DE1962760A1 - Verfahren zum Loeten von Aluminiumwerkstoffen - Google Patents

Verfahren zum Loeten von Aluminiumwerkstoffen

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Description

VEREINIGTE ALUMINIUM-WERKE
AKTIENGESELLSCHAFT
BONN
Verfahren zum Löten von Aluminiumwerkstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Löten von Aluminiumwerkstoffen. Beim Löten handelt es sich um ein Verbindungsverfahren, bei dem im Gegensatz zum Schweißen der Grundwerkstoff an der Verbindungsstelle zwar vom schmelzflüssigen Zusatzmetall benetzt, aber nicht aufgeschmolzen wird. Der Schmelzbereich des Lotes und die Arbeitstemperatur müssen daher unterhalb der Schmelztemperatur des Grundwerkstoffes liegen.
Beim Löten von Aluminium und Aluminiumlegierungen besteht ein wesentliches Problem darin, daß der Werkstoff infolge der stets auf der Oberfläche vorhandenen und sehr zähen Oxidhaut vom schmelzflüssigen Lot in nicht ausreichendem Maße benetzt wird. Diese Oxidhaut ist zwar sehr dünn, aber dicht und stabil, bildet sich nach ihrer Beseitigung, z.B. durch Beizen, spontan neu und verstärkt sich außerdem während des Lötvorganges, sofern dieser unter oxydierender Atmosphäre (z.B. Luft) durchgeführt wird. Es war bisher beim Löten von Aluminiumwerkstoffen erforderlich, diese störende Oxidhaut an der Verbindungsstelle entweder auf mechanischem oder chemischem Wege zu beseitigen. Der erstgenannte Weg wird beim Reiblöten, einem Sonderverfahren des Weichlötens, angewandt, wobei die Oxidschicht durch das geschmolzene Lot hindurch zerstört wird. Eine Abart dieses Prinzips stellt das Ultraschall-Löten dar, das jedoch keine größere technische Bedeutung erlangt hat.
Abgesehen von diesen Sonderverfahren geschieht die Entfernung der Oxidhaut durch die Anwendung von Flußmitteln, die außerdem die Lötstelle vor erneuter Oxydation schützen. Die für das Löten von Aluminium geeigneten Flußmittel enthalten im allgemeinen Chloride bzw. Fluoride, beim Weichlöten z.T. auch rein organische Verbindungen. Alle Flußmittel weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie korrodierend wirken - meist sogar in starkem Maße - und ihre Rückstände daher beseitigt werden müssen. Außerdem besteht
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die Gefahr von Flußmitteleinschlüssen an der Lötstelle. Die Flußmittelrückstände und Flußmitteleinschlüsse beeinträchtigen die Korrosionsbeständigkeit der gelöteten Teile in starkem Maße, besonders wenn Feuchtigkeit auf die Lötstelle einwirken kann. Die Beseitigung der Flußmittelreste ist kostenintensiv und wird zudem meist nicht vollständig erreicht. Daher wurden bereits früher weitere Versuche zum flußmittellosen Löten, insbesondere Hartlote η, durchge führt.
Das letztgenannte Verfahren besitzt insofern eine besondere Bedeutung, wenn an eine Lötverbindung höhere Anforderungen in bezug auf die Festigkeitswerte und Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. Die bisher zum flußmittellosen Löten von Aluminium W dafür bekannt gewordenen Arbeitsweisen führten noch zu keinem praxisreifen bzw. wirtschaftlichen Verfahren. So wurden beispielsweise in amerikanischen Patentschriften bzw. Veröffentlichungen Verfahrensweisen vorgeschlagen, nach denen entweder durch exotherme Reaktionen oder Reduktionsvorgänge die Oxidschicht an der Verbindungsstelle beseitigt oder auch im Hochvakuum von 10 Torr bzw. mit einer Kombination von Reduktionsvorgängen und
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einem zusätzlichen Vakuum von ca. 10 Torr gearbeitet werden soll. Dabei werden vielfach die Lote sowie die außerdem erforderlichen weiteren Zusätze in Form von Pulvermischungen eingesetzt
Abgesehen von der sehr zweifelhaften Wirksamkeit der Oxidbeseitigung der vorgeschlagenen Arbeitsmethoden sind diese wegen der " Schwierigkeiten, die sich aus den notwendigen Schutzmaßnahmen der Pulver vor Oxydation sowohl bei der Herstellung als auch der Lagerung und Aufbringung auf das Werkstück ergeben, für eine wirtschaftliche Fertigung, insbesondere Serienfertigung, ungeeignet. Einer allgemeinen Anwendung des Lötens im Hochvakuum stehen die dabei erforderlichen hohen Anlagen- und Betriebskosten entgegen. Eine derartige Verfahrensweise ist daher nur in ganz speziellen Anwendungsfällen wie z.B. Reaktor- und Raketentechnik wirtschaftlich vertretbar.
