mangan zu Kupfer kann die Löttemperaturgesenkt und die Benetzungseigenschaftenauf Stählen positiv beeinflusst werden [8].

Weitverbreitet ist des Weiteren das Zulegie-ren von Phosphor (z.B. Kupfer-(Silber)-Phos-phor-Hartlote). Diese Hartlote besitzendeutlich niedrigere Schmelztemperaturen imVergleich zu den vorher beschriebenen Kup-ferbasishartloten im Bereich zwischen 645 °Cund 920 °C. Zum Löten von z.B. eisen- odernickelhaltigen Materialien, wie in der Werk-zeugindustrie üblich, sollte von diesen phos-phorlegierten Hartloten dringend Abstandgenommen werden, da es während des Löt-vorgangs durch Diffusionsvorgänge zu der

Ausbildung von Eisenphosphid-Phasenkommt. Diese bilden sich in der Regel in derFügeebene nahe des eisenhaltigen Grund-werkstoffes aus. Diese Phasen sind sprödeund verringern die Festigkeit in der Füge-stelle drastisch.

3.1.3 NickelbasisloteWegen seiner hohen Schmelztemperaturwird reines Nickel nur selten zum Löten ein-gesetzt. Nickelbasislote, bei denen durch Zu-legieren von Elementen wie Bor, Phosphorund Silizium zum Nickel niedrigschmelzendeHartlote erreicht werden, werden vielfältigeingesetzt. Nickelbasislote weisen, z.B.durch zusätzliche Elemente wie Chrom, einehohe Festigkeit sowohl bei Raumtemperaturals auch bei hohen Temperaturen auf. Siesind zudem oxidations- und korrosionsbe-ständig. Gelötet werden Nickelbasislote introckenem Schutzgas oder im Vakuum. Diezulegierten Halbmetalle bilden zusammenmit Nickel und Chrom intermetallische Hart-phasen, wodurch die Hartlote bzw. die damithergestellten Lötverbindungen vergleichs-weise spröde sind. Aus diesem Grund wirdnach dem Lötprozess oft eine Wärmebehand-lung der gelöteten Bauteile nachgeschaltet,

um durch Diffusion der Halbmetalle aus derLötnaht hinaus eine höhere Zähigkeit derVerbindung zu erreichen [8]. Zudem verhin-dert die Sprödigkeit der Ausgangslegierungeine Applikation in Form von konventionel-len Lotfolien, so dass Nickelbasislote vorallem in Pastenform eingesetzt werden.

3.1.4 AktivloteAktivlote wurden entwickelt, um nichtmetal-lische, anorganische Werkstoffe, sprich Diamanten, cBN, Keramik o.ä., in einem einstufigen Verfahren, ohne vorherige Metallisierung, benetzen und damit löten zukönnen. Aktivlote basieren meist auf demSilber-Kupfer-System und enthalten grenzflä-chenaktive Elemente wie Titan, Zirkonium,Niob oder Hafnium, wobei die Hartlote mitTitan industriell gesehen und speziell in derWerkzeugindustrie die gebräuchlichsten sind.Die grenzflächenaktiven Elemente reagierenmit dem nichtmetallischen Werkstoff, wodurch eine durch das restliche Hartlot benetzbare Reaktionsschicht entsteht. Damitdiese Reaktion stattfinden kann, sind, selbstfür vergleichsweise niedrigschmelzendeHartlote, Temperaturen von etwa 850 °C notwendig [9]. Je nach Fügepartner und

Flussmittel DIN EN 1045 Farbe Bemerkungen Wirktemperatur bereich ca.[°C]

BrazeTec h 80 FH 10 weiß Für große Flächen und kurze Lötzeiten; hervorragendes Fließverhalten 550 – 850

BrazeTec h 280 FH 10 weiß Binderstabilisiert für automatische Applikation; für Co/Ni-beschichtete Hartmetalle. 520 – 850

BrazeTec spezial h FH 12 braun Paste; Universalflussmittel zum Löten von Hartmetallen; sehr lange Wirkdauer, gutes Fließverhalten 520 – 1.030

BrazeTec h 285 FH 12 braun Binderstabilisiert für automatische Applikation 520 – 910

BrazeTec h 90 FH 12 braun Pulver; chemisch aktiviert zum Löten von schwer benetzbaren Hartmetallen(TiC; TaC; geringer Metallgehalt) 520 – 850

BrazeTec h 900 FH 12 braun Binderstabilisiert für automatische Applikation 520 – 850

BrazeTec spezial s FH 20 braun Paste; für höhere Löttemperaturen 650 – 1.050

Tabelle 5 | BrazeTec-Flussmittel für die Werkzeugindustrie [18]



verwendetem Aktivlot sind aber auch Löt-temperaturen von ca. 1.050 °C nicht unüblich.Zu beachten ist, dass Aktivlote mit niedrigemTitangehalt kaum fließen, sondern denGrundwerkstoff in der Regel nur dort benet-zen, wo sie als Folie oder Paste vor dem Lötprozess appliziert wurden.

3.2 FlussmittelHartlötflussmittel sind anorganische Salzge-mische, die die Aufgabe haben, vorhandeneOxidschichten von der Lötfläche zu entfernenund ihre Neubildung zu verhindern. Zu diesem Zweck müssen die Flussmittel bei re-levanten Temperaturen flüssig sein, sich gutauf dem Grund- oder Lotwerkstoff verteilenund leicht vom flüssigen Lot verdrängt wer-den können. In der Norm DIN EN 1045 [10]sind die Flussmittel aufgeführt, die zum Hart-löten eingesetzt werden können. Es werdenFlussmittel der Klasse FH, die zum Löten vonSchwermetallen (Stähle, rostfreie Stähle,Kupfer und Kupferlegierungen, Nickel undNickellegierungen, Edelmetalle, Molybdänund Wolfram) verwendet werden und Fluss-mittel der Klasse FL zum Löten von Alumi-nium und Aluminiumlegierungen unter-schieden. Beim Einsatz der Flussmittel ist zubeachten, dass diese häufig Verbindungen

auf Bor- und Fluorbasis enthalten, die nachdem Löten entfernt werden müssen, da siehygroskopisch sind und korrosiv wirken kön-nen. Die in Tabelle 5 aufgeführten Flussmit-tel für das Löten von Schwermetallen,insbesondere Hartmetallen, wirken alle korrosiv. Bei dem Hartlöten von Werkzeugenkommt zusätzlich lediglich vereinzelt der TypFH 21 zum Einsatz. Dieser ist im Allgemeinennicht korrosiv und kann nach dem Löten aufdem Werkstück verbleiben. Braune Flussmittelder Gruppe FH 12 (z.B. BrazeTec spezial h)enthalten reines Bor, das insbesondere beimLöten von Hartmetallen vorteilhaft ist. Zur Automatisierung der Lotapplikation überDispenser können binderstabilisierte Fluss-mittel, wie z.B. BrazeTec h 280 Paste, BrazeTec h 285 Paste und BrazeTec h 900Paste eingesetzt werden.

3.3 Erwärmungsmethoden Für das Löten von Werkzeugen kommen vorallem die drei Erwärmungsmethoden Induk-tion, Flamme und Ofen zum Einsatz. Die Aus-wahl der Erwärmungsmethoden kann nachverschiedenen Kriterien erfolgen, wie z.B.nach Erwärmungsgeschwindigkeit, Lokalitätund Homogenität der Erwärmung sowie Ein-stellbarkeit des Temperaturprofils. Die Ge-

schwindigkeit der Erwärmung hängt u.a. vonder Leistungsübertragung an das Bauteil ab.Diese ist je nach Erwärmungsart, wie in Tabelle 6 dargestellt, sehr unterschiedlich.

3.3.1 Induktive ErwärmungBeim Erwärmen mittels Induktion kann, wie Tabelle 6 zu entnehmen ist, eine hoheLeistung berührungslos auf das Bauteil über-tragen werden.

Vorteil des Verfahrens sind kurze Prozess -zeiten, da die Wärme direkt im Werkstück erzeugt wird und nicht übertragen werdenmuss. Zudem kann die Erwärmung lokal erfolgen, so dass Verzug größerer Bauteilevermieden werden kann. Zu beachten ist,dass nur der Bereich, um den der Induktorliegt, auch erwärmt wird. Bei baugleichenWerkstücken ist das Verfahren sehr reprodu-zierbar. Beim Löten von Verbunden mit ungleichen Partnern, z.B. Stahl-Hartmetall-Verbunden, muss beachtet werden, dass dieunterschiedlichen Werkstoffe im unterschied-lichen Ausmaß einkoppeln, was eine unter-schiedlich starke Erwärmung selbiger zurFolge hat. Diesem Umstand muss durch ent-sprechende Anpassung des Prozesses (z.B.Induktorausbildung, Induktorpositionierungund Prozesszeit) Rechnung getragen werden.

Erwärmungsart Möglicher Leistungsübertrag [W/cm²]

Konvektion 0,5

Strahlungswärme 8

Wärmeleitung 20

Brennerflamme 1.000

Induktionserwärmung 30.000

Laser (CO2) 100.000.000

Elektronenstrahl 10.000.000.000

Tabelle 6 | Möglicher Leistungsübertrag bei verschiedenen

Erwärmungsarten [11]



Wie in Abbildung 4 gezeigt, wird ein Induk-tor verwendet, um durch ein elektromagne-tisches Wechselfeld im Bauteil hoheWirbelströme I zu induzieren. Durch denelektrischen Widerstand R erwärmt sich dasBauteil in der Zeit t durch die entstehendeWärmemenge Q entsprechend des JoulschenGesetztes:

Der elektrische Widerstand R des Materialsbestimmt dabei die Aufheizgeschwindigkeit.

Zu beachten ist weiterhin der Skin-Effekt,durch den Wechselströme höherer Frequenzhauptsächlich an der Oberfläche des leiten-den Bauteils fließen. Der weitere Wärme-transport in die Mitte des Bauteils geschiehtüber Wärmetransport. Je höher die Frequenzdes Wechselfeldes, desto schmaler ist derOberflächenbereich, der erwärmt wird. Dieskann durch folgende Gleichung abgeschätztwerden:

Wobei gilt:

d: erwärmter Bereichf: Frequenz in Hz V: material- und temperaturabhängige Varia-ble bzgl. der magnetischen Eigenschaftendes Werkstoffes (z.B. V = 0,17 für kaltenStahl, V = 6,0 für heißen Stahl > 800 °C und

� � � � ��

�

� � � � ��

V = 1,8 für ein Hartmetall WC-4Co) [12].

Beispiel:

Eine Stahlprobe wird bei 800 °C durch einWechselfeld mit einer Frequenz von 50 Hznoch bis in ca. 90 mm Tiefe erwärmt. Beieiner Frequenz von 1 MHz nur noch bis ca.0,65 mm [12].

Wie in obiger Beziehung aufgezeigt, ändertsich der einzusetzende Faktor für Stahl (undauch andere ferromagnetische Stoffe wie Kobalt oder Nickel) beim Erhitzen über ca.800 °C. Begründet ist dies durch die Curie-Temperatur, bei welcher der Übergang vondem ferromagnetischen Zustand des Grund-werkstoffs zum paramagnetischen Zustandstattfindet. Wird diese Temperatur überschrit-ten, verhält sich der betreffende Werkstoffausschließlich paramagnetisch.

3.3.2 Erwärmung mit FlammeBeim Flammlöten wird eine neutrale odereine leicht reduzierende Flamme [13] einge-stellt, die innerhalb der Wirkdauer des Fluss-mittels die Fügefläche auf Löttemperaturbringen muss [7]. Bei größeren Bauteilenkann, auch um eine homogene Erwärmungzu gewährleisten, ein mehrflammiger Bren-ner eingesetzt werden, der zudem noch be-wegt wird [12]. Das Verfahren bietet Vorteileim Vergleich zum Induktionslöten von Stahl-Hartmetall-Verbunden, da das Hartmetall

hier ebenfalls direkt und nicht nur indirektdurch Wärmeleitung vom metallischen Füge-partner erwärmt werden kann. Es ist im Ver-gleich zu Ofenlötungen schneller und kannebenfalls lokal angewendet werden, wobeider Erwärmungsbereich größer als beim Induktionslöten ist.

