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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe.
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Nach
DIN 8505 ist das Löten
ein stoffschlüssiges
thermisches Fügeverfahren,
bei dem die Fügeflächen metallischer
oder keramischer Bauteile mit Hilfe eines metallischen Lotes bzw.
nichtmetallischen Zusatzwerkstoffes (sogenannte Glaslote) unter
Zuführung
von Wärme
und Schmelzen des Lotes benetzt werden und somit die Kapillarkraft
generiert wird, aus der die Spaltfüllung der Fügestellen und die Ausbildung
der Lötverbindungen
resultiert. Das Benetzen eines Grundwerkstoffes bedingt außerdem,
dass Lote auch zum Beschichten von Bauteiloberflächen, zum Beispiel zum Korrosions-
und Verschleißschutz,
eingesetzt werden können. Dieses
sogenannte Auftraglöten
stellt daher ein Beschichtungsverfahren dar.
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Begriffsbestimmend
für das
Löten ist
das Entstehen einer schmelzflüssigen
Phase in der Lötzone
unterhalb der Schmelzpunkte der zu fügenden Grundwerkstoffe, so
dass es – im
Unterschied zum Schweißen – beim Fügeprozess
nicht zum Schmelzen der eingesetzten Grundwerkstoffe kommt. Mit
Ausnahme einiger Kontaktreaktionslötprozesse, bei denen durch
eine eutektische Reaktion zwischen den Fügepartnern eine temporäre schmelzflüssige Phase
und somit ein selbstgeneriertes Lot entsteht (zum Beispiel Fügen von
Kupfer und Silber) wird immer ein zum Löten geeigneter Zusatzwerkstoff,
das Lot, eingesetzt, welches sich in seiner chemischen Zusammensetzung
in der Regel deutlich von den zu fügenden/beschichtenden Grundwerkstoffen
unterscheidet. Dazu ist es notwendig, die entsprechend erforderliche
Menge Lot an die Fügestelle
anzulegen bzw. zu applizieren. Diese Lotapplikation ist abhängig von
den eingesetzten Werkstoffen (Lote und Grundwerkstoffe), den verwendeten
Lötverfahren
(Löten
mit partieller Erwärmung,
wie zum Beispiel Flammlöten, Induktionslöten und
Laserlöten,
sowie den Ofenlötverfahren,
wie Schutzgaslöten
und Vakuumlöten),
der Notwendigkeit eines Flussmitteleinsatzes zur Verbesserung der
Benetzungs- und Fließeigenschaften
des Lotes sowie der vorliegenden Bauteil- bzw. Fügegeometrien. Man kennt folgende
Applikationsformen, bei denen das Lot als eigenständige Komponente
an bzw. in die Fügestelle
eingelegt wird:
- 1. Lotdrähte (nur unformbare Lotlegierungen,
in der Regel Kupfer- und
Silberlote)
- 2. Lotstäbe
(mit und ohne Flussmittelseele bzw. -Mantel)
- 3. Lotpulver (hier alle marktgängigen Lotsysteme)
- 4. Lotpasten (Lotpulver mit organischem Binder und ggf. Flussmittel.
Lotpasten werden auch als Lotbeschichtung, zum Beispiel im Siebdruckverfahren
oder in Form einer Lackierung gesprüht, aufgetragen. Diese besitzen
aber nur eine verhältnismäßig geringe
Haftfestigkeit und keine metallurgische Anbindung zum Grundwerkstoff)
- 5. Lotvliese (Hartstoff-Lot-Pulvergemisch mit organischem Binder)
- 6. Lotfolien (als homogener Lotwerkstoff oder als Verbundfolie
aus zwei oder mehr Werkstoffen, hier nur umformbare Lotlegierungen,
in der Regel Kupfer- und Silberlote)
- 7. Lotformteile
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Darüber hinaus
werden in der Großserienproduktion
vor allem aus wirtschaftlichen Gründen in einigen Fällen festhaftende
(das heißt
metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff) Lotbeschichtungen
eingesetzt. Hier zählen
zum Stand der Technik:
- 8. Walzplattierte Lotbeschichtungen
(überwiegend
Aluminiumlote auf Halbzeugen, wie Bleche, Bänder und Profile)
- 9. Galvanisch hergestellte Lotbeschichtungen (ausschließlich Nickel-Phosphor-Lote)
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Diese
Lotapplikationsformen dienen insbesondere relativ großflächigen Lötverbindungen,
wie zum Beispiel Lamellen- und Plattenwärmetauscher.
