Blog Ko Buijs - Solderen van roestvast staal

Solderen is het verbinden van twee metalen m.b.v. een gesmolten soldeermiddel. De thermische belasting van de materialen is tijdens dit proces geringer dan bij het lassen. Kenmerk van solderen is dat de te verbinden basismaterialen zelf niet smelten. Belangrijke voorwaarde is wel dat het basismateriaal voldoende heet is om ervoor te zorgen dat de soldeersmelt goed uitvloeit over het oppervlak. De soldeerverbinding ontstaat door het oplossen van het basismateriaal in de soldeersmelt of wat preciezer geformuleerd door het diffunderen van atomen van en naar de soldeersmelt.


Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV


Zo ontstaan aan weerszijden van het soldeermiddel een metallische binding met het basismateriaal zonder dat dit dus zelf smelt. Het zal duidelijk zijn dat de sterkte van de verbinding o.a. afhankelijk is van de mechanische eigenschappen van het soldeermiddel en van de sterkte van de verbindingen met beide basismaterialen. Een soldeerverbinding is over het algemeen zwakker dan een lasverbinding maar bij goed gecontroleerd solderen, is wel degelijk een sterkte mogelijk die vergelijkbaar is met de sterkte van het basismateriaal. Roestvast staal is niet moeilijker te solderen dan koolstofstaal. Chroom in roestvast staal levert de beschermende oxidehuid en deze laag hecht zich zeer goed aan de ondergrond. Het is belangrijk dat deze op de te solderen plaatsen grondig wordt verwijderd. Indien dat niet het geval is dan zal het basismetaal niet goed worden bevochtigd door het soldeermetaal. Het gevolg daarvan is dat er geen capillaire werking optreedt die het gesmolten soldeer a.h.w. naar binnen trekt. De vorming van chroomoxide wordt versneld als roestvast staal wordt verhit aan de lucht. Hoewel het oxide d.m.v. chemisch reinigen bij kamertemperatuur wordt verwijderd, zal er bij de hardsoldeertemperatuur weer snel een nieuw chroomoxidehuid worden gevormd die een nadelige invloed heeft op de bevochtiging van de ondergrond door het gesmolten soldeer.


Dit kan worden opgelost d.m.v.:

 

• Chemisch reinigen van het oppervlak bij kamertemperatuur en vervolgens zeer snel verhitten tot de hardsoldeertemperatuur in een chemische inerte atmosfeer zoals argon.
• Het roestvast staal rechtstreeks verhitten tot de hardsoldeertemperatuur in een sterk reducerende atmosfeer zoals waterstof.
• Het oppervlak waar de verbinding moet komen, bedekken met een chemisch actieve flux die het oxide tijdens het verhitten tot de hardsoldeertemperatuur oplost.
• Verhitten onder vacuüm na reinigen, hetgeen tal van oxiden reduceert waaronder ook chroomoxide en dat de vorming van andere oxiden verhindert.
• Alleen ontvetten, als vervolgens de juiste flux of atmosfeer wordt gebruikt.
• Het kiezen van een hardsoldeer met een lagere smelttemperatuur om de oxidatiepotentiaal te verlagen.

Hardsolderen wordt vaak gebruikt om roestvast staal te verbinden met andere metalen, zoals aan koolstofstaal en koperlegeringen. Dit is veruit de belangrijkste reden van het hardsoldeerproces. Er is een grote verscheidenheid aan hardsoldeertypen verkrijgbaar. De keuze hangt af van de gewenste mechanische sterkte, corrosieweerstand en andere eigenschappen. Als de juiste verhittingstechniek wordt toegepast, biedt hardsolderen de mogelijkheid om te komen tot een mechanisch sterke, corrosiebestendige en lekvrije verbinding in kleine en/of dunwandige onderdelen. Hardsolderen kan ook verbindingen realiseren in tere constructies en bij zeer dunwandig materiaal waarbij conventionele lastechnieken teveel vervorming of warmteontwikkeling zullen geven. Hardsolderen is eveneens geschikt voor massaproductie van kleine en middelgrote samengestelde componenten m.b.v. doorloopovens. Elektronenstraal hardsolderen is een geschikte methode voor het hardsolderen van kleine constructies, zoals behuizingen van instrumenten. Er wordt soms wel gebruik gemaakt van hardsolderen met een elektronenstraal voor het verbinden van buizen aan headers bij kleine warmtewisselaars die zijn gemaakt van hittevaste legeringen en metalen met een zeer hoog smeltpunt