3.3.3 OfenerwärmungBei elektrisch beheizten Öfen werden dieBauteile vor allem durch Strahlungswärme,aber auch durch Konvektion und Wärmelei-tung erwärmt. Im Vergleich zu einer offenenFlamme oder Induktion wird dabei, wie inTabelle 6 gezeigt, relativ wenig Leistungübertragen, so dass Ofenprozesse langsamersind. Vorteilhaft beim Ofenlöten ist die homogene Temperaturverteilung, die sichdurch die gleichmäßig angeordneten Heiz -elemente ergibt, sowie die Möglichkeit einerkontrollierten Atmosphäre, d. h. Vakuum oderSchutzgas. Zudem ist eine Kontrolle undSteuerung der Prozessparameter leicht mög-lich und in einem Lötprozess können eineVielzahl von Werkzeugen gleichzeitig gefügtwerden.

Zusätzlich muss darauf geachtet werden,dass sich einige Hartlotgruppen nicht für dieVerwendung im Ofen eignen, da sich durcherhöhte Dampfdrücke der Legierungsbe-standteile (z.B. Zink) Verunreinigungen imOfen abscheiden können.

InduktorErwärmtes Bauteil

Abbildung 4 | Schematische Darstellung der Erwärmung mittels Induktion



4.1 HartmetallHartmetalle werden vielfältig als Schneid-stoffe eingesetzt. Aufgrund ihrer Härte undTemperaturbeständigkeit eignen sie sich her-vorragend zum Fräsen, Drehen, Bohren undSägen von Metallen, Holz, Kunststoff und anderen Werkstoffen. Hartmetalle bestehennicht, wie ihr Name vermuten lässt, aus besonders harten Metallen, sondern sie sindvielmehr ein Sinterwerkstoff, der aus einerHartphase (meist Carbide) besteht, die ineinem metallischen Binder eingebettet ist.Wie schon aus Tabelle 1 erkennbar ist, wirdvor allem Wolframcarbid als Hartphase ein-gesetzt. Als Bindermatrix kommt in derRegel Kobalt, aber auch Nickel und/oderEisen zum Einsatz. Hartmetalle, bei denenein Teil des Wolframcarbids durch Titan-, Tantal- und/oder Niobcarbiden ersetzt ist,werden als P-Hartmetall bezeichnet. Wird alsHartphase hauptsächlich ein Titancarbonitridin eine metallische Matrix eingebettet,

werden diese Schneidstoffe Cermets ge-nannt. Der Anteil der metallischen Matrix, d. h. der Binderanteil in einem Cermet liegtbei ca. 8 % – 15 %.

Die Leistung von Hartmetall-Schneiden hängtsehr stark von ihrer Zusammensetzung undMikrostruktur, z.B. der eingesetzten Carbide,der Korngröße und dem Binderanteil, ab.Idealerweise sollte die Mikrostruktur einesHartmetalls nur aus zwei Phasen bestehen,dem eckigen Carbide und dem Binder. Einezu hohe Temperatur kann, unter Auflösungder ursprünglichen Carbide, zur Bildung verschiedener komplexer Carbide, unter anderem einer spröden η-Phase, führen. Umeine höhere Zähigkeit zu erreichen, wurdenCarbide mit Korngrößen im Submikrometer-bereich durch Zusatz von anderen Carbiden,wie z.B. Tantal- oder Niobcarbid, entwickelt.Der Bindermatrix können verschiedene Me-talle zugesetzt werden (Kobalt, Nickel, Eisen,

Chrom), wobei Nickel und Chrom im Speziel-len durch die Ausbildung einer passivieren-den Oxidschicht auf der Oberfläche zuerhöhter Korrosions-und Oxidationsstabilitätführen [12] [15] [16].

Der Einfluss des Kobaltgehaltes und der Korn-größe des verwendeten Wolframcarbides istin Abbildung 5 exemplarisch zusammenge-fasst. Hierbei ist die Härte als der Widerstanddefiniert, den ein anderes Material aufbrin-gen muss, um in die Probe einzudringen. Die Biegebruchfestigkeit beschreibt die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen-über äußeren Belastungen und den damitverbundenen Spannungen und Dehnungen. Die Bruchzähigkeit eines Materials drücktden Widerstand gegen Rissausbreitung aus.

Die Korngrößen in gesinterten Hartmetallstruk-turen liegen in der Regel zwischen 0,2 μm und10 μm. Der Bindergehalt kann, je nach Sorte,von ca. 2 % bis 30 % variieren [1] [17].

4. Löten verschiedener Schneidstoffe

Bruchzähigkeit Korngröße

Hohe Härte Biegebruchfestigkeit

Kobaltgehalt

Hartmetalle, Cermets, Diamanten, kubisches Bornitrid oder Keramik haben entsprechend ihrer jeweiligen Beschaffenheitspezielle Anforderungen an den Fügeprozess und die Lotauswahl.

Abbildung 5 | Eigenschaften von Hartmetallen in Abhängigkeit von Kobaltgehalt und Wolframcarbid- Korngröße [17]


4. Löten verschiedener Schneidstoffe16

4.1.1 Löten von Hartmetallen und CermetsAufgrund ihres hohen nichtmetallischen Anteils sind Hartmetalle im Allgemeinen undCermets im Besonderen mit konventionellenHartloten schwer zu löten. Zudem müssenmetallurgische Wechselwirkungen zwischender metallischen Bindermatrix und dem Carbid sowie die Ausbildung thermisch indu-zierter Spannungen durch die Kontrolle desLötprozesses reduziert werden. Um die Benetzung der Hartmetalloberfläche durchdas Hartlot zu verbessern, werden diese ineinigen Fällen durch Sandstrahlen bearbeitet. Zusätzlich kann die Benetzbarkeit von Hart-metallen durch eine galvanisch aufgebrachteKobalt- oder Nickelschicht deutlich verbessertwerden.

Dies gilt insbesondere für Hartmetalle miteinem sehr geringen Metallbinderanteil. Die genannten Metallbeschichtungen habennoch einen weiteren wichtigen Effekt: Sieverhindern die Oxidation von Hartmetallenwährend der Aufheizphase im Lötprozess [18].Als Hartlote werden vor allem Silberbasis-hartlote verwendet, die einen niedrigenSchmelzbereich aufweisen und ohne beson-dere Flussmittel bzw. Verfahren verarbeitetwerden können. Durch Zugabe von Nickelund Mangan kann die Benetzung, insbeson-dere von schwer benetzbaren Carbiden wieTitancarbid, verbessert werden. Neben denSilberbasisloten werden auch einige Kupfer-hartlote eingesetzt [1] [12]. Beispiele sind in Tabelle 7 aufgeführt. Eine Besonderheitsind Schichtlote, die aus einer mit Hartlotplattierten Kupferfolie bestehen.

Die Silberbasishartlote werden häufig mitFlussmittel mittels induktiver Erwärmung anLuft verarbeitet. Eingesetzt werden hier Uni-versalflussmittel des Typs FH 10, aber je nachFügeparameter auch spezielle Flussmittel desTyps FH 12 nach DIN EN 1045 [18]. Detailskönnen Tabelle 5 entnommen werden.Flammlötungen sind eher selten. Von Ofenlö-tungen bei der Verwendung von Silberhart -loten ist in der Regel abzuraten, da es durchdie im Vergleich zum Induktionslöten langenProzesszeiten zum Abdampfen des im Hartlotenthaltenen Zinks kommen kann. Geeignetist hierfür hingegen das zinkfreie Spezialhart-lot BrazeTec 6488. Lötverbindungen, dieunter Verwendung von Silberbasishartlotenhergestellt wurden, können je nach erreich-ter Qualität der Lötung Scherfestigkeiten vonetwa 150 MPa – 300 MPa erreichen [22].

Abbildung 6 | Standardlieferformen für BrazeTec Silberbasislote

Hartlot ISO 17672 Bemerkung Schmelz-bereich nach

ISO 17672

Schmelz-bereich nach

DSC 1)

Löt-temp.

Scher -festigkeit

2)

Zusammensetzung in Gew.-%

etwa [°C] etwa [°C] etwa [°C] [MPa] Ag Cu Zn Mn Ni Andere

BrazeTec 6488 – Zn-freies Lot; Geeignet für TiN-Beschichtungen und Edelstahl – 730 – 780 770 > 150 64 26 – 2 2 6 In

BrazeTec 5081 Ag 450 Manganfreies Werkzeuglot 660 – 705 670 – 730 700 > 230 50 20 28 – 2 –

BrazeTec 4900 Ag 449 Meist benutztes Werkzeuglot, Universallot 680 – 705 680 – 705 690 > 250 49 16 23 7,5 4,5 –

BrazeTec 4900A – Breiterer Schmelzbereich als BrazeTec 4900 – 670 – 720 710 > 240 49 27,5 20,5 2,5 0,5 –

BrazeTec 2700 Ag 427 Geringer Ag-Gehalt, hohe Löttemperatur 680 – 830 690 – 850 800 > 250 27 38 20 9,5 5,5 –

BrazeTec 21 / 80 Cu 595 Zn-frei für Ofenlötung 965 – 1.000 970 – 1.005 990 > 200 86 – 12 2 – –

BrazeTec 21 / 68 – Zn-frei für Ofenlötung – 980 – 1.020 1.020 > 200 87 – 10 – – 3 Co

2) Verbund 1.2210 & K10; Lötfläche 8 x 8 mm; Schereinrichtung: Gerling GLFP1) Schnee, Wiehl, Starck 2014 [40]

Tabelle 7 | Hartlote zum Hartmetalllöten; Löttemperatur und Zusammensetzung [29]



Eine weitere Hartlotgruppe zum Löten vonHartmetallen bilden Kupfer-Mangan-Hartlote.Mit diesen Hartloten werden hohe Stück -zahlen an Hammer- oder Schlagbohrern, Gesteinsmeißel und Gesteinsbohrer herge-stellt. Gelötet wird hierbei bei ca. 1.000 °C.Die im Vergleich zu den Silberbasishartlotenhohe Löttemperatur der Hartlote bedingteine strenge Einhaltung der Lötprozesspara-meter, um die Bildung spröder Phasen undhohe thermisch induzierte Spannungen imVerbund zu vermeiden. Die Hartlote werdenvornehmlich in Schutzgasöfen oder Vakuum-öfen, aber auch induktiv verarbeitet.

4.1.2 Thermische Effekte undSpannungszuständeWie schon in Kapitel 2.3 erwähnt, tretenbeim Fügen von Schneidstoffen an Stahl

thermisch induzierte Spannungen auf. Grunddafür sind die unterschiedlichen thermischenAusdehnungskoeffizienten der Fügepartner.Der Ausdehnungskoeffizient des Hartmetallsliegt zwischen 5 und 7 • 10-6 K-1 und desStahls zwischen 11 und 14 • 10-6 K-1. Das be-deutet, dass sich der Stahl mehr als zweimalso stark ausdehnt und zusammenzieht wiedas Hartmetall. Berechnet werden kann dieAusdehnung über folgende Gleichung:

Wobei gilt:

Δl: Längenänderung

∝: linearer thermischer Ausdehnungskoeffi-zient

l0: Ausganglänge des Bauteils

ΔT: Temperaturdifferenz

��

Beim Abkühlen eines Lötverbundes auseinem Stahl (1.8159) und einem Hartmetall(K10) mit der Kantenlänge von 25 mm berechnet sich bei 680 °C (Solidustemperaturdes Silberbasishartlotes BrazeTec 4900) unddamit der Temperatur, ab der die Fügepart-ner fest miteinander verbunden sind, jeweilsfolgende Maßänderung mit der Formel 1 fürStahl und der Formel 2 für Hartmetall.

Die Längendehnungen der genannten Werk-stoffpaarung unter Verwendung verschiede-ner Hartlotsysteme, und somit Solidus-temperaturen, sind Tabelle 8 zu entnehmen.

