Experimentelle und numerische Analyse des Einflusses von Geometrie, Abkühlbedingungen und Stahlzusammensetzung auf die Mikrostruktur-, Eigenspannungs- und Verzugsausbildung beim Löten von Hartmetall-S

Beim Löten von Hartmetall-Stahl-Lötverbunden werden komplizierte, inhomogene Spannungszustände sowie Maß- und Formänderungen des Lötverbundes durch die verschiedenen mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Komponenten, insbesondere deren unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, verursacht. Darüber hinaus ist die Höhe der Spannungen von den möglichen Phasenumwandlungen im Stahl, den Lötparametem und der Verbundgeometrie abhängig. Die Entwicklung von Eigenspannungen und Verzügen während des Lötens von Hartmetall-Stahl-Verbunden wurde mit numerischen Methoden berechnet und mit Hilfe von röntgenographischen, neutronographischen sowie mechanischen Eigenspannungsanalysen und Verzugsmessungen experimentell abgesichert. Dazu wurden zylindrische Lötverbunde durch Vakuumlöttechnik mit gezielter Gefiigeeinstellung des Stahlgrundkörpers (von ferritisch-perlitisch bis martensitisch) durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten von der Löttemperatur fertiggestellt, die homogene, saubere und gut haftende Lötverbunde ermöglichte. Die ausgebildeten Gefiigestrukturen der Lötverbunde wurden mikrostrukturell untersucht. Bei den Simulationen waren gekoppelte Berechnungen der beim Abkühlen von Löttemperatur auftretenden Temperatur-, Gefiige- und Deformationsentwicklungen erforderlich, für die eine Vielzahl von Materialeigenschaften bereitzustellen war. Die Umwandlungen der Stahlkomponenten wurden unter Berücksichtigung der Umwandlungsplastizität modelliert. Mit den experimentellen Untersuchungen wurde die Einsetzbarkeit der Simulationsrechnungen zur Vorhersage der Lötzustände nachgewiesen. Die dazu erforderliche Übertragbarkeit der Simulationsansätze wurde durch Betrachtung von Stählen mit unterschiedlichem Umwandlungsverhalten und unterschiedlichen Geometrien der Verbundkörper gewährleistet. Es wurde herausgefunden, dass die Probenform und -größe einen wesentlichen Einfluss auf die entstehenden Eigenspannungs- und Verzugszustände hat. Die Eigenspannungen und Krümmungen an der Stahlmantelfläche nehmen mit wachsendem Stahldurchmesser ab und mit steigender Stahllänge und Einlöttiefe zu. Darüber hinaus sind die nach der Abkühlung der Lötverbunde zurückbleibenden Eigenspannungszustände bei den unterschiedlichen Stahlvarianten durch unterschiedliche Phasenumwandlungen signifikant unterschiedlich. Die Ausbildung der Eigenspannungen wird bei Ck45 (ferritischlperlitisch) von den Anpassungsverformungen aufgrund des unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens der Fügepartner, bei 40NiCrMo16-6 (martensitisch) durch die Umwandlung des Stahls bestimmt. Bei 42CrMo4 (bainitisch) und 34CrNiMo6 (bainitisch/martensitisch) ist die Spannungsentwicklung von beiden Faktoren geprägt und dadurch sind die Eigenspannungen niedriger.