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Darüber hinaus
befinden sich weitere Lotbeschichtungsverfahren im Forschungs- und
Entwicklungsstadium und zählen
noch nicht zum Stand der Technik:
- 10. Aufgedampfte
(PVD) Lotbeschichtungen (selten angewandte Sonderlote, die kommerziell
nicht erhältlich
sind)
- 11. Tauchbadbeschichtungen (hier im Wesentlichen Zinklote auf
Aluminiumhalbzeugen)
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe
im Wege eines thermischen Spritzprozesses. – Die Lotapplikation durch
thermische Spritztechnik und der anschließende Lötprozess verlangen ein konsequentes
Abstimmen aufeinander, um erfolgreiche Lötergebnisse zu erzielen. Im
Rahmen der Erfindung lassen sich erfolgreiche Lötergebnisse insbesondere durch
das thermische Spritzen von Fe-, Ni- und Cu- sowie Al- und Zn-Basisloten
erzielen. Im Folgenden werden die Fe-, Ni-, Cu-, Al- und Zn-Basislotzusammensetzungen
spezifiziert:
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Aus
der Erfindung resultieren folgende technische Vorteile: Die Benetzung
des jeweiligen Grundwerkstoffes ist zum größten Teil bereits mit der Lotbeschichtung
im Wege des thermischen Beschichtens vollzogen, so dass man im anschließenden Lötprozess
auf den Einsatz von Flussmitteln zum Entfernen und/oder Vermeiden
von Oxidschichten vollständig
verzichten kann oder Flussmittel zumindest nur noch in stark reduziertem Umsatz
erforderlich sind. Tatsächlich
lassen sich im Rahmen der Erfindung Lötverbindungen verwirk lichen,
die bisher nur im Vakuum realisiert werden konnten und nunmehr auch
in einem Schutzgasofen gefahren werden können. Die Lotapplikation durch
thermisches Spritzen ist eine Entwicklung, welche insbesondere der
industriellen Produktion zur Verfügung steht.
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Die
Verfahren der thermischen Spritztechnik werden durch die europäische Norm
DIN EN 657:1994-06 "Thermisches
Spritzen – Begriffe,
Einteilung", welche
in überarbeiteter
Form als prEN 657:2003-04 vorliegt und in naher Zukunft verabschiedet
werden wird, beschrieben. Der Begriff "Thermisches Spritzen" ist dort wie folgt definiert:
"Das thermische Spritzen
umfasst Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder außerhalb
von Spritzgeräten
an-, auf- oder abgeschmolzen oder für eine geeignete Plastifizierung
nur aufgeheizt und auf vorbereitete Oberflächen aufgeschleudert werden;
die Oberflächen
werden hierbei nicht aufgeschmolzen.
Die Spritzschichten können dabei
aus Spritzzusätzen
im flüssigen
oder plastischen Zustand aufgetragen werden.
Spezifische Schichteigenschaften
können
durch zusätzliches
thermisches oder mechanisches Nachbehandeln oder durch Versiegeln
erreicht werden."
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Die
thermischen Spritzverfahren lassen sich nach verschiedenen Kriterien
klassifizieren. Zum einen nach der Art des Spritzwerkstoffes (Draht,
Stab, Schnur, Pulver oder Schmelzbad), nach der Art der Fertigung (manuell,
mechanisiert oder automatisch) oder nach der Art des Energieträgers. Einteilung
der thermischen Spritzverfahren nach Art des Energieträgers (nach
prEN 657:2003-04).
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Schmelzbadspritzen
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Das
Schmelzbadspritzen stellt eine der ältesten Techniken des thermischen
Spritzens dar. Der Spritzwerkstoff wird dabei in einem meist elektrisch
beheizten Tiegel geschmolzen und durch ein Zerstäubergas (zum Beispiel Druckluft)
auf die vorbereitete Werkstückoberfläche geschleudert.
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Flammspritzen
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Beim
Flammspritzen wird der Spritzwerkstoff in einer Brennstoff-Sauerstoff-Flamme aufgeheizt
und auf das Substrat aufgespritzt. Der Spritzwerkstoff kann dabei
pulver-, draht-, stab- oder schnurförmig vorliegen und allein durch
die Verbrennungsgase oder mit einer Zerstäubergasunterstützung (zum
Beispiel Druckluft) beschleunigt werden.
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Die
wesentliche Bedeutung innerhalb der Flammspritzverfahren haben die
Verfahren Draht-, Pulver- und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen.
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Beim
Draht-Flammspritzen wird ein drahtförmiger Spritzwerkstoff von
einer Brenngas-Sauerstoffflamme kontinuierlich abgeschmolzen und
mit Hilfe eines Sekundärgases
zerstäubt
und beschleunigt. Die Variante des Hochgeschwindigkeits-Draht-Flammspritzens
verwendet höhere
Gasdrücke
beim Sekundärgas,
was in einer feineren Zerstäubung
und höheren
Partikelgeschwindigkeiten resultiert.
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Beim
Pulver-Flammspritzen wird pulverförmiger Spritzwerkstoff mittels
eines Trägergases
in eine Brenngas-Sauerstoffflamme injiziert, aufgeheizt und durch
die expandierenden Verbrennungsgase beschleunigt.