Material Stahl: 1.8159

Hartmetall: K10

Unterschied zwischen Stahl und Hartmetall

Dimension bei Raumtemperatur [mm] 25 25 0,0

Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient ∝ (alpha)

[10-6K-1] 14 4,7 8,3

Dimension bei TSol. BrazeTec 4900 = 680 °C [mm] 25,23 25,08 0,15

Dimension bei TSol. BrazeTec 21/68 = 980 °C [mm] 25,34 25,11 0,23

Dimension bei TSol. E-Cu 58= 1.083 °C [mm] 25,37 25,13 0,24

Formel 1 | Berechnung der Längenausdehnung im Stahl bei einer Lot-Solidustemperatur von 680 °C

��

Formel 2 | Berechnung der Längenausdehnung im Hartmetall bei einer Lot-Solidustemperatur von 680 °C

��

Tabelle 8 | Längenausdehnung von Grundmaterialien während des Fügeprozesses



Solange die Fügepartner nicht fest miteinan-der verbunden sind, wie in Abbildung 7ganz links dargestellt, können sie sich freiund spannungsfrei ausdehnen. Sobald dasdazwischen deponierte Hartlot wieder erstarrt, können sich die Bauteile nicht mehrfrei ausdehnen. Da das Hartmetall sich weniger stark zusammenzieht, werden durcheine Art Bimetalleffekt Zugspannungen durch den Stahl auf das Hartmetall übertragen. Da Hartmetalle empfindlich gegenüber Zug -spannungen sind, kann es letztlich zu einer irreversiblen Schädigung des Hartmetallskommen, welches sich durch Risse zeigt. Eswird entsprechend früher oder später zumAusfall des Hartmetalls im Betrieb kommen[18]. Durch Simulation des Abkühlprozesseseiner Stahl-Hartmetall-Probe, Abbildung 7,

rechts, konnte ebenfalls gezeigt werden,dass sich die größten Spannungen an derOberseite des Hartmetalls ausbilden, woauch in der Realität Risse im Hartmetall ihrenAusgangspunkt finden. Bereiche ohne Zug -spannung sind dunkelblau dargestellt, hoheSpannungen werden orangerot dargestellt.

Die entstehenden Zug- bzw. Druckspan -nungen in einem solchen Verbund könnenquantitativ über entsprechende vereinfa-chende Gleichungen näherungsweise berechnet werden. Hierbei wird der Bimetall-effekt zweier fest miteinander verbundenerGrundwerkstoffe zugrunde gelegt, unter derAnnahme, dass sich diese ideal elastisch verhalten.

Nach Abbildung 8 in Verbindung mit [20]und [21] ergibt sich die Krümmung des be-trachteten Systems aus Formel 3.

Die Zug- bzw. Druckspannungen in denSchichten errechnen sich aus:

und

zu

mit

und

��

��

��

�

��

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�

Raumtemperatur

Löttemperatur

Temperatur

Zeit

Formel 3 | Berechnung der Krümmung des Verbundes

�

��

��

�

��

��

��

��

��

��

��

�

Lotschicht

Simulierter

Spannungszustand

Abbildung 7 | Schematische Darstellung zur Auswirkung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten in einem

Hartmetall-Stahl-Verbund, gelötet mit einem konventionellen Hartlot [18]



Für einen Verbund aus Stahl 1.8159 undHartmetall K10 gilt:

αHM= 4,7 • 10-6 K-1; αSt= 14 • 10-6 K-1

EHM= 600 GPa; ESt= 210 GPa

L0= 1 mm

hHM= 1 mm; hSt= 3 mm

T1= Solidustemperatur des Lotsystems

T2= 20 °C

Unter den beschriebenen Randbedingungenerrechnet sich für das niedrigschmelzendeSilberhartlot BrazeTec 4900 (Solidustempera-tur 680 °C) eine Zugspannung auf der Ober-fläche des Hartmetalls von ca. 85 MPa.Erhöht sich bei gleicher Grundwerkstoffpaa-rung die Solidustemperatur des Hartlotes auf980 °C (BrazeTec 21 / 68), so steigt der Wertum ca. 50 % auf 120 MPa und bei 1.083 °C

(BrazeTec E-Cu 58) sogar um 60 % auf 135 MPa.Diesem Umstand der Zugspannungsänderungbei Veränderung des eingesetzten Hartlot -systems (Abbildung 9) muss in der Kon-struktion Rechnung getragen werden.

Die aufgeführte Berechnung basiert aufeinem Dickenverhältnis von 1 : 3 für Hart -metall : Stahl. Wird die Berechnung nach vo-riger Formel für weitere Dickenverhältnisseweitergeführt, so wird deutlich ersichtlich,dass dieses Verhältnis einen starken Einflussdarauf hat, ob auf der Oberfläche des Hart-metalls (im Falle eines Sägezahnes: auf diespanende Fläche) eine Zug- oder eine Druck-spannung einwirkt (Abbildung 9). Allgemein kann aus dem dargestellten Graphen näherungsweise abgeleitet werden,dass ein Dickenverhältnis von ca. 1 : 3 fürHartmetall : Stahl als ideal angesehen werden kann, da hier der Betrag der

Spannungen an der Hartmetalloberflächenahe Null ist. Dem hingegen steht ein Zug -spannungsmaximum bei einem Verhältnisvon ca. 1 : 1. Dieses Verhältnis sollte somitunbedingt vermieden werden.

Ist ein Verbund durch solche thermisch indu-zierten Spannungen vorgespannt, reicht mit-unter eine kleine Last von außen, um einVersagen des Verbundes hervorzurufen. Des-halb sollte bei Stahl-Hartmetall-Verbundendarauf geachtet werden, ein Hartlot mitmöglichst niedrigerer Löttemperatur einzu-setzen, um das Niveau der thermisch indu-zierten Spannungen niedrig zu halten.Allgemein ist anzumerken, dass reale Zug-oder Druckspannungswerte im Betrag ehergeringer ausfallen werden, da ein Teil derauftretenden Spannungen über das duktileHartlot, das sich in der Verbindungsstelle befindet, abgebaut werden können.

Solidustemperatur Hartlot:

680 °C

980 °C

1.080 °CZugspannungsbereich

Druckspannungsbereich

αHM

<αSt

; Τ2‐Τ

1=ΔT<0

R

hHM

; AHM

; IHM

; αHM

; EHM

MHM

Fax

MSt

Fax h

St ; A

St; I

St; α

St; E

St

Span

nung

[M

Pa]

Höhe Stahl [mm]

-5.0000 4 8 12 16 20 24 28 32

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

0

1.000

2.000

Abbildung 8 | Darstellung des Bimetalleffekts von Stahl (unten) und

Hartmetall (oben) unter thermischer Belastung [19]

Abbildung 9 | Darstellung des Spannungszustandes in einer Hartmetalloberfläche bei

einer Hartmetalldicke von 1 mm verbunden mit unterschiedlich hohen Stahlschichten



Wie bereits erwähnt, sollte zur Spannungs-minimierung einerseits ein Hartlot mit mög-lichst geringer Solidustemperatur undandererseits eine breitere Lötnaht mit einemfesten, gut verformbaren Hartlot verwendetwerden, durch das die Spannungen durchplastische Verformung abgebaut werdenkönnen. Für zu lötende Flächen < 100 mm²reichen Spaltbreiten zwischen 0,1 mm bis0,2 mm aus [8] [5].

Untersuchungen mit dem SilberbasishartlotBrazeTec 4900 haben gezeigt, dass die maxi-malen Testkräfte mit einer vergleichsweisengeringen Streuung bei Biegebeanspruchung

bei Spaltbreiten um 100 μm erreicht werden.Die Werte fallen bei Spaltbreiten < 70 μmbzw. > 125 μm ab (Abbildung 10). DieserVerlauf ergibt sich aus den Spannungen, dieim Hartlot vorliegen. Wie Abbildung 11, insbesondere die Berechnung für den reinengelöteten Zustand, zeigt, nimmt die Span-nung im Hartlot einerseits mit steigenderSpaltbreite ab. Andererseits muss das Hartlotbei größerer Spaltbreite mehr Spannungenaufnehmen, wenn die Verbindung von außenbelastet wird. So ergibt sich bei etwa 100 μmSpaltbreite ein Spannungsminimum, das mitden hohen Festigkeitswerten in Abbildung 10korreliert. Auch in Abbildung 12 kann beob-

achtet werden, dass die Spannungen imHartlot bei einer Belastung von 1500 N beieiner Spaltbreite von 100 μm am geringstensind. Insbesondere bei einer Lötspaltbreitevon 300 μm sieht man deutlich das höhereSpannungsniveau vor allem am Rand desHartlotes.

Sollen größere Flächen gelötet werden,müssten deutlich größere Spaltbreiten einge-stellt werden. Dies ist aufgrund des höherenSpannungsniveaus im Hartlot sowie der zuerwartenden unvollständigen Spaltfüllungdurch die ungenügende Kapillarwirkung beiden Silberbasishartloten nicht mehr möglich.

T = 50 μm T = 100 μm T = 300 μm

Max

imal

e Te

stkr

aft

[N]

Lotspaltbreite [μm]

0 50 100 150 200 250

2.500

2.000

1.500

1.000

500

0

Max

imal

e M

ises

-Spa

nnun

g [M

Pa]

Lotspaltbreite [μm]

50 μm 75 μm 100 μm 125 μm 200 μm 300 μm400

450

500

550

600

650

700

750

Last 1.000 NLast 1.200 NLast 800 NLast 400 Ngelötet

Abbildung 10 | Testkräfte in Abhängigkeit der Lotspaltbreite für das

Hartlot BrazeTec 4900 [23]

Abbildung 11 | Berechnete maximale Mises-Spannungen im Hartlot

BrazeTec 4900 als Funktion der Testkraft und der Lotspaltbreite [23]

Abbildung 12 | Berechnete maximale Mises-Spannungsverteilung im Hartlot

Ag 449 bei 1500 N als Funktion der Lötspaltbreite [23]



Hier kann durch die Verwendung einesSchichtlotes Abhilfe geschaffen werden [8] [5].

4.1.3 SchichtloteSchichtlote zeichnen sich, wie in Abbildung 13schematisch dargestellt, dadurch aus, dasssie wie ein Sandwich aufgebaut sind. DenKern, der bei der Lötung nicht aufschmilzt,bildet eine Zwischenschicht, welche beidsei-tig mit Hartlot, meistens auf Silberbasis, plattiert ist. Standardmäßig wird hier ein Dickenverhältnis von – 1 : 2 : 1 – in Bezug

auf – Hartlot : Zwischenschicht : Hartlot – ein-gesetzt. Andere Dickenverhältnisse sind jedoch auch lieferbar.

Zwischenschichten aus Kupfer oder speziel-len Legierungen erfüllen den Zweck, anfal-lende Spannungen beim Abkühlen aufzu-nehmen. Weiterhin können Nickelnetze alsAbstandhalter für einen konstant großen undreproduzierbaren Spalt zwischen Stahl undHartmetall eingesetzt werden.

In Abbildung 14 rechts, (siehe Seite 18) istder simulierte Spannungszustand im Hartme-

tall nach der Abkühlung eines Hartmetall-Stahl-Verbundes mit einem Schichtlot darge-stellt. Bereiche ohne Zugspannung sinddunkelblau, hohe Spannungen orangerot dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, bildet sich bei der Verwendung eines Schicht-lotes im mittleren Bereich des Hartmetallsein deutlich kleinerer Bereich mit geringererZugspannung aus, als im Vergleich mit demkonventionellen Hartlot (Abbildung 7). Weiterhin werden die seitlich am Hartmetallwirkenden Kräfte in gleicher Weise deutlichreduziert.

