Verlöten von Glas und Metall

Science

Glas ist einer der wichtigsten Werkstoffe in unserem Alltag. Glas bricht allerdings leicht infolge mechanischer und thermischer Belastung. Das erfordert oft Hilfskonstruktionen wie die Fassung in Stahl- oder Aluminiumskelette.

15. September 2011
Querschliff einer Glas-Aluminium-Lötung und schematische Darstellung des Versuchsaufbaus
Bild 1: Verlöten von Glas und Metall (Querschliff einer Glas-Aluminium-Lötung und schematische Darstellung des Versuchsaufbaus )

Verbindungen von Glas und Metall sind oft als kraft- oder formschlüssige Verbindungen oder als Verklebungen realisiert. Jedoch können die etablierten Fügeverfahren für Glas-Metall-Verbunde die technischen Anforderungen nicht komplett erfüllen. Daher besteht der Bedarf nach innovativen Fügeverfahren, die nicht nur sichere Prozesse, sondern auch hohe Verbindungsfestigkeiten und lange Lebensdauern gewährleisten können.

Eine geeignete Lösung bietet das exotherme Löten unter Anwendung von Nanofoils, ein relativ junges Fügeverfahren, das sich durch eine minimale thermische Belastung des Gesamtbauteils auszeichnet.

Die hierfür eingesetzten Reaktivmultischichten (RMS) bestehen aus mindestens zwei Werkstoffen und mehreren hundert bis zu einigen tausend Wechselschichten, deren Dicken im Nanometerbereich liegen und die infolge einer exothermen Reaktion Wärme im Fügeprozess freisetzen können. Die Energiefreisetzung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Reaktion kann durch die Variation von Werkstoffzusammensetzungen sowie Schichtdicken eingestellt werden, um die Anforderungen für das Löten von Glas und Metallen gezielt zu erfüllen. In diesem Zusammenhang wurden erste erfolgreiche Untersuchungen durchgeführt, bei denen metallisierte Boro-Silikat-Gläser mittels NiAl-Nanofoils in Verbindung mit Zinn-Lot an Aluminium gefügt wurden.

Die RMS (NiAl-Nanofoil) des Herstellers Reactive Nanotechnologies (Maryland, USA) wurden in verschiedenen Dicken zwischen 40 und 250 µm appliziert. Dieses Multischichtsystem ist derzeit am meisten verbreitet. Der Grund dafür liegt in der einfachen Handhabbarkeit sowie der hohen Stabilität während des Beschichtungsprozesses. Abgeschiedene Ni-Al-Multischichten sind hinsichtlich ihrer Zündeigenschaften sehr stabil und reproduzierbar. Beim Löten wurde für das Zünden der Nanofoils die benötigte Aktivierungsenergie durch einen Kurzschluss zweier elektrischer Leitungen erzeugt. Durch kurzzeitigen Kontakt können nachteilige Einflüsse von anderen Zündmethoden, wie Durchwärmen der Grundwerkstoffe oder Oberflächenoxidation, vermieden werden.

Da die Oberfläche von Glas mit konventionellen Flussmitteln und metallischen Loten nicht benetzbar ist, kann es nicht direkt mit Metallen verbunden werden. Dieser Problematik der stark unterschiedlichen Eigenschaften von Glas und Metallen sowie des unzureichenden Benetzungsverhaltens der Glasoberfläche im Lötprozess kann aber durch eine Metallisierung des Glases begegnet werden. Dafür hat sich die PVD-Beschichtungstechnik in der Praxis durchgesetzt.

Als Vorversuch wurde zuerst eine Glas-Glas-Lötung hergestellt. Die Glasproben wurden aus Borosilikatglas mit 1 µm dicken Nickel-Schichten mittels PVD metallisiert. Incusil-ABA-Lotfolie (Ag-Cu-Ti-In) mit 1,3 Gewichtsprozent Titan und 50 µm Dicke sowie NiAl-Nanofoil mit 250 µm Dicke wurden für das Löten verwendet. Die Glas-Glas-Verbindung konnte erfolgreich ohne Erschmelzen der Glasoberfläche hergestellt werden. In der Fügezone ist Einbettmasse präparationsbedingt ins Lot eingedrückt worden.

Anschließend wurde auf diesen Erkenntnissen eine Lötung von Borosilikatglas mit Aluminium mittels NiAl-Nanofoil durchgeführt, bei der ebenfalls Nickel als Metallisierung von Glas und Aluminium verwendet wurde. Zinn-Folie mit 3µm Dicke wurde als Lot eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur des Zinn-Lotes wurde hier ein NiAl-Nanofoil mit 40 µm Dicke appliziert. Das Zinn-Lot hat die beiden Seiten der RMS sowie die metallisierte Aluminium- und Glasoberfläche nur teilweise benetzt, was auf eine unzureichende Anpresskraft beim Fügeprozess zurückzuführen ist. Dennoch konnte gezeigt werden, dass das Löten von Glas und Metall prinzipiell funktioniert, wobei sowohl die Metallisierung als auch die Lotauswahl und das RMS-Design wie auch die Anpresskraft genauer untersucht werden müssen.

Das Fügen von Glas und Metall mittels RMS bietet also ein großes Potential, bedarf aber noch weitergehender Untersuchungen. Die für den Fügeprozess benötigte Wärmeenergie kann durch das Zünden der RMS freigesetzt und gewährleistet werden. Eine zufriedenstellende Haftung der RMS an den Grundwerkstoffen soll durch den Einsatz und die Einstellung von Haftvermittlerschichten optimiert werden. Eine ideale Wärmefreisetzung der RMS kann in den weiteren Untersuchungen durch Anpassung der Perioden- und der Schichtdicke der RMS sowie mittels einer optimierten Anpresskraft erfolgen.

W. Tillmann, L. Wojarski, C. Liu (LWT (alle TU Dortmund); J. Janczak-Rusch (EMPA)

Erschienen in Ausgabe: 01/2011