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Beim
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) werden mittels einer kontinuierlichen
Verbrennung in einer Brennkammer hohe Drücke der Verbrennungsgase erzeugt,
welche die Gase in einer Expansionsdüse auf hohe Strömungsgeschwindigkeiten
im Überschallbereich
beschleunigen. Der Spritzwerkstoff wird in der Brennkammer axial
oder radial in den Flammstrahl injiziert. Die Partikel erreichen
die höchsten
Geschwindigkeiten innerhalb der Flammspritzverfahren beim HVOF.
Als Brennstoffe werden hauptsächlich
Kerosin (Petroleum) oder Acetylen, Propan, Propylen oder Wasserstoff
in Verbindung mit Sauerstoff oder Luft verwendet.
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Kaltgasspritzen
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Beim
Kaltgasspritzen wird ein vorgewärmtes
Prozessgas (hauptsächlich
Stickstoff oder Helium) in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt.
Die Gastemperatur liegt deutlich unterhalb der Schmelztemperatur
des eingesetzten Spritzwerkstoffes. Der vor der Düse injizierte,
pulverförmige
Spritzwerkstoff erreicht hohe kinetische und relativ geringe thermische
Energien. Beim Kaltgasspritzen können
unerwünschte
Oxidation oder auch Phasenumwandlungen des Spritzwerkstoffes vermieden
werden. Der Prozess ist bislang auf metallische Werkstoffe beschränkt.
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Lichtbogenspritzen
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Beim
Lichtbogenspritzen wird nur Draht als Spritzzusatz verwendet. An
den Enden des Drahtes wird durch die angelegte Spannung ein Lichtbogen
erzeugt, der die Enden schmelzen lässt. Die Werkstofftröpfchen werden
mit Hilfe eines Zerstäubergases
abgelöst
und auf das Substrat geschleudert. Im Falle des atmosphärischen
Lichtbogenspritzens ist dies in den meisten Fällen Druckluft. Wird im Vakuum
gearbeitet, besteht das Zerstäubergas
vornehmlich aus Argon. Die Drähte
werden kontinuierlich nachgefördert.
In beiden Fällen
entsteht beim Vorbeifließen
des Zerstäubergases
am Lichtbogen ein Plasma, das aber nicht primär zum Aufschmelzen des Spritzzusatzes
erzeugt wird.
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Plasmaspritzen
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Beim
Plasmaspritzen wird ein Plasma generiert, worin der pulver- oder
drahtförmige
Spritzzusatz aufgeschmolzen wird. Als Plasmagas kommt primär Argon
und Stickstoff mit Zumischungen von Helium oder Wasserstoff zum
Einsatz.
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Die
Weise, mit der mittels elektrischer Energie ein Plasma erzeugt wird,
unterteilt die Plasmaverfahren nochmals in zwei Gruppen, nämlich in
die Hochfrequenz-(HF-) und die Gleichstrom-(DC-)Verfahren. Bei den Induktionsplasmaspritzverfahren
ist eine Induktionsspule um ein zylindrisches Rohr angebracht, durch
welches das Plasmagas strömt.
Die Spule wird mit Frequenzen von ca. 200 kHz–3 MHz betrieben. Sie induziert Wirbelströme im Plasmagas,
die die notwendigen Temperaturen erzeugen, um das Plasma nach der
Zündung mit
Hilfe eines Grafitstabes zu erhalten.
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Gleichstrom-Plasmaspritzverfahren
(an Atmosphäre,
im Vakuum oder unter Schutzgasen) arbeiten mit einem Gleichstrom-Lichtbogen,
der zwischen der ringförmig
als Düse
angeordneten Anode(n) und stiftförmigen
Kathode(n) brennt und das Plasma erzeugt. Das Plasmagas strömt zwischen
den konzentrisch angeordneten Elektroden. In das expandierende Gas
wird überwiegend
radial und außerhalb
der Düse
der pulverförmige
Spritzwerkstoff injiziert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus,
dass hohe Enthalpien im Plasma zur Verfügung stehen, welche es erlauben
refraktäre
Werkstoffe aufzuschmelzen.
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Die
Verfahren des thermischen Spritzens weisen die beeindruckende Eigenschaft
auf, nahezu alle Werkstoffe auf einer beinahe unlimitierten Auswahl
an Substraten verarbeiten zu können.
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Mit
den verschiedenen beschriebenen Verfahren werden fast alle Materialien
beschichtet: Metall, Keramik, Kunststoff und Textilien ebenso wie
Holz oder Glas. Hauptsächlich
angewendetes Substrat ist Metall. Beispiele hierfür sind Turbinenschaufeln,
Dichtungsringe, Laufbuchsen, Förderschnecken,
Motorventile oder Druckwalzen. Im Rahmen der Erfindung erfolgt nunmehr
eine Lotbeschichtung.