Abbildung 13 | Schematischer Querschnitt durch

ein Schichtlot

Raumtemperatur

Löttemperatur

Temperatur

Zeit

Lotschicht

Zwischenschicht (Cu)

Lotschicht

Lotschicht

Zwischenschicht (Kupfer)

Simulierter

Spannungszustand

Abbildung 14 | Schematische Darstellung zur Auswirkung unterschiedlicher thermischer

Ausdehnungskoeffizienten in einem Hartmetall-Stahl-Verbund, gelötet mit einem Schichtlot [18]



Die Scherfestigkeit des verlöteten Schicht -lotes wird durch die Festigkeit der Zwischen-schicht limitiert. Durch den Einsatz vonspeziellen Legierungszwischenschichten (z.B. BrazeTec 49 / Cuplus) konnte die Scher -festigkeit der Verbindung im Vergleich zu einer Standard-Kupferzwischenschicht (z.B. BrazeTec 49 / Cu) von etwa 150 MPa auf ca. 180 MPa, d. h. um mehr als 25 %, erhöhtwerden. Auch die Ergebnisse eines 4-Punkt-Biegeversuchs (Abbildung 15) zeigen ein ca. 25 % höheres Kraftniveau bei Proben,welche mit BrazeTec 49 / Cuplus gelötet wurden.

Bei der Verwendung eines Schichtlotes müs-sen verschiedene Faktoren berücksichtigtwerden. Ein wichtiger Punkt ist die Positio-nierung des Schichtlots. Wie Abbildung 16zeigt, beeinflusst die Lage des Schichtlotesbzw. die Position der Mittelschicht deutlichdie auftretenden Spannungen in einem auf-gelöteten Hartmetall-Sägezahn.

Abbildung 16 | oben: Probengeometrien mit unterschiedlicher Positionierung des

Schichtlotes; unten: berechnete maximale Hauptspannungen in gelöteten Proben,

Skala: 0 MPa – 250 MPa [24]

Positionierung des Lotes im Querschnitt

Positionierung des Lotes 3D-Ansicht

Hauptspannungen in 3D-Ansicht

Max

imal

e B

iege

kraf

t [N

]

Lotspaltbreite, Cu = 200 μm [μm]

100 20 300

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

Lotschicht

Zwischenschicht (Cu)

Abbildung 15 | Testkräfte in Abhängigkeit der Lotspaltbreite für

das Schichtlot [23]

Abbildung 17 | Sägenstammblatt unter Verwendung verschiedener

BrazeTec 49 / Cu-Bandbreiten

BrazeTec 49 / Cu

BrazeTec 49 / Cuplus



Eine fehlende Zwischenschicht führt zum An-steigen der Spannungen in diesen Bereichen.Verengt sich der Spalt in diesen Bereichennoch zusätzlich, erhöht sich das Spannungs-niveau nochmals beträchtlich. Nur wenn dasSchichtlot samt Mittelschicht komplett umden Zahn herumliegt (links), kann das ange-strebte niedrige Spannungsniveau erreichtwerden. Wenn das Lot den Zahn nicht kom-plett umschließt bzw. die Mittelschicht zufrüh endet, entstehen große Spannungen auf der gelöteten Seite (Mitte und rechts) alsauch auf den Spanflächen. Hierbei kann dieSpannung, wie in Abbildung 16 gezeigt, um ca. 60 % von 150 MPa auf 250 MPa an-steigen, was gleichzeitig eine Erhöhung derBruchwahrscheinlichkeit (Berechnung nachWeibull-Theorie) um ca. 3.000 % mit sichbringt [24].

Auch die Breite des verwendeten Lotbandes(Abbildung 17) beeinflusst die Ausbildung

der Spannungen im gesamten Lötverbund[25]. Simuliert man die Spannungsverteilungin einem Sägestammblatt (Werkstoff CrV4)mit einer Stärke von 3,5 mm und einem auf-gelöteten Hartmetallzahn der Maße 10,5 x5,3 x 3,0 mm (CERATIZIT KCR06), so wird er-sichtlich, dass die Spannungen im Stahl mithöherer Bandbreite deutlich ansteigen, während das Lot bei einer Bandbreite von 4 mm ein Minimum der Hauptspannung undDehnung aufweist. Die Spannung befindetsich aber für alle Lotbandbreiten im Vergleichzum Stahl auf einem ähnlichen Niveau. DieSpannung in der Kupfer-Zwischenschicht wirddurch die Bandbreite nicht beeinflusst. DieDehnung nimmt bei den breiteren Lotbän-dern allerdings ab (Abbildung 18). Im Lotnahe dem Hartmetall stellt sich für das ange-führte Beispiel bei 4 mm Lotbandbreite einSpannungsmaximum ein und bei den breite-sten untersuchten Bändern ein Spannungs-minimum.

Im Hartmetall steigt die Zugspannung wie im Stahl mit zunehmender Lotbandbreite an,bis es zu einem Spannungsmaximum an denZahnflanken im Fußbereich kommt. Die Front-flächen des Hartmetallzahnes weisen keinewesentliche Spannungsänderung auf.

Im Ergebnis kann man festhalten, dass einKompromiss für die diversen Spannungs -zustände im Fügeverbund gefunden werdenmuss. Allgemein kann die Empfehlung aus-gesprochen werden, dass das eingesetzteSchichtlot beidseitig am Sägeblatt jeweils um0,25 mm überstehen sollte. Dies ermöglichtein Optimum in der Spannungsverteilung derFügepartner. Gleichzeitig wird eine höhereProzesssicherheit ermöglicht, da auch bei etwaigem Verrutschen des Lotbandes sicher-gestellt ist, dass dieses in der Regel nochvollständig im Spalt vorhanden ist.

4,0 mm 4,5 mm 5,0 mm 3,5 mm3,5 mm 4,0 mm 4,5 mm 5,0 mm

Abbildung 18 | Dehnungsniveaus in der Kupferzwischenschicht bei Lotbandbreiten

von 3,5 bis 5,0 mm (0-max. 14 %) [25]

Abbildung 19 | Zugspannungen im Hartmetallzahn bei Verwendung verschiedener

Lotbandbreiten [25]



Die Zusammensetzung verschiedenerSchichtlote sowie die Löttemperatur sind inTabelle 9 dargestellt. Für Sonderanwendun-gen, beispielsweise in der Medizin- undKunststofftechnik, werden Korrosionsanfor-derungen an die spannungsausgleichendeZwischenschicht gestellt, die von reinemKupfer oft nicht erfüllt werden. Um dennochHartmetalle erfolgreich löten zu können, stehen Zwischenschichten aus Kupfer-Nickel-Eisen-Legierungen zur Verfügung (z.B. BrazeTec 49 / CuNiFe).

4.1.4 Besonderheiten durch spezielle Anwendungen Die Vielzahl der Aufgabenstellungen wirddurch unterschiedliche Schneidstoffe,Schneidstoffmodifikationen oder zusätzlicheBeschichtungen gelöst. Daraus ergeben sichmöglicherweise Besonderheiten für dasLöten.

Wird der Verschleißschutz von Hartmetallendurch das Abscheiden einer Hartstoffschichtaus der Dampfphase, beispielsweise Titan-carbid (TiC), Titannitrid (TiN) oder Titanalumi-niumnitrid (TiAlN), verbessert, sind dieProzessbedingungen des Beschichtungsver-fahrens PVD (Physical Vapor Deposition) zubedenken. Liegen entsprechend hohe Pro-zesstemperaturen an, bei denen Legierungs-elemente des Hartlotes einen erhöhtenDampfdruck aufweisen oder wird im Vakuum

gearbeitet, ist das bei der Hartlotauswahl zuberücksichtigen. So besitzt Zink, ein typischesLegierungselement von niedrigschmelzendensilberhaltigen Hartloten, bereits bei ca. 200 °Ceinen Dampfdruck von ca. 1 • 10-5 mbar. Dieser liegt im Allgemeinen bereits oberhalbder Startdruckbedingungen für übliche PVD-Verfahren. Werden entsprechend höhereTemperaturen und niedrigere Drücke ver-wendet, steigt der Dampfdruck des Zinksentsprechend. Hierdurch ist mit einem nega-tiven Einfluss auf die Beschichtungsqualitätund auf die Festigkeit der Lötverbindung zurechnen. Vor diesem Hintergrund empfiehltes sich, Hartmetalle, die einem solchen Beschichtungsprozess zugeführt werden, mit einem zinkfreien Silberbasishartlot wieBrazeTec 6488 bzw. BrazeTec 64 / Cu (Tabelle 7 bzw. Tabelle 9) zu löten.

Eine exakte Temperaturführung beim Lötenist unerlässlich. Handelt es sich um rechtkleine Hartmetalle mit aufgesinterter PKD-Schicht, wie sie typischerweise bei Dreh- undFräswerkzeugen für die Holzbearbeitung zumEinsatz kommen, kann auf die Verwendungvon Schichtlot, wie bereits beschrieben, ver-zichtet werden. Ist dies der Fall, kann alter-nativ das niedrigschmelzende Silberbasis-hartlot BrazeTec 5507 (Tabelle 11) eingesetzt werden. Die Löttemperatur liegtca. 20 °C unterhalb der von BrazeTec 4900 [18].

4.2 Diamant & PolykristallinerDiamant (PKD)Diamant ist das härteste bekannte Material.Es wird als Schleifmittel und als Schneidstoffeingesetzt. Während Diamanten im Allge-meinen beispielsweise im Kontakt mit anor-ganischen Säuren chemisch stabil sind,reagieren sie bei höheren Temperaturenschnell mit Carbidbildnern wie Eisen, Nickel,Kobalt, Wolfram und Chrom. Dies beschränktdie Einsetzbarkeit der mit Diamanten verse-henen Werkzeuge auf Nichteisenmetalle,wie Aluminium und Kupfer sowie auf nicht-metallische Werkstoffe, wie z.B. Glas- undCarbonfasern, Hartmetalle und Steine.

Diamant wird in verschiedenen Varianteneingesetzt. Sie können z.B. als natürlicheoder synthetisch erzeugte monokristallineDiamanten verwendet werden, die eine vonder Belastungsrichtung abhängige Härte aufweisen. Weiterhin gibt es polykristalline Diamanten (PKD), die aus vielen zufällig ori-entierten Kristallen in einer metallischenbzw. keramischen Matrix (Binder) bestehenund so ein isotropes Verhalten aufweisen.Wie bei den Hartmetallen entscheidet z.B.das Verhältnis zwischen Hartstoff und Binderund die Korngröße über die Eigenschaftendes polykristallinen Werkstoffes. PKD wird als kompaktierte Segmente, teils auf einHartmetallsubstrat aufgesintert, auf dasWerkzeug aufgelötet. Des Weiteren könnenmittels CVD-Verfahren Diamantschichten abgeschieden werden.

Lot Zwischenschicht SchmelzbereichDSC 1)

Löttemp. Scherfestigkeit 2) Zusammensetzung des Lotes in Gew.-%

etwa [°C] etwa [°C] [MPa] Ag Cu Zn Mn Ni Andere

BrazeTec 49 / Cu Kupferzwischenschicht 670 – 720 710 > 150 49 27,5 20,5 2,5 0,5 –

BrazeTec 49 / Cuplus Verstärkte Kupfer -zwischenschicht 670 – 720 710 > 180 49 27,5 20,5 2,5 0,5 –

BrazeTec 49 / CuNiFe Korrosionsbeständigere Kupferzwischenschicht 670 – 720 710 > 150 49 27,5 20,5 2,5 0,5 –

BrazeTec 64 / Cu Kupferzwischenschicht, TiN beschichtbar 730 – 780 780 > 150 64 26 – 2 2 –

BrazeTec 49 / NiN Zwischenschicht aus Ni-Matrix,Spaltstabilisierung 670 – 720 710 > 150 49 49 20,5 2,5 0,5 6 In

BrazeTec Cu / NiN Zwischenschicht aus Ni-Matrix,Spaltstabilisierung 1.085 1.100 > 200 – 100 – – – –

2) Verbund 1.2210 & K10; Lötfläche 8 x 8 mm; Schereinrichtung: Gerling GLFP1) Schnee, Wiehl, Starck 2014 [40]

Tabelle 9 | Schichtlote zum Hartmetalllöten [29]



Diamanten vereinen eine hohe Härte miteiner hohen thermischen Leitfähigkeit, sodass beim Trennen die entstehende Wärmedirekt aus der Schneidfläche abgeleitet wird.Ein Nachteil der Diamanten ist ihre hoheSprödheit. Das Versagensverhalten kann allerdings in PKDs bzw. durch Defekte undsekundäre Phasen stark beeinflusst werden.