De voorbehandeling t.b.v. het solderen van roestvast staal is als volgt:
 

• De te solderen oppervlakken dienen geheel vrij te zijn van olie, vet of vuil en van oxidelagen. De oxidehuid moet d.m.v. beitsen of mechanisch worden verwijderd.
• Oppervlakken met bewerkingsgroeven laten zich beter bevochtigen dan glad gewalste oppervlakken; ook beitsen is hiervoor bevorderlijk.
• Indien inwendige spanningen tijdens het solderen de vereiste maatvoering ongunstig kunnen beïnvloeden dan dient men spanningsarm te gloeien, zo nodig gevolgd door verwijdering van een daarbij gevormde oxidehuid.
• De moeilijke reduceerbaarheid van de oxidehuid bij roestvaste staalsoorten vereist het gebruik van vloeimiddelen. Men kan dit vermijden door te solderen in een reducerende atmosfeer of bij het hardsolderen de soldeerplaatsen van tevoren verkoperen of te vernikkelen met een laagdikte van ongeveer 10 µm.
• T.b.v. het hardsolderen zijn soldeerlegeringen beschikbaar op basis van koper-, zilver- en nikkel alsmede edelmetalen op basis van goud en palladium. De koper/zink soldeersoorten zijn echter af te raden wegens de beperkte corrosievastheid. Met koper soldeersoorten laten zich alle genoemde staalsoorten goed solderen, waarbij voornamelijk solderen in een oven onder reducerend gas of in vacuüm wordt toegepast. Daarnaast kent men inductief- en weerstandsolderen al of niet onder reducerend gas of in vacuüm. Door de dunvloeibaarheid van de koper soldeersoorten is een zeer geringe spleetbreedte noodzakelijk.

De zilversoldeer soorten zijn zeer bruikbaar voor soldeerverbindingen tussen corrosievaste staalsoorten onderling of met andere materialen. Bij zilversolderen is meestal het gebruik van een vloeimiddel vereist, zelfs bij verhitting in een atmosfeer die voldoende reducerend is. De soldeertemperaturen liggen voor bijna alle zilversoldeersoorten in het sensitieve gebied van austenitische roestvast staalsoorten waardoor schadelijke carbidevorming kan ontstaan. Dit kan men oplossen door het gebruik van roestvast staal met een laag koolstofgehalte of typen die gestabiliseerd zijn. Bij voorkeur gebruikt men de nikkelhoudend zilversoldeer, wat bij de chroomstaalsoorten zelfs noodzakelijk is ter voorkoming van grensvlakaantasting in vochtige milieus. Door vooraf te vernikkelen kan men dit eveneens voorkomen. Het optreden van spanningscorrosie door soldeerbestanddelen kan worden voorkomen, door gebruik te maken van een laagsmeltend type soldeer. De nikkelhoudende soldeersoorten geven corrosie- en hittevaste verbindingen. Zij vereisen een hoge soldeertemperatuur, waardoor meestal solderen in een oven en dan veelal in een goed vacuüm moet worden toegepast.  Langdurige verhitting moet men zoveel mogelijk vermijden omdat dan de zogenaamde LME kan ontstaan en dat staat voor Liquid Metal Embrittlement. Dit houdt een verbrossing van de soldeerovergang in.