Intermetallische Phasen werden oft mit Hochleistungswerkstoffen für Turbinen in Verbindung gebracht. In der täglichen Fertigung begegnen sie Technikern aber viel häufiger an einer ganz anderen Stelle: in der Grenzschicht, wo zwei Metalle miteinander verbunden werden. Beim Löten, beim Feuerverzinken und beim Fügen von Aluminium mit Stahl entscheidet eine oft nur wenige Mikrometer dünne Zone darüber, ob eine Verbindung hält oder versagt.
Weichlöten: Ohne intermetallische Schicht keine Lötstelle
Eine Lötverbindung auf Kupfer entsteht erst dadurch, dass Zinn aus dem Lot mit dem Kupfer reagiert. Dabei bilden sich die Phasen Cu6Sn5 und, näher am Kupfer, Cu3Sn. Diese Schicht ist ausdrücklich erwünscht, denn sie stellt die metallurgische Bindung her. Fehlt sie, spricht man von einer kalten Lötstelle, die elektrisch und mechanisch unzuverlässig ist.
Das Problem beginnt, wenn die Schicht zu dick wird. Intermetallische Phasen sind hart und spröde. Lange Lötzeiten, zu hohe Temperaturen oder mehrfaches Umschmelzen lassen die Schicht wachsen. Auch im Betrieb wächst sie weiter, besonders bei erhöhter Temperatur. Unter Temperaturwechseln und Vibration entstehen dann Risse bevorzugt in oder entlang dieser Zone. Wer Baugruppen für raue Umgebungen fertigt, achtet deshalb auf kontrollierte Lötprofile und geeignete Sperrschichten, etwa Nickel unter der Goldoberfläche.
Feuerverzinken: Die Schicht als Korrosionsschutz
Beim Feuerverzinken wird Stahl in flüssiges Zink getaucht. Dabei wächst auf der Oberfläche eine Abfolge von Eisen-Zink-Phasen, die von innen nach außen immer zinkreicher werden, bis zur Reinzinkschicht an der Oberfläche. Diese Legierungsschichten sorgen für die feste Haftung des Überzugs und sind härter als der Stahl darunter, was den Schutz gegen mechanische Beschädigung verbessert.
Die chemische Zusammensetzung des Stahls hat großen Einfluss. Bestimmte Silizium- und Phosphorgehalte führen zu einem stark beschleunigten Schichtwachstum. Die Überzüge werden dann ungewöhnlich dick, sehen grau und matt aus und neigen zum Abplatzen. Wer Bauteile zum Verzinken gibt, sollte die Stahlsorte deshalb mit dem Verzinker abstimmen.
Aluminium auf Stahl: Die schwierigste Paarung
Im Leichtbau werden Aluminium und Stahl immer häufiger kombiniert. Klassisches Schmelzschweißen stößt hier an Grenzen, weil sich an der Grenzfläche spröde Eisen-Aluminium-Phasen bilden, die die Verbindung schwächen. Die Industrie hat verschiedene Wege gefunden, damit umzugehen:
- Schweißlöten, bei dem nur das Aluminium aufschmilzt und der Stahl fest bleibt
- Verzinkte Stahloberflächen, die die Benetzung verbessern
- Reibrührschweißen und andere Fügeverfahren im festen Zustand mit geringem Wärmeeintrag
- Mechanische Verfahren wie Stanznieten und Clinchen sowie das Kleben
Allen gemeinsam ist das Ziel, die intermetallische Zone so dünn wie möglich zu halten. Denn eine gewisse Reaktion ist nötig, damit überhaupt eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Zu viel davon macht das Bauteil spröde.
Die drei Beispiele zeigen ein gemeinsames Muster: Intermetallische Phasen sind weder gut noch schlecht. Sie sind die Voraussetzung vieler Verbindungen und zugleich ihr häufigster Schwachpunkt. Wer Temperatur, Zeit und Werkstoffpaarung im Griff hat, steuert die Dicke dieser Schicht und damit die Lebensdauer des gesamten Bauteils. Für die Qualitätssicherung bedeutet das, im Zweifel einen Schliff anzufertigen und die Grenzschicht unter dem Mikroskop anzusehen.