PKDs enthalten meist 5 – 10 Vol.-% Binder, wobei bei den PKDs aus synthetisch herge-stellten Diamanten weitere Verunreinigun-gen durch Metalle und Graphit vorliegenkönnen, die aus dem Synthetisierungspro-zess stammen. Der metallische Binder, dermeist auf den Korngrenzen sitzt, beeinflusstdie Stabilität der Diamanten, da er die Um-wandlung in Graphit unterstützt und durchden unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi-zienten beim Einsatz bei hohen Temperatu-ren zusätzliche Spannungen in den Werkstoffbringt. Um dies zu umgehen, kann der Bin-der von den Korngrenzen chemisch entferntwerden oder es können Materialien mit an-gepasstem Ausdehnungskoeffizienten, wiez.B. Siliziumcarbid, als Binder verwendetwerden [15].

4.2.1 Löten von Diamanten & PKDWerden Diamanten durch thermische Verfah-ren gefügt, muss man sich bewusst sein,dass Diamanten unter bestimmten Tempera-tur- und Druckbedingungen ein metastabiles

System darstellen und ihre Kristallstrukturändern bzw. auch oxidieren. Diamanten rea-gieren beispielsweise bei Temperaturen über600 °C mit dem Luftsauerstoff zu CO2 undkönnen sich bei höheren Temperaturen auchwieder zu Graphit umwandeln. Die Umwand-lungstemperatur hängt dabei von verschie-denen Faktoren ab, u.a. der Umgebungs-atmosphäre. Ein natürlicher monokristallinerDiamant wandelt sich in reiner inerter Atmo-sphäre bei etwa 1.600 °C und im Vakuum(bei einem Druck von 5 • 10-4 mbar) bei etwa1.500 °C in Graphit um. Unter atmosphäri-schen Bedingungen kann diese Temperaturauf 1.000 °C [12] [26] oder sogar, je nachProzessbedingungen, bereits bei etwa 750 °C[15] einen deutlichen Anteil haben.

Die Benetzung von Diamant hängt stark mitder Art der Wechselwirkung zwischen Dia-mant und dem in Kontakt stehenden Werk-stoff ab. Es werden zwei Arten von Hartlotenzum Löten von Diamanten eingesetzt: Nik-kelbasislote mit einem Anteil an carbidbil-denden Elementen wie Chrom, Bor undSilizium [12] [27] sowie sogenannte Aktiv-lote, die grenzflächenaktive Elemente wieTitan oder Zirkonium enthalten [12]. DieseElemente können mit dem nichtmetalli-schen, anorganischen Werkstoff, z.B. Dia-mant oder Keramik, reagieren. Die sichbildende Reaktionsschicht kann von demrestlichen, aktivelementarmen Hartlot be-netzt werden. Da die Aktivelemente sauer-stoffaffin sind und ein frühzeitiges Abbinden

der Elemente durch die Reaktion mit Sauer-stoff verhindert werden muss, findet der Pro-zess im Vakuum bei min. 5 • 10-4 mbar oderin inertem Schutzgas statt [26]. Um eine höhere Verschleißbeständigkeit von aufge -löteten Diamantkörnungen zu erreichen, eignen sich die Nickelbasislote [12]. Vorteiledes Aktivlötens sind die im Vergleich zumLöten mit Nickellot niedrigeren Löttempera-turen um 900 °C und die höhere Duktilitätder Aktivlote, die eine Reduktion der ther-misch induzierten Spannungen erlauben. Aktivlote wie BrazeTec CB 4 werden häufigals Lotfolie eingesetzt, aber es gibt auch entsprechende Aktivlotpasten, die (teil)auto-matisiert mittels Dispenser und Siebdruckappliziert werden können.

Wie bereits eingangs erwähnt, werden zumFügen von Diamanten Hartlote eingesetzt,die carbidbildende Elemente wie z.B. Titan,Zirkonium, Chrom, Bor und Silizium enthal-ten. Bei Kontakt mit dem Diamanten bildetsich eine Carbidschicht aus. Welche Carbidehierbei entstehen, kann anhand der freienGibbs-Energien abgeschätzt werden, welchein Abbildung 20 dargestellt sind. Je niedri-ger die Werte für die freie Gibbs-Energie fürdie Bildung eines Carbides sind, desto eherwird sich auch dieses Carbid bilden. In einemNickelbasislot mit Chrom und Bor wird sichbei einer Löttemperatur von etwa 1.000 °Cgemäß der freien Gibbs-Energien eher Cr23C2

statt Cr3C2, B4C oder Ni-Carbid bilden.

Afg

°(T)

[kJ

/m

ol]

Temperatur [°C]

0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800-800

-700

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

Ni3C

WC

Fe3C

B4c

Mo2C

Al4C3

Cr3C2

ZrC

TiC

A-SiC

Cr23C6

Abbildung 20 | Freie Gibbs-Energie für die Bildung von Carbiden bei verschiedenen Temperaturen [15]



Es muss unterschieden werden, ob Diamant-körnungen oder kompakte PKD-Schichtenaufgelötet werden sollen. Wenn Körnungenaufgelötet werden, können die in Tabelle 10genannten Lote uneingeschränkt eingesetztwerden. Beim Einsatz der reinen PKD-Schich-ten werden die aufgeführten Aktivlote ver-wendet.

PKD-Schichten können auch auf Hartmetalleaufgesintert werden. Dabei diffundiert beimSinterprozess der Binder aus dem Hartmetallin den Diamantverbund und stellt auch hiereine Verbindung her. Allgemein ist ein Über-hitzen der Diamantgeometrien zu vermei-den, da es ansonsten zur Umwandlung derDiamanten in Graphit kommt. Bei PKD-Schichten auf Hartmetall kann dies zum Ab-lösen der PKD-Schicht führen [28]. Aufgrundder unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi-zienten und der Sprödigkeit der Fügepartnerwird eine langsame Abkühlung an Luft emp-fohlen, um ein vorzeitiges Versagen durchthermisch induzierte Spannungen zu vermei-den [16].

Die aufgesinterten PKD-Schichten werdenmit dem Werkzeug durch Hartlote mit hohemSilberanteil mit Schmelzbereichen bis maxi-mal 750 °C in Kombination mit geeignetenFlussmitteln verbunden. Die Benetzung der

Grundwerkstoffe kann durch Zugabe vonMangan verbessert werden [29]. In Tabelle 11sind einige der empfohlenen Hartlote aufge-listet. Nicht alle dieser Hartlote sind aller-dings geeignet, um aufgesinterte PKD-Schichten an ein Werkzeug zu löten. Hierwerden vor allem das höhersilberhaltigeHartlot BrazeTec 5507 und das Mangan undNickel enthaltende Hartlot BrazeTec 4900 erfolgreich eingesetzt. Als Flussmittel kommen einige der in Tabelle 5 aufgeführ-ten Flussmittel zum Einsatz, insbesondere BrazeTec spezial h, BrazeTec h 80,BrazeTec h 90 und BrazeTec h 285. Die Erwärmung erfolgt, wie beim Löten vonHartmetallen, meist mittels Induktion.

Eine weitere Anwendung für Diamanten inWerkzeugen ist der Einsatz als Diamantseg-ment. Diese enthalten nur einen geringenAnteil an Diamant (etwa 10 %) und sind ineine Matrix aus Kobalt oder Bronze eingebet-tet. Somit besteht in diesem Fall die Füge-aufgabe darin, dass Metall der Matrix zubenetzen. Eingesetzt werden diese Seg-mente zum Beispiel als Bestückung fürTrennscheiben. Hier müssen Lotauswahl undLötprozess überdacht werden, um Verbindun-gen mit hoher Festigkeit reproduzierbar her-stellen zu können, ohne den Binder derDiamantsegmente thermisch zu schädigen.

4.3 Kubisches Bornitrid & Polykristallines Bornitrid (PcBN)Kubisches Bornitrid (cBN) und polykristallineskubisches Bornitrid (PcBN) sind halb so hartwie Diamant, aber doppelt so hart wie alleanderen Werkstoffe und stellen somit diezweithärtesten bekannten Werkstoffe dar. DerEinsatz von kubischem Bornitrid ähnelt demvon Diamanten. Bei Schlagbeanspruchungverhält sich cBN ebenfalls spröde. Das PcBNist, wie ein PKD, ein Werkstoff mit zufälligerKristallorientierung in einer metallischen Ma-trix, aber variantenreicher als das PKD, wasdie sekundären Phasen, Partikelgrößenver-teilungen und die Partikelkonzentrationenangeht. PcBN wird, wie PKD, unter anderemaufgesintert auf ein Hartmetall gefügt.

cBN kann zur Bearbeitung von Eisen-, Nickel-und Kobaltlegierungen genutzt werden, daes eine sehr geringe Reaktivität gegenüberdiesen Elementen aufweist. Allerding rea-giert es mit starken Nitrid- bzw. Borid -bildnern wie Titan und Zirkonium.

Aktivlote ISO 17672 Bemerkung Schmelzbereich Löttemp. Zusammensetzung in Gew.-%

etwa [°C] etwa [°C] Ag Cu Ti – –

BrazeTec CB 4 – Universalaktivlotfolie 780 – 820 850 – 950 70,5 26,5 3 – –

BrazeTec CB 10 – Universalaktivlotpaste für Siebdruck und Dispenser 780 – 820 850 – 950 64,8 25,2 10 – –

Nickelbasislot ISO 17672 Bemerkung Schmelzbereich ISO 17672

Löttemp. Zusammensetzung in Gew.-%

etwa [°C] etwa [°C] Ni Cr Fe Si B

BrazeTec 1002 Ni 620 Dispenser- und Siebdruckpaste 970 – 1.000 1.050 82,4 7 3 4,5 3,1

Tabelle 10 | Hartlote zum Löten von ultraharten Materialien [22]



4.3.1 Löten von kubischem BornitridNeben dem Auflöten von Körnungen könnenkompaktierte Segmente eingesetzt werden,häufig auf einem Hartmetallsubstrat, dasaufgrund der hohen Steifigkeit und der geringeren Ausdehnung zu niedrigeren thermisch induzierten Spannungen im Verbund führt.

cBN ist gegenüber Oxidation und Umwand-lung in hexagonales Bornitrid deutlich be-ständiger als Diamant. Bis 1.300 °C wird esdurch eine Oxidschicht geschützt und erst bei höheren Temperaturen kommt es zurUmwandlung. Die Umwandlungstemperaturhängt dabei wieder von der Atmosphäre abund variiert von 1.525 °C nach 12 StundenHaltezeit in Stickstoff [26], bis 1.700 °C anLuft [15]. Bei PcBN haben auch die Binder-phasen keinen Einfluss auf die thermischeoder chemische Beständigkeit.

cBN ist chemisch sehr stabil und kann dahernicht direkt mit konventionellen Hartlotengefügt werden. In manchen Fällen wird cBNdaher vor dem Löten mit nitrid- oder borid-bildenden Materialien wie Nickel oder Titanbeschichtet und anschließend mit konventio-nellen Hartloten gelötet.

Meistens wird es allerdings, wie auch Diamanten, mit Aktivloten, basierend aufdem Silber-Kupfer-Titan-System, gelötet.

Empfohlen werden hierbei die entsprechen-den BrazeTec-Aktivlote, wie sie in Tabelle 11zusammengestellt sind.

Nickellote können hier nicht eingesetzt werden, da die Bildungsenthalpie für Chrom-nitrid mit -121 kJ/mol [30] deutlich höher alsdie Bildungsenthalpie für cBN mit -266,8 kJ/mol[31] und demnach energetisch ungünstigerist. Resultierend aus diesem Umstand kannsich keine verbindende Reaktionsschichtausbilden.

Beim Auflöten der auf Hartmetall gesintertenPcBN-Schichten können dieselben silberhalti-gen Hartlote wie beim Auflöten der PKD-Hartmetall-Schichten bzw. wie auch beimLöten von Hartmetallen eingesetzt werden.

