TY - BOOK

T1 - Werkstofforientierte Grundlagenforschung bleifreier Zinnlegierungen

AU - Scheiber, Stefanie

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Basierend auf dem Fokus, die Umwelt zu schonen und die Gesundheit der Menschen zu erhalten, hat die Europäische Union eine Richtlinie herausgegeben, die den Anteil an gefährlichen Elementen in weiten Einsatzgebieten beschränkt. Eines dieser Elemente ist Blei, das kommerziell als Hauptadditiv in Zinnlegierungen für den Gebrauch als Niedertemperatur-lote Anwendung findet. Die zumeist eutektische Zusammensetzung mit rund 40 Massen-% Pb überschreitet den Grenzgehalt von 0,1 Massen-% um ein Vielfaches. Weltweit beschäftigen sich zahlreiche Forschungsaktivitäten mit der Suche nach einem adäquaten, unbedenklichen Ersatzmaterial. Primär werden Sn-basierte Werkstoffe mit Metallzusätzen eutektischer Konzentrationen in Betracht gezogen. Ferner erfolgt die Beimengung ternärer oder quartärer Elemente, um die Eigenschaften zu verbessern. Besonders gilt es hier nahe an den Schmelzpunkt von Sn40Pb heranzukommen, um die bestehenden Anlagen sowie Verfahren, bei denen Lote Verarbeitung finden, auch weiterhin betreiben zu können. Damit lassen sich teure Investitionen ersparen. Die Literaturrecherche in dieser Arbeit hat ergeben, dass sich die Untersuchungen stets auf enge Materialgebiete eingrenzen und den Zusatz von Mikroelementen forcieren. Eine systematische Betrachtung der erreichbaren Werkstoffkennwerte über breite Legierungsfelder fehlt gänzlich. Im Rahmen dieser Dissertation werden dementsprechend zehn Materialsysteme definiert. Auf die Vermeidung von Bleiverunreinigungen ist hierbei besonders zu achten. Basierend auf einer statistischen Versuchsplanung mit MODDE® Pro 12 erfolgt die Herstellung binärer und ternärer Zinnlegierungen mit den Additiven Silber, Wismut, Kupfer, Nickel als auch Zink im Induktionsofen am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie. Der Grundstoff enthält zusätzlich 0,1 Massen-% Bi. Mit dem Hintergrund diese als Lote einsetzen zu wollen, sind in einem ersten Schritt die mikrostrukturellen, thermischen sowie mechanischen Eigen-schaften zu testen. Hierzu lassen sich die Gefüge mittels Rasterelektronenmikroskopie bewerten. Eine Vielzahl von intermetallischen Verbindungen liegt gemeinsam mit eutektischen Phasen in der Zinnmatrix in Abhängigkeit von der Zusammensetzung vor. Die energie-dispersive Röntgenspektroskopie zeigt hier gewisse Affinitäten der Legierungselemente auf. Der Abgleich der Ergebnisse geschieht mit thermodynamischen Berechnungen mittels FactSage™ 7.2. Ferner liefern diese Solidus- und Liquidustemperaturen, die durch den Einsatz der dynamischen Differenzkalorimetrie im Realfall getestet werden. Schließlich finden Härtemessungen nach Brinell an den Metallproben statt, um die mechanischen Eigenschaften abschätzen und vergleichen zu können. Die Analyseergebnisse lassen sich in die Versuchsplanungssoftware einspeisen und statistische Modelle errechnen. Diese dienen der Vorher-sage von Kennwerten bei variierenden Parametern innerhalb der Systemgrenzen, welcher in der Praxis in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Verwendung finden.

AB - Basierend auf dem Fokus, die Umwelt zu schonen und die Gesundheit der Menschen zu erhalten, hat die Europäische Union eine Richtlinie herausgegeben, die den Anteil an gefährlichen Elementen in weiten Einsatzgebieten beschränkt. Eines dieser Elemente ist Blei, das kommerziell als Hauptadditiv in Zinnlegierungen für den Gebrauch als Niedertemperatur-lote Anwendung findet. Die zumeist eutektische Zusammensetzung mit rund 40 Massen-% Pb überschreitet den Grenzgehalt von 0,1 Massen-% um ein Vielfaches. Weltweit beschäftigen sich zahlreiche Forschungsaktivitäten mit der Suche nach einem adäquaten, unbedenklichen Ersatzmaterial. Primär werden Sn-basierte Werkstoffe mit Metallzusätzen eutektischer Konzentrationen in Betracht gezogen. Ferner erfolgt die Beimengung ternärer oder quartärer Elemente, um die Eigenschaften zu verbessern. Besonders gilt es hier nahe an den Schmelzpunkt von Sn40Pb heranzukommen, um die bestehenden Anlagen sowie Verfahren, bei denen Lote Verarbeitung finden, auch weiterhin betreiben zu können. Damit lassen sich teure Investitionen ersparen. Die Literaturrecherche in dieser Arbeit hat ergeben, dass sich die Untersuchungen stets auf enge Materialgebiete eingrenzen und den Zusatz von Mikroelementen forcieren. Eine systematische Betrachtung der erreichbaren Werkstoffkennwerte über breite Legierungsfelder fehlt gänzlich. Im Rahmen dieser Dissertation werden dementsprechend zehn Materialsysteme definiert. Auf die Vermeidung von Bleiverunreinigungen ist hierbei besonders zu achten. Basierend auf einer statistischen Versuchsplanung mit MODDE® Pro 12 erfolgt die Herstellung binärer und ternärer Zinnlegierungen mit den Additiven Silber, Wismut, Kupfer, Nickel als auch Zink im Induktionsofen am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie. Der Grundstoff enthält zusätzlich 0,1 Massen-% Bi. Mit dem Hintergrund diese als Lote einsetzen zu wollen, sind in einem ersten Schritt die mikrostrukturellen, thermischen sowie mechanischen Eigen-schaften zu testen. Hierzu lassen sich die Gefüge mittels Rasterelektronenmikroskopie bewerten. Eine Vielzahl von intermetallischen Verbindungen liegt gemeinsam mit eutektischen Phasen in der Zinnmatrix in Abhängigkeit von der Zusammensetzung vor. Die energie-dispersive Röntgenspektroskopie zeigt hier gewisse Affinitäten der Legierungselemente auf. Der Abgleich der Ergebnisse geschieht mit thermodynamischen Berechnungen mittels FactSage™ 7.2. Ferner liefern diese Solidus- und Liquidustemperaturen, die durch den Einsatz der dynamischen Differenzkalorimetrie im Realfall getestet werden. Schließlich finden Härtemessungen nach Brinell an den Metallproben statt, um die mechanischen Eigenschaften abschätzen und vergleichen zu können. Die Analyseergebnisse lassen sich in die Versuchsplanungssoftware einspeisen und statistische Modelle errechnen. Diese dienen der Vorher-sage von Kennwerten bei variierenden Parametern innerhalb der Systemgrenzen, welcher in der Praxis in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Verwendung finden.

KW - alloy development

KW - Sn

KW - lead-free

KW - thermodynamics

KW - DSC

KW - hardness measurment

KW - SEM/EDX

KW - statistic modelling

KW - Legierungsentwicklung

KW - Sn

KW - bleifrei

KW - Thermodynamik

KW - DSC

KW - Härtemessung

KW - REM/EDX

KW - statistische Modellierung

M3 - Dissertation

ER -