Mechanismen der Oberflächendesoxidation beim Vakuumlöten rostfreier Stähle

Strauß, Cornelia GND

Rostfreie Stähle, auch Edelstähle genannt, sind bekannt für ihren hervorragenden Korrosionswiderstand. Die Schutzwirkung gegen korrosive Angriffe beruht auf einer Passivierungsschicht an der Oberfläche, die lediglich einige Nanometer dick ist und aus einer komplexen Mischung aus Oxiden und Hydroxiden von Eisen, Chrom und ggf. weiteren Legierungselementen besteht. Während diese Passivierungsschicht für viele Anwendungen vorteilhaft ist, ist dies bei Löt- und Beschichtungsprozessen nicht der Fall. Benetzung und Ausbreitung des schmelzflüssigen Lots auf der Werkstückoberfläche sind entscheidende Prozessschritte, um eine feste und taugliche Lötverbindung zu schaffen, werden aber durch die Oxidschicht behindert. Die Entfernung der Oxidschicht ist daher in einem Lötprozess essentiell. Die konkreten Mechanismen, die in einem Vakuumlötprozess zu einer oxidfreien Oberfläche führen, sind jedoch nicht bekannt, wenngleich empirisches Wissen und ein großer Erfahrungsschatz vorhanden sind. In dieser Arbeit werden zwei Stähle miteinander verglichen, die sich drastisch in ihrem Lötverhalten unterscheiden. Der austenitische Chrom-Nickel-Stahl 1.4301 (auch AISI 304) wird gängigerweise durch Vakuumlöten gefügt. Der ferritische Chrom-Stahl (AISI 446) hingegen wird kaum gelötet, da sich während der Wärmebehandlung im Lötofen eine Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche ausbildet, die die Benetzung mit Lot unterbindet. Vakuumlötprozesse wurden durch Wärmebehandlungen im Labormaßstab nachgestellt. Mit einem weiten Spektrum analytischer Methoden wie Elektronenspektroskopie, Röntgenspektroskopie, Mikroskopie und Massenspektrometrie wurden die Auswirkungen der Wärmebehandlungen auf die beiden Stähle untersucht. Änderungen in der Oberflächen- und Volumenzusammensetzung wurden erfasst und das thermische Desorptionsverhalten analysiert. Das Vorliegen von Aluminiumoxid an der Oberfläche des Stahls 1.4762 nach Wärmebehandlung ist vom umgebenden Druck und der Temperatur abhängig. In einem Lötofen, bei Maximaltemperaturen von 1150 °C und Drücken um 10−5 mbar, bildet sich eine ca. 400–500 nm dicke Aluminiumoxidschicht aus. Unter Ultrahoch- bis Hochvakuumbedingungen bei Maximaltemperaturen um 1200 °C und Drücken zwischen 10−9 und 10−6 mbar bilden kohlenstoffaffine Begleitelemente Karbide an der Oberfläche aus und Aluminiumoxid kann nicht mehr nachgewiesen werden. Der Stahl 1.4301 liegt nach den Wärmebehandlungen oxidfrei vor, unabhängig vom betrachteten Umgebungsdruck. Benetzungsversuche mit Silber-Kupfer-Eutektikum führen zu vollständiger Benetzung bei einer Wärmebehandlung in einem industriellen Lötofen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Prozess, der vermutlich zur Entfernung der Passivschichten führt, auf der Diffusion von Kohlenstoff an die Oberfläche beruht, woraufhin die Oxide reduziert werden und Kohlenstoffmonoxid (CO) desorbiert. Das CO-Desorptionsverhalten weist deutliche Unterschiede zwischen beiden Stählen auf, die sowohl das Löt-, als auch Desoxidationsverhalten spiegeln.

Stainless steels are known for their excellent corrosion resistance. This resistance is due to a passivation layer on the surface, only a few nanometers thick and consisting of a complex mixture of oxides and hydroxides of iron, chromium and other alloying elements. While this passivation layer might be beneficial for many applications, it is not for brazing processes, or any coating process in general.Wetting and spreading on the surface with molten braze is a crucial procedural step in order to ensure a tight and solid joint, which is inhibited by the passivation layer. Removal of surface oxides thus becomes of paramount importance in any brazing process. However, in vacuum brazing processes especially, the exact mechanisms leading to an oxide free surface remain unknown, even if empirical knowledge is abundant. Two stainless steels are compared, which differ drastically in their brazing behavior. While AISI 304 (1.4301), an austenitic steel, is commonly joined by vacuum brazing, ferritic AISI 446 (1.4762) is not, due to the formation of aluminum oxide during heat treatment in a vacuum brazing furnace, inhibiting wetting. Brazing processes were recreated with heat treatments in laboratory scale. Several analytical methods allow to monitor modifications due to heat treatment, including electron spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, microscopy methods and mass spectrometry. Changes in surface and bulk composition were monitored, as well as thermal desorption behavior. Formation and presence of aluminum oxide on the surface is dependent on surrounding pressure and temperature. In a brazing furnace, with maximum temperature of 1150 °C and where both base and maximum pressures during heat treatment are around 10−5 mbar, an aluminum oxide layer is formed, reaching thickness of around 400—500 nm. Under ultrahigh and high vacuum conditions, reaching 1200 °C but with base and maximum pressures between 10−9 and 10−6 mbar, carbon affine foreign elements form carbides on the surface and no aluminum oxide layer can be detected. The most likely mechanism of surface deoxidation relies on carbon diffusion to the surface, where oxides are reduced, subsequently followed by desorption of carbon monoxide (CO). CO desorption behavior shows a stark contrast between the two steels, mirroring both brazing and deoxidation behavior.

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Strauß, Cornelia: Mechanismen der Oberflächendesoxidation beim Vakuumlöten rostfreier Stähle. Clausthal-Zellerfeld 2019.

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