Lotempfehlungen für die einzusetzendenHartlote sind entsprechend in Tabelle 7 undTabelle 11 zu finden. Auch beim PcBN-Lötensollten die Löttemperaturen möglichst geringsein, um ein Ablösen des PcBN vom Hart -metallsubstrat zu vermeiden [26]. Vakuum-lötprozesse werden gelegentlich verwendet.

4.4 Löten von KeramikenAlle keramischen Werkzeuge werden aus keramischen Rohstoffen in Pulverform herge-stellt. Dieses Pulver wird in die gewünschteForm gebracht, verdichtet und anschließendgebrannt. Je nach Keramik und Anwendungs-zweck können verschiedene Routen genutztwerden. Insbesondere das heißisostatischePressen erlaubt dabei die Herstellung vondichten Bauteilen mit isotropen Eigenschaf-ten. Als Schneidkeramiken für Werkzeugewerden, wie auch aus Tabelle 1, Seite 8ersichtlich ist, vor allem zwei Arten von Keramiken eingesetzt: Aluminiumoxid- und Siliziumnitrid-Keramiken. Al2O3 kann alsmonolithische Keramik mit einem Al2O3-Gehalt > 99 % oder als verstärkte Keramik,versetzt mit weiteren keramischen Stoffenwie Titan- oder Siliziumcarbid-Fasern, einge-setzt werden. Neben reinem Siliziumnitridwird auch Sialon eingesetzt, eine Misch -keramik aus Si3N4 und Al2O3 oder Aluminium-nitrid. Auch der Einsatz von mit Metall-carbiden oder Fasern verstärktem Si3N4 istmöglich [15]. Allgemein konnte durch Zugabe von weiteren Oxiden, Carbiden bzw. Fasern sowie eine Anpassung der Herstel-lungsroute die Leistungsfähigkeit der Werk-stoffe deutlich gesteigert und die Bruch-eigenschaften verbessert werden [26].

Hartlot ISO 17672 PKD auf Hartmetall

Diamant-segmente

Bemerkung Schmelz-bereich

ISO 17672

Schmelz-bereichDSC 1)

Löttemp. Zusammensetzung in Gew.-%

etwa [°C] etwa [°C] etwa [°C] Ag Cu Zn Mn Ni Sn

BrazeTec 5507 Ag 155 lötbar lötbar Sehr niedrigerSchmelzpunkt 630 – 660 650 – 670 660 55 21 22 – – 2

BrazeTec 4900 Ag 449 lötbar lötbar Gute Benetzung 680 – 705 680 – 705 690 49 16 23 7,5 4,5 –

BrazeTec 4404 Ag 244 – lötbar Sehr duktil und fest 675 – 735 675 – 735 730 44 30 26 – – –

1) Schnee, Wiehl, Starck 2014 [40]

Tabelle 11 | Hartlote zum Löten von aufgesinterten PKD-Schichten und diamanthaltigen Segmenten [29]



Keramische Schneidstoffe weisen eine hoheWarmhärte, chemische Stabilität sowie Temperatur- und Verschleißbeständigkeit auf.Daraus ergeben sich Vorteile gegenüber kon-ventionellen Werkzeugen, wenn Materialienbearbeitet werden müssen, die für die nor-malerweise verwendeten Werkzeuge zu hartsind, oder wenn durch eine Steigerung derBearbeitungsgeschwindigkeit Temperaturenerreicht werden, die die Einsatzgrenzen an-derer Schneidstoffe überschreiten. WeitereVorteile sind die homogenen Schnittbedin-gungen, die auch die Einhaltung geringer Toleranzen zulassen.

Werkzeuge aus monolithischem bzw. mit TiC-verstärktem Aluminiumoxid werden zur Be-arbeitung von gehärteten Stählen, Gusseisenund Nickelbasis-Superlegierungen verwendet,während die mit SiC-Fasern verstärktenAl2O3-Komponenten für gehärtete Stähle biszu 65 HRC und Nickelbasissuperlegierungeneingesetzt werden. Keramiken auf Siliziumni-tridbasis sind aufgrund der Neigung zu chemischen Reaktionen mit den zu bearbei-tenden Werkstoffen in ihrer Anwendung eingeschränkt und werden daher meist nurzum Trennen von Gusseisen und Nickelbasis-Superlegierungen verwendet. Durch Zulegieren von Aluminiumoxid sowie

die Beschichtung mit TiC-TiN- oder TiC-Al2O3-Systemen kann die chemische Beständigkeit verbessert werden [15].

Wie bei den anderen Schneidstoffen werdenauch Keramiken meist nicht als kompletteBauteile, sondern im weitesten Sinne alsSchneiden verwendet, die an einem metalli-schen Träger befestigt werden müssen. In einigen Fällen können Wendeplatten überSchrauben am Träger befestigt werden, aberfür eine dauerhafte Verbindung bietet sichdas Löten zur Befestigung der Keramikteilean.

4.4.1 Lotwerkstoffe und LötprozessDa keramische Werkstoffe aufgrund ihrerBindungsstruktur nicht durch konventionelleMetalllote benetzt werden können, wird hier, wie beim Löten von Diamanten, auf das Aktivlöten gesetzt. Der Prozess ist in Kapitel 4.2 genauer beschrieben, beruhtaber auf der Reaktion der Keramik mit grenz-flächenaktiven Elementen wie Titan. Als Hart-lote kommen die in Tabelle 10 genanntenBrazeTec Silber-Kupfer-Titan-Aktivlote alsFolie oder Paste zum Einsatz.

4.4.2 Thermische Effekte undSpannungszuständeWie speziell in Kapitel 2.3 erwähnt, tretenin Verbunden zwischen Schneidstoffen undStählen häufig thermisch induzierte Span-nungen auf, die durch den Unterschied derthermischen Ausdehnungskoeffizienten her-vorgerufen werden. Dies trifft auch auf Kera-mik-Metall-Verbunde zu, da Keramiken, wieTabelle 12 zu entnehmen ist, deutlich gerin-gere Ausdehnungskoeffizienten als die meisten Stähle aufweisen. Die Lötnaht, diemeist im Verhältnis zum restlichen Bauteilschmal ausfällt, kann die bei der Abkühlungentstehenden Spannungen nicht mehr ab-bauen. Dies hat eine komplexe Verteilungvon teils hohen Spannungen im gesamtenVerbund zur Folge.

Folge des hohen Spannungsniveaus ist, dassKeramik-Metall-Verbunde eine niedrigere Festigkeit als reine Keramik-Keramik-Ver-bunde aufweisen, wie auch in Abbildung 21an einem Beispiel eines 4-Punkt-Biegever-suchs zu sehen. Bei Siliziumnitrid erreichendie Keramik-Metall-Verbunde eine um ca. 15 % und bei den SiC-Metall-Verbundensogar eine 50 % niedrigere Biegefestigkeitals die Keramik-Keramik-Verbunde.

Keramischer Werkstoff

Linearer Wärmeausdeh-

nungskoeffizient

Metallischer Werkstoff

Linearer Wärmeausdeh-

nungskoeffizient

[10-6K-1] [10-6K-1]

Diamant 1,3 FeNiCo 5,9

SiC 4,6 FeNi 8,0

Si3N4 3,0 C45 11,0

Al2O3 8,0 C45 11,0

ZrO2 9,8 1.4301 16,0 Al2O3 Si3N4 SiC

0

50

100

150

200

250

300

350

400Keramik/Keramik-Verbund

Keramik/Metall-Verbund

Tabelle 12 | Lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von verschiedenen

keramischen und metallischen Werkstoffen

Abbildung 21 | 4-Punkt-Biegefestigkeiten aktivgelöteter Keramik-Keramik-

bzw. Keramik-Metall-Verbindungen [32]



Sägeblatt

Bohrer mit TiN-Beschichtung

Papiermesser

Material Hartmetall (Co-Matrix) Stahl

Lot BrazeTec 49 / Cu

Flussmittel BrazeTec h 285

Atmosphäre Luft

Heizart Induktion

4.5. Anwendungsbeispiele

Material Hartmetall (CoCr-Matrix) Stahl

Lot BrazeTec 49 / Cu


Atmosphäre Luft

Heizart Induktion


Lot BrazeTec 6488


Atmosphäre Luft

Heizart Induktion



Kernbohrer

Steinmeißel

Trennscheibe

Material Diamanten, Stahl

Lot BrazeTec P 1002.1

Flussmittel ohne

Atmosphäre Argon 4.8, Vakuum < 10-3 mbar

Heizart Ofen

Material Diamantsegmente (Co-, Cu-, Fe-, Sn-Matrix) Stahl

Lot BrazeTec 5507


Atmosphäre Luft

Heizart Induktion


Lot BrazeTec 21 / 68

Flussmittel BrazeTec s

Atmosphäre Stickstoff

Heizart Induktion, Ofen



Schneidscheibe

Wendeplatte

Fräser

Material PKD auf Hartmetall gesintert/Stahl

Hartlot BrazeTec 4900

Flussmittel BrazeTec spezial h Paste

Atmosphäre Luft

Heizart Induktion

Material Diamanten, Stahl

Lot BrazeTec P 1002.1

Flussmittel ohne


Heizart Ofen

Material PcBN/Stahl

Lot BrazeTec CB 10 Paste

Flussmittel ohne


Heizart Ofen


5. Prozessoptimierung32

5. Prozessoptimierung

Um zu beurteilen, ob es Verbesserungsbedarf bei einem Prozess gibt, müssen zunächst Qualitätskriterien bestimmtwerden. Das können z.B. der Füllgrad des Lotspaltes, einegeringe Porosität in der Lotnaht, bestimmte, für die Anwen-dung relevante mechanische Eigenschaften oder eine guteOberflächenqualität der Lotnaht sein.



Auftretende Fehler Ursache Beseitigung

Das Lot ist nicht richtig geflossen

Die Aufheizung war durch falsche Induktorankopplung unterschiedlich. Die Induktorankopplung ist durch Versuch zu ändern.

Die Spaltgröße ist falsch bemessen oder der Spalt erweitert sich z.B. in Flussrichtung des Lotes.

Die Spaltgrößen sind einzuhalten.

Falsches Flussmittel wurde verwendet. Empfohlene BrazeTec-Flussmittel nach Tabelle 5, Seite 12 sind zu verwenden.

Die Oberfläche der zu verlötenden Teile war stark fettig oder oxidiert, so dass das Flussmittel nicht voll wirksam werden konnte.

Die Werkstücke sind vor dem Lötprozess grundsätzlich zu entfetten.

Die Oberfläche war nicht oxidfrei. Durch Löten in reduzierender Atmosphäre (im Ofen) können Oxidschichten abgebaut werden.

Der Grundwerkstoff (z.B. Hartmetall mit geringen Binderanteil) ist nur schwer zu benetzen.

Durch aufgebrachte Kobalt- oder Nickelbeschich-tungen kann die Benetzung verbessert werden.

Die Lötstelle zeigtkeine genügende Festigkeit

Im Lot befinden sich Flussmitteleinschlüsse, da die zu lötenden Teile für die vorgenommene Lötung in der vorliegenden Form nicht geeignet sind. Zum Beispiel kann der Lötspalt zu eng sein, oder es sind in Flussrichtung des Lotes Querriefen im Lötspalt. Das Lot umfließt hierbei Flussmitteleinlagen.

Die Werkstücke sind lötgerechter zu gestalten.

Durch falsches Anbringen des Lotes sind Gaseinschlüsse durch gasende Bestandteile des Flussmittels entstanden, die vor dem Erstarren nicht entweichen konnten.

Auf die richtige Löttemperatur ist besonders bei Loten mit Zink zu achten.

Die Löttemperatur war zu hoch, so dass der Siedepunkt von Lotbestandteilen überschritten wurde. Lotbestandteile sind verdampft, und der Rest des Lotes bringt nicht mehr die gewünschte Festigkeit der Lotstelle.

Die Löttemperatur ist durch eine geringere HF-Energie bei Induktion oder durch bessere Anpassung des Induktors auf die richtige Höheund die gleichmäßige Aufheizung des Werkstücks einzustellen.

Es wurde versucht, das Werkstück nach dem Fließen des Lotes schneller abzukühlen. Im Lot sind Schrumpfrisse entstanden.

Die forcierte Abkühlung ist zu unterlassen.

