Diffusie-hardsolderen van roestvast staal en andere metalen

Het is heel goed mogelijk om met behulp van diffusie-hard-solderen austenitisch roestvast staal te verbinden, maar ook austenitisch roestvast staal met andersoortig materiaal. Diffusie-solderen berust op het houden op de soldeertemperatuur gedurende een dermate lange tijd, dat soldeermetaal de gelegenheid krijgt om in het basismetaal te diffunderen en dat elementen uit het basismetaal op hun beurt in het soldeermetaal diffunderen.

J.P.M. Vereekeren
 

Soldeermetaal

De oplosbaarheid van koper in ijzer is gering. Zo kan een diffusiesoldeercyclus, waarbij BCu-1, -1a of -2 wordt gebruikt voor het hardsolderen van koolstofstaal of laaggeleerd staal, resulteren in een soldeerverbinding die zelf geen koper bevat en waar alleen het basismetaal wat koper bevat. In dit geval is koper uit de soldeerverbinding gediffundeerd in het staal en zijn de opengekomen plaatsen van het koper in het soldeermetaal ingenomen door ijzeratomen. De sterkte van de verbinding is hierdoor gestegen en de hersmelttemperatuur is heel sterk opgelopen. Diffusie-hardsolderen wordt het vaakst gedaan met soldeermetaal op basis van nikkel, vooral daar waar de gebruikstemperatuur hoger is dan de soldeertemperatuur, zodat de hersmelttemperatuur van de soldeerverbinding daar voldoende ver boven moet liggen. Voor soldeer op basis van nikkel wordt gebruikgemaakt van drie elementen om het smeltpunt van nikkel voldoende laag te maken voor soldeerdoeleinden. Dit zijn borium, silicium en fosfor. Elk van deze elementen geven laagsmeltende eutectische mengsels met nikkel, waardoor ze bruikbaar zijn als hardsoldeer. Andere elementen worden toegevoegd om het soldeer meer hitte- en corrosievast te maken als hardingsmiddel en ter verhoging van de mechanische sterkte.

Verlaging van de smelttemperatuur van nikkel

Van de drie elementen die worden gebruikt om de smelttemperatuur van nikkel te verlagen, bezit borium de beste diffusie-eigenschappen. Aangezien het boriumatoom zeer klein is (1,80Á), enigszins te vergelijken met koolstof (1,54Á), kan het makkelijk vanuit de soldeerverbinding in het basismetaal diffunderen, waarin het zich verder verspreidt. Als het borium de soldeerverbinding verlaat, zal de smelttemperatuur van deze laatste toenemen en als de soldeerverbinding geheel tot stand is gekomen, kan de smelttemperatuur inmiddels zijn opgelopen tot meer dan 1370°C, een waarde die in de buurt komt van de smelttemperatuur van het basismetaaL Silicium werkt goed als verlager van het smeltpunt van nikkel. Er is echter een grotere hoeveelheid silicium nodig ( 10,2%) om de smelttemperatuur te verlagen en de soldeertemperatuur ligt veel hoger dan die voor boriumof fosforhoudend soldeermetaaL Solderen met het BNi-5 soldeermetaal wordt gewoonlijk uitgevoerd bij temperaturen tussen 1150 en 1250°C.


Het siliciumatoom is tamelijk groot (2,65Á), groter dus dan nikkel (2,49Á), chroom (2,57 Á) of ijzer (2,52Á). Als gevolg hiervan is de beweeglijkheid laag en er zijn zeer nauwe spleten nodig, in de orde van grootte van 0,025 mm, om tot volledige diffusie te komen. Fosfor geeft met nikkel een laagsmeltend eutecticum. De sterkte van dit soldeer is, indien gesoldeerd bij lage temperatuur (927°C) en gedurende korte tijd, aan de lage kant. Tot deze reeks soldeermetaal behoren BNi-1, BNi-P, BNi-7 en Ni-Cr-P. Dit soldeer vloeit goed en dicht goed af, maar om tot een hogere sterkte te komen verdient solderen bij een temperatuur van 1065°C gedurende 60 minuten de voorkeur. Gelet op de dampdruk van elementair fosfor, zoals die wordt opgegeven op dampdrukdiagrammen, lijkt het of soldeer dat fosfor bevat ongeschikt zou zijn voor vacuümsolderen. Gelukkig is er in dit soldeertype geen sprake van elementair fosfor maar van een eutecticum bestaande uit nikkel en nikkelfosfide. Nikkelfosfide heeft een lage dampdruk. Proeven uitgevoerd bij 1065°C gedurende 1 uur toonden geen gewichtsverlies noch verandering in chemische samenstelling.

Rol van het basismetaal

Het te solderen basismetaal speelt een belangrijke rol bij diffusie-hardsolderen. Sommige basismetaaltypen zullen sneller betere resultaten leveren dan andere. Zo zal het merendeel van de nikkellegeringen betere diffusie te zien geven met nikkelsoldeer. Metallografisch bezien laten sommige diffusie-hardgesoldeerde soldeer- en basismetaaltypen op basis van nikkel geen zichtbare sporen achter van het soldeermetaal na afloop van de soldeercyclus. Het soldeer diffundeert in het basismetaal en de elementen uit het basismetaal diffunderen op hun beurt weer in het soldeermetaal, zodat het geheel onder de microscoop een homogeen beeld te zien geeft, waarbij een soldeerverbinding niet meer valt te onderscheiden.

Austenitisch basismetaal uit de 300-reeks

Basismetaal zoals de 300-reeks en in het bijzonder 304L en 316L, tonen bijna altijd de aanwezigheid van het soldeermetaal in de soldeerverbinding. Bij het etsen van een volledig diffusie-hardgesoldeerde verbinding met het etsmiddel volgens Marbles, wordt het basismetaal aangeëtst en het soldeermetaal in de verbinding niet. Als er echter een multifase-etsstructuur in het centrum van de verbinding wordt aangetroffen, dan wijst dit op een soldeercyclus die niet bij machte was om alle borium uit het centrum van de soldeerverbinding te verwijderen. Er is dan meer tijd of een hogere soldeertemperatuur nodig om de cyclus geheel te voltooien. De borium in BNi-1, -1a, -2, -3 of -4 diffundeert vlot in koolstofstaal en laaggelegeerd staal. Bij dit soort staaltypen zijn vrij gemakkelijk volledig diffusie-hardgesoldeerde verbindingen te maken.

Corrosievast maken van de verbinding

Hoewel het wenselijk kan zijn om soldeermetaal te hebben met een hoger chroomgehalte dan in het basismetaal, is dat niet noodzakelijk. De reden hiervoor is dat er voldoende elementen terugdiffunderen in het metaal van de verbinding die het voldoende bestand maken tegen corrosie. Bij basismetaal uit de 300-reeks kan het nodig zijn de diffusietijd te verhogen om de verbinding voldoende te homogeniseren teneinde corrosie van basismetaal dat grenst aan het soldeermetaal tegen te gaan. Diffusie-hardsolderen verandert de chemische samenstelling alsmede de fysische eigenschappen, waardoor het mogelijk is om de eigenschappen van de soldeerverbinding geheel af te stemmen op de te verwachten gebruiksomstandigheden. Afhankelijk van de soldeercyclus, kan het soldeermetaal hersmelten bij de originele smelttemperatuur of bij een temperatuur van meer dan 1370°C.