In der Regel weisen die zum Löten von Aluminium geeigneten Lote den Nachteil einer relativ hohen Viskosität und Oberflächenspannung und damit ungünstiger Benetzungseigenschaften auf. Dies
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gilt insbesondere für die Hartlote, die, wie vorstehend ausgeführt, von besonderer Bedeutung sind. Die dabei vorzugsweise eingesetzten Lote sind solche vom Typ Al-Si, denen gegebenenfalls noch weitere Zusätze wie Kupfer, Magnesium, Nickel, Zinn, Zink und Cadmium zulegiert werden. Ferner werden außer den handelsüblichen Weichloten noch Lote der Basis Zn-Al verwendet, die nach der jeweiligen Zusammensetzung und damit der Arbeitstemperatur entweder den Hart- oder Weichloten zuzurechnen sind.
Um die Nachteile der hohen Viskosität und Oberflächenspannung auszugleichen, werden den Flußmitteln z.T. Zusätze, z.B. in Form von Zinksalzen, beigegeben, die zu Abscheidungen an der Metalloberfläche führen und die Benetzungsverhältnisse an der Verbindungsstelle günstig beeinflussen.
Durch die deutsche Patentschrift 66 398 aus dem Jahre 1891 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Lot für reines oder nahezu reines Aluminium bekannt, darin bestehend, daß eine größere Menge reinen Aluminiums geschmolzen, dann die Oberfläche des geschmolzenen Metalls mit einer Schicht von Phosphorsäure, saurem Natriumsulfat, Fluorverbindungen oder anderen sauer reagierenden Salzen vollständig bedeckt, und schließlich dem geschmolzenen Metall eine geringere Menge von Kupfer und Zinn oder Kupfer, Wismut, Zink und Zinn oder auch Kupfer, Antimon, Wismut und Zink oder endlich Kupfer, Wismut, Antimon und Zinn zugesetzt wird.
Dieses Lot hat sich trotz der langen Zeit in der Praxis nicht eingeführt. Ein solches Lot wäre auch praktisch infolge der geringen Schmelzpunktdifferenzen von Lot und Grundwerkstoff nicht geeignet und wurde seinerzeit nur als Lot angesehen, da man davon ausging, daß nach den seinerzeitigen Erkenntnissen der Schmelzpunkt des Aluminiums bei 800°C liegt. (Vgl. S. 1, linke Spalte, Abs. 2 der Patentschrift 66 398.)
Wie eingangs bereits beschrieben, besteht beim Löten von Aluminium ein wesentliches Problem darin, daß der Werkstoff infolge der stets auf der Oberfläche vorhandenen Oxidhaut vom schmelzflüssigen Lot in nicht ausreichendem Maße benetzt wird. Daraus wurde bisher stets gefolgert, daß zur Erzielung einer guten
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Lötverbindung die Oxidhaut zerstört und beseitigt werden muß. Im Gegensatz zu dieser bisher allgemein vertretenen Ansicht wurde nun überraschenderweise gefunden, daß die Benetzungsverhältnisse an der Lötstelle gegenüber denjenigen bei der Verwendung bisher bekannter Zusatzwerkstoffe dadurch wesentlich verbessert werden, daß man dem jeweils eingesetzten Lot Elemente zulegiert, die die Viskosität und Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und gleichzeitig die Grenzflächenspannung zwischen schmelzflüssigem Lot und Grundwerkstoff in starkem Maße herabsetzen.
Wie Untersuchungen ergeben haben, kann eine starke Herabsetzung von Viskosität und Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes sowie der Grenzflächenspannung zwischen Lot und Grundwerkstoff b dadurch erreicht werden, daß man dem jeweils eingesetzten Lot Zusätze wie vorzugsweise Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon in Gehalten von 0,01 - 10 %, vorzugsweise 0,05 - 2 %, zulegiert. Als "jeweils eingesetztes Lot" kommen beispielsweise folgende Zusammensetzungen in Betracht:
a) 4 - 20 % Silicium, Rest Aluminium, gegebenenfalls mit schwankenden Mengen an weiteren Legierungskomponenten wie Kupfer, Magnesium, Nickel, Zinn, Zink und/oder Cadmium, oder
b) Aluminium 2 - 26 %, Rest Zink, oder
c) Aluminium mehr als 26 - 45 %, Rest Zink, gegebenenfalls als weitere Legierungs-Komponente Mangan bis 1 %.
Den genannten oder anderen Basisloten werden