Die Wärmedehnung der zu lötenden Teile wurde nicht beachtet, der Lötspalt ist bei Erwärmung zu klein geworden. Das Lot konnte nicht richtig fließen.

Es sind die richtigen Lotspalte gemäß der thermischen Ausdehnungseffekte zu errechnen.

Es wurde ein falsches Flussmittel benutzt. Das Lot ist nicht sauber geflossen.

Es sind Flussmittel nach BrazeTec-Empfehlung zu verwenden

Die Lotspaltbreite stimmt nicht. Die Spaltbreiten nach [14] sind zu beachten.

Lötstelle und Umgebungsind nach dem Löten stark oxidiert

Die Lötung erfolgte an freier Atmosphäre mit einem zu hochschmelzenden Lot.

Es ist ein niedrigschmelzendes Lot zu verwenden, oder der Lötprozess muss unterSchutzgas oder im Vakuum ablaufen.

Die Heizzeit wurde unnötig lang ausgedehnt. Die Verfahrenstechnik ist zu überarbeiten. Ist eine lange Heizzeit bei komplizierten Lötungen erforderlich, so sollte unter Schutzgasgelötet werden, u.U. mit mehr Flussmittel an den gefährdeten Stellen.

Tabelle 13 | Fehler beim induktiven Löten – Ursachen und Beseitigung [11]


34 5. Prozessoptimierung

bildende Eisen-Kobalt-Phasen entstehen Brücken zwischen Hartmetall und Stahl, überdie der Kohlenstoff wandern kann [1] [33]. DasHartmetall verliert Kohlenstoff, und es bildensich durch die C-Verarmung spröde η-Karbid-Phasen wie z.B. Co6W6C, Co3W3C und Co2W4C[34], die die mechanische Belastbarkeit desVerbundes reduzieren. Diese drei Carbide sindstrukturell eng verwandt, verhalten sich aberunterschiedlich. Unterhalb von 1.000 °C ist bei-spielsweise Co3W3C nicht beständig und zerfälltin Co6W6C, WC und Kobalt.

5.3 Optimierungen zur Temperatursteuerung mittels PyrometermessungDie Temperatur beim Induktionslöten vonHartmetallproben wird häufig mittels eines

5.1 Prozessfehler beim Induktionslöten – Ursachen undAuswirkungenInsbesondere bei der induktiven Erwärmung,welche häufig in der Werkzeugindustrie ein-gesetzt wird, kann es zu Anlaufschwierigkei-ten kommen. Tabelle 13 gibt Hinweise aufdie Ursache einiger Fehler und bietet auchLösungsansätze zur Behebung des Problems.

5.2 Potenzielle Festigkeits-verluste bei der Verwendungvon KupferbasishartlotenWenn zum Löten von Hartmetall-Stahl-Verbin-dungen Kupferhartlote verwendet werden,kann es bei einer ungünstigen Wahl der Pro-zessparameter zu einem Abfall der Festigkeit

der gelöteten Verbindungen kommen. Bei Ver-suchen mit einem Kupfer-Nickel-Silizium-Hartlotsank die durchschnittliche Scherfestigkeit beiVerlängerung der Haltezeit von 5 Minuten auf60 Minuten von etwa 300 MPa auf etwa 180 MPa. Bei Proben mit Kupfer-Mangan-Nickel-Hartlot sank die durchschnittliche Festig-keit von etwa 250 MPa bei 1.000 °C Löttempe-ratur auf unter 200 MPa bei 1.090 °C. In beidenFällen ist der Grund für den Festigkeitsabfall dieBildung einer Eisen-Kobalt-Phase an der Grenz-fläche des Hartmetalls, verbunden mit der Bildung einer spröden η-Karbidphase im Hart-metall [1]. Zwischen dem Hartmetall und demniedriglegierten Stahl besteht ein Kohlenstoff-Konzentrationsgefälle, was die Diffusions -neigung des Kohlenstoffs in Richtung Stahlbegünstigt. Das Kupferhartlot kann den Kohlenstoff zwar nicht lösen, aber über sich

Emissionsgrad [°C]

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

650

670

690

710

730

750

770

790

Obe

rflä

chen

tem

pera

tur

[°C]

Abbildung 22 | Temperatur in Abhängigkeit vom eingestellten Emissionsgrad bei einer Probe mit

einer Oberflächentemperatur von 730 °C, gemessen mit Pyrometer [29]


355. Prozessoptimierung

Pyrometers gemessen, da dies den Vorteileiner berührungslosen Messung bietet. Vorjeder Messung mit einem Pyrometer mussder Emissionsgrad eingestellt werden, derein Maß für die Wärmeabstrahlfähigkeiteines Objektes ist. Damit wird die Messungauf das Messobjekt abgestimmt. Wenn diesnicht berücksichtigt wird, wird das Ergebnisverfälscht, wie in Abbildung 22 gezeigt.Laut Temperaturfühler hatte die Oberflächeeine Temperatur von 730 °C, doch in Abhän-gigkeit des eingestellten Emissionsgrades variierte die durch das Pyrometer angezeigteTemperatur von 709 °C bis 785 °C. Zu beach-ten ist, dass der Emissionsgrad von der Ober-fläche des Werkstücks abhängig sein kannund dass es bei der Erwärmung der Probenzu einer Farbveränderung der Bauteilober -fläche kommen kann, die das Messergebnisverändern kann.

5.4 Einfluss der Überhitzung vonDiamantsegmenten mit hohemBinderanteilWie schon im Kapitel 4.2.2 angesprochen,stellt das Auflöten von Diamantsegmentenmit hohem Binder-, aber geringem Kobalt -anteil eine Herausforderung dar. Um die teils geringen Festigkeiten der gelöteten Ver-bunde zu erklären, wurden Segmente unter-sucht, deren Binder aus 40 % Cobalite HXund 60 % Bronze bestand und somit einenCo-Gehalt von unter 20 % aufwies [35]. Das Hartlot BrazeTec 4900 wurde zum Fügenvon Diamantsegment-Stahl-Proben einge-setzt. Es zeigte sich, dass die Löttemperatureinen deutlichen Einfluss auf die Scherfestig-keit der Verbunde hat. Die Temperatur wurde

mittels Pyrometer auf der Oberfläche desDiamantsegments gemessen. Die höchstenScher festigkeiten wurden bei einer gemesse-nen Oberflächentemperatur von 620 °C erreicht, so dass zu erwarten ist, dass dasHartlot und die zu benetzenden Flächen diefür das Hartlot optimale Löttemperatur von690 °C aufwiesen. Eine weitere Steigerungder Temperatur führte zu Proben mit niedri-geren Festigkeitswerten (Abbildung 23).Grund dafür war die Überhitzung des Hart -lotes, was unter anderem zu einer starkenDiffusion von Mangan und Nickel aus demHartlot in den Grundwerkstoff führte.

Temperatur an der Oberfläche des Segmentes [°C]

Sche

rfes

tigk

eit

[MPa

]

6100

50

100

150

200

250

300

350

620 650 660 690 740

Abbildung 23 | Scherfestigkeit eines mit BrazeTec 4900 gelöteten Diamantsegment-Stahl-Verbundes

in Abhängigkeit der an der Oberfläche des Segmentes gemessene Temperatur [35]


5. Prozessoptimierung36

Abbildung 24 | Lötung von BrazeTec 49 / Cu bei 750 °C und 10 Sekunden Abbildung 25 | Lötung von BrazeTec 49 / Cu bei 950 °C und 600 Sekunden

200 μm 200 μm

5.5 Einfluss der Überhitzung von SchichtlotBei einem Schichtlot, wie dem BrazeTec 49 / Cuoder 64 / Cu, handelt es sich um Hartlot, dasin der Mitte eine Kupferschicht besitzt. Dasich das plattierte Silberhartlot während desLötvorgangs in schmelzflüssiger Form befin-det, besteht die Gefahr, dass unter bestimm-ten Prozessbedingungen die Kupferschicht indas Hartlot legiert, sprich „verschwindet“ [36].

Nach internen Untersuchungen tritt dies nurbei starker Überhitzung des Hartlotsystemsoder einer langen Lötzeit auf. Geht mandavon aus, dass ein Bauteil induktiv gelötetwird, so ist eine Lötzeit im Sekundenbereichanzunehmen. Dort wird keine Schädigungauftreten (Abbildung 24). Es konnte festge-stellt werden, dass bis zu einer Temperaturvon 950 °C und einer Lötzeit von 10 Minutenkein wesentliches Einlegieren der Kupfer -zwischenschicht in das Hartlot stattfand

(Abbildung 25). Bei einer höheren Löt-temperatur von 1.100 °C war schon nach 3 Minuten ein deutlicher Effekt zu erkennen(Abbildung 26). Überträgt man diese Erkentnis auf das Hartlot BrazeTec 64 / Cu, welches auch in Ofenlötungen eingesetztwird, wo es zu längeren Lötzeiten kommenkann, sollte man speziell hier die Löttemper-atur so niedrig wie möglich wählen, um diebeschriebenen Lösungseffekte zu verhindern.

5.6 Brüche in der Cu-Zwischen-schichtKommt es im Einsatz eines Werkzeuges, welches mit Schichtlot gelötet wurde, zueinem Versagen der Lötstelle, wird dies inder Regel durch das Versagen der Kupferzwi-schenschicht geschehen. Vergleicht man dieFestigkeiten der verwendeten Grundwerk-stoffe im Fügebereich, so wird man feststel-len, dass die verwendete Kupferschicht diegeringste Festigkeit aufweist. Dies ist not-

wendig, da die Zwischenschicht durch ihre Eigenduktilität anfallende thermisch indu-zierte Spannungen während des Lötens auf-nehmen muss. Durch die vergleichsweisegeringe Festigkeit der Zwischenschicht handelt es sich um eine Sollbruchstelle in derFügezone. Die beschriebenen Abrisse könnenmehrere Gründe haben, die von der Lötungals solche bis hin zur Endanwendung reichen(Überlast im Betrieb). Abbildung 27 zeigtein Beispiel für einen Bruch in der Kupfer -zwischenschicht. Dieser wurde durch Über-last, welche an dem Hartmetall-Sägezahnanlag, hervorgerufen.

5.7 Fehlerhafte Positionierungvon Schichtloten Wie bereits im Kapitel 4.1 dargestellt, werden durch die Verlötung von Hartmetallmit Stahl sowohl thermisch als auch mecha-nisch induzierte Kräfte direkt in die beidenGrundwerkstoffe übertragen. Um im Speziellen

800 μm 800 μm

Abbildung 28 | Hartmetall-Sägezahn gelötet mit komplett eingelegtem

BrazeTec 49 / Cu [37]

Abbildung 29 | Hartmetall-Sägezahn gelötet mit BrazeTec 49 / Cu in direktem

Kontakt mit Stahlsitz [38]



Abbildung 26 | Lötung von BrazeTec 49 / Cu bei 1.100 °C und 180 Sekunden

200 μm

die thermischen Spannungen abzuleiten,wurde aufgezeigt, dass ein Schichtlot einge-setzt werden sollte, welches idealerweiseauch den kompletten Fügebereich abdeckt,siehe auch Abbildung 28. Fehlt zwischenHartmetall und Stahl das Hartlot bzw. dieKupferzwischenschicht, sprich die Fügepart-ner stehen in direktem Kontakt zueinander(Abbildung 29), können Spannungen nichtim nötigen Maß abgebaut werden. Wird dieser Verbund im Späteren weiterer Lastausgesetzt, kann das Segment ab einer bestimmten Grenzlast versagen bzw. vomTräger abfallen.

Abbildung 30 zeigt ein weiteres Beispiel füreinen Komplettausfall eines Hartmetall-Säge-zahnes. Hier wurde das Schichtlot zu kurz geschnitten und in doppelter Stärke nur aufeiner Seite des Zahnsitzes eingelegt. DieRückseite des Zahnes besaß somit keinespannungsabbauende Kupferzwischenschichtin dem Lötbereich. Zudem war dort der Spalt

extrem schmal und wurde nur mit etwas Silberhartlot aus dem Schichtlot verfüllt. InÜbereinstimmung mit den Spannungszustän-den, wie sie in der Abbildung 16 dargestelltsind, entstehen an der Rückseite des Hart-metallzahnes ungünstige Spannungsverhält-nisse, da der Spannungabbau eingeschränktist. Durch die Aufbringung vergleichsweisegeringer Scherkräfte führte dies zu einemBruch im Hartmetall. Abhilfe kann hier geschaffen werden, indem überwacht wird,dass das Schichtlot in voller Länge den Fügebereich ausfüllt.

5.8 Fehlerhafte Ausformung desSägenstammblattesJe nach Geometrie des eingesetzten Hart -metalls sollte auch das Stammblatt einerSäge entsprechend angepasst werden [39].Der stahlseitige Sitz sollte hierbei der Ausfor-mung des Hartmetalls entsprechend folgen.Die Fügeflächen sollten planparallel zueinan-

der verlaufen. Unregelmäßigkeiten oderauch Defekte können zu einer Verminderungder Qualität in der Fügefläche führen. Kritischist hier insbesondere die richtige Ausformungdes Radiuses am Fuß des Hartmetallsitzes(Abbildung 31). Bei einer fehlerhaften Aus-formung, wie gezeigt, entsteht im Radius einHohlraum. Obwohl vor dem Löten im gesam-ten Bereich Lotband eingelegt wurde, besteht das Risiko, dass die Lotmenge nichtausreicht um den Hohlraum zu füllen bzw.,dass das Hartlot Flussmittel oder Gas ein-schließt. Vergleicht man die Flächenverhält-nisse von Hohlraum und Spalt, so sieht man,dass der Anteil des Hohlraums schnell einenhohen prozentualen Anteil annehmen kann.Im Resultat kann die angebundene Fläche imLötspalt sinken, was zu einer Verringerungder Festigkeiten im Verbund führen kann.

Abbildung 27 | Hartmetall-Sägezahn gelötet mit BrazeTec 49 / Cu. Bruch der

Fügeverbindung in der Kupferzwischenschicht [37]

500 μm

500 μm 500 μm

Abbildung 30 | Hartmetall-Sägezahn gelötet mit BrazeTec 49 / Cu. Zerstörtes

Hartmetall durch falsch eingelegtes Schichtlotband [37]

Abbildung 31 | Fehlerhaft ausgeformtes Sägenstammblatt


6. Allgemeine Empfehlungen38

Hartstoff Hartlotsysteme nach DIN EN ISO 17672: 2010 Lötverfahren

Silberbasis-hartlote

Kupferbasis-hartlote

Aktivlote Nickelbasis-hartlote

Induktion Flamme Ofen

Hartmetall – –

Cermet – – –

Diamant

- rein – – – –

- in metallischer Matrix (Diamantsegmente) – – – –

Polykristalliner Diamant (PKD)

- rein – – – – –

- auf Hartmetall gesintert – – – – –

Kubisches Bornitrid (cBN) – – – – –

PcBN (PcBN auf Hartmetall gesintert) – – – – –

Hartstoff Anwendung Lot Flussmittel Verfahren Atmosphäre Bemerkung

Hartmetall Bohrer BrazeTec 4900 BrazeTec spezial h Paste Induktion, Flamme Luft –

Hartmetall Sägeblatt,Papiermesser

BrazeTec 49 / CuBrazeTec 49 / Cuplus BrazeTec h 285 Induktion,

Flamme Luft –

Hartmetall Chirugisches Besteck BrazeTec 49 / CuNiFe BrazeTec h 285 Induktion Luft Korrosionsbeständigere

Mittelschicht

Hartmetall TiN-beschichtete Werkzeuge BrazeTec 6488 BrazeTec h 285 Induktion,

Flamme Luft –

Hartmetall Steinmeißel BrazeTec 21 / 80 BrazeTec s Paste Induktion,Ofen Stickstoff –

Hartmetall, wenig Binder

Fräser, Sägeblätter, Bohrer, Hammerbohrer

BrazeTec 4900BrazeTec 49 / CuBrazeTec 21 / 80

BrazeTec h 900 Induktion,Flamme Luft

Flussmittel zum Aktivieren der Hart-metalloberfläche

Cermet Sägeblätter, Fräser

BrazeTec 49 / CuBrazeTec 4900 BrazeTec h 900 – –

Flussmittel zum Aktivieren der Hart-metalloberfläche

Diamant Kernbohrer, Schneidscheiben BrazeTec P 1002.1 – Ofen Argon 4.8,

Vakuum –

PKD / PcBN Wendeschneid-platten BrazeTec CB 4 – Ofen Argon 4.8,

Vakuum –

PKD / PcBN auf Hartmetall gesintert Fräser BrazeTec 5507

BrazeTec 4900 BrazeTec spezial h Induktion Luft –

Diamantsegmente Trennscheiben BrazeTec 5507 BrazeTec h 80 Induktion Luft –

Keramik Keramikschneiden BrazeTec CB 10 – Ofen Argon 4.8,Vakuum –

6. Allgemeine EmpfehlungenTabelle 14 | Zusammenstellung der Lötprozesse anhand von eingesetztem Hartstoff

Tabelle 15 | Allgemeine Empfehlung zum Löten von Hartstoffen


39

[1] Weise, W., Koschlig, M., Herzog, H., Beuers,J.: Einsatz innovativer Lote in der Schneidtechnik; Tagungsband „Hart- und Hoch-temperaturlöten und Diffusionsschweißen“, DVS-Berichte Band 192, S. 62 – 67 (1998)

[2] CERATIZIT: Hartmetall für die Holzbearbeitung

http://www.ceratizit.com/services/downloads/?fileid=20&lang=en_file&cHash=3145b211f0464caa43895c07e598bd72

[3] DIN ISO 513:2014: Klassifizierung und Anwendung von harten Schneidstoffen für die Metallzerspanung mit geometrisch be-stimmten Schneiden – Bezeichnung der Hauptgruppen und Anwendungsgruppen

[4] Stahlschlüssel, Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH (2013)

[5] Mahler, M., Zimmermann, K. F.: Löten von Hartmetallen, Technik die verbindet, Band 30, S. 238, Degussa AG (1975)

[6] DIN EN ISO 17672:2010-11, Hartlöten – Lote

[7] Schnee, D.: BrazeTec Präsentation „Grundlagen des Lötens“, Hartlötseminar, Technische Akademie Esslingen (2014)

[8] Müller, W., Müller, J.U.: Löttechnik: Leitfaden für die Praxis, S. 128 – 131 für Mg- und Ag-Lote, S. 167 – 174 für Ni-Basislote, S. 197 – 199 Hartmetalle, DVS Verlag GmbH (1995)

[9] DVS Merkblatt 3102: Herstellen von Keramik: Keramik- und Keramik- Metall-Verbindungen durch Aktivlöten, Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS Verlag GmbH (2005)

[10] DIN EN 1045:1997-08: Flussmittel zum Hartlöten – Einteilung und technische Lieferbedingungen

[11] Benkowsky, G.: Induktionserwärmung, Verlag Technik GmbH, S. 11 – 23, (1990)

[12] AWS C3 committee: Brazing Handbook, S. 409 – 434 Löten von Cermets und Hartmetallen, S. 430/31 Induktion, S. 623 – 635 Löten von Diamanten, American Welding Society (2007)

[13] DVS Merkblatt 2602: Hartlöten mit der Flamme, Verlag für Schweißen und verwandte Verfahren DVS Verlag GmbH, (2001)

[14] Schnee, D.: Grundlagen des Lötens 2. Auflage (2013)

[15] Davis, J. R.: Tool Materials, S. 42 – 53 über Hartmetalle, S. 67 – 76 Keramiken, S. 77 – 84 Beschichtungen für Schneidstoffe, S. 85 – 100 Diamant und CBN, S. 101 – 109 Schleifanwendungen, S. 381 – 382 Löten, ASM International (1998)

[16] Roberts, P.M.: Industrial Brazing Practice, CRC Press LLC (2004)

[17] Raßbach, S.: Hartmetall – ein moderner Hochleistungswerkstoff und seine Perspektiven, Vortrag, Ceratizit (2002)

[18] Schimpfermann, M., Bronny, M.: Hartlöten von HW-Schneidwerkzeugen, HOB – Die Holzbearbeitung, Ausgabe Mai (2011)

[19] Öry, H.: Leichtbau I, II, Umdruck zur Vorlesung an der RWTH Aachen, S. 256 – 257, (1985)

[20] Timoshenko, S.P., Boodier, J.N.: Theory of Elasticity, McGraw-Hill (1987)

[21] Timoshenko, S.P.: Analysis of Bi-Metal Thermostats, J. Opt. Soc. Am. 11, S. 233 – 255, (1925)

[22] Lieferprogramm BrazeTec (2013)

[23] Schnee, D., Zenk, C., Magin, M., Rassbach, S., Hafner, T., Meyer, U.: Optimized Brazing Gap Width for Cemented Carbide Tipped Saw Blades, Proceedings of the 5th International Brazing and Soldering Conference, IBSC 2012 USA, S. 149 – 155, (2002)

[24] Magin, M., Rassbach, S.: Stress Analysis on Brazed Hardmetal Saw Teeth, 17. Plansee Seminar, Reutte (2009)

[25] Schnee, D., Zenk, C., Magin, M., Rassbach, S., Hafner, T., Meyer, U.: Einfluss der Bandbreite von Schichtloten auf die Festigkeit der Verbindung von Hartmetall und Stahl bei Sägeblättern, Tagungsband „Hart- und Hochtemperaturlöten und Diffusionsschweißen“, DVS-Berichte Band 263, S. 226 – S. 229, (2010)

[26] Sekulic, D. P.: Advances in brazing – Science, technology and application, Woodhead Publishing Limited, S. 160 – 191 CBN; S. 423 – 467 Löten von Schneidstoffen, (2013)

[27] Peaslee, R. L.: Brazing Footprints: Case Studies in High-Temperature Brazing, Wall Colmonoy Cooperation, S. 204 – 207, (2003)

[28] Bex, P. A., Shafto, G. R.: Einfluss von Temperatur und Wärmebelastungsdauer auf das Einsatzverhalten von PKD-Werkzeugen, Diamant-Information M 38, Ademant-Seminar, S. 12 – 18, (1984)

[29] Schimpfermann, M.: BrazeTec Präsentation „Löten in der Werkzeugindustrie“, DGM Seminar „Löten – Grundlagen und Anwendungen“, RWTH Aachen (2014)

[30] Juza, R.: Nitrides of Metals of the First Transition Series, Advances in inorganic chemistry and radiochemistry, Vol. 9, Academic Press New York, S. 81 – 131, (1966)

[31] Gavrichev, K. S.,. Solozhenko, V. L, Gorbunov, V. E., Golushina, L. N., Totrova, G. A., Lazarev, V. B.: Low-temperature heat capacity and thermodynamic properties of four boron nitride modifications, Thermochimica Acta, 217, S. 77 – 89, (1993)

[32] N.N.: BrazeTec Präsentation „Aktivlöten“ (2014)

[33] Lugscheider, E.: Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben: Hartlöten von hartmetallbestückten Bauteilen und Werkzeugen (2002)

[34] Ettmayer, E., Suchentrunk, E.: Über die thermische Stabilität der Eta-Carbide, Monatshefte für Chemie, 101, S. 1098 – 1103, (1970)

[35] Schnee, D.: Technical report, BT-BC-2009-12-18-Sn (2009)

[36] Starck, S.: Technical report, BT-BC-2011-08-20-Sk (2011)

[37] Schimpfermann, S.: Batch card, LK-2013-0088 (2013)

[38] Ries, H.: Batch card, LK-2014-0006 (2014)

[39] Schimpfermann, S.: Batch card, LK-2014-0083 (2014)

[40] Schnee, D., Wiehl, G., Starck, S.: Development of Ag-Cu-Zn-Sn brazing filler metals with a 10 weight-% reduction of silver and same liquidus temperature, 2014 International conference on Brazing,…, Beijing (2014)

Literatur


Löten in der Werkzeugindustrie · 2019-04-25 · 2. Grundlagen zur Lötung von Werkzeugen 7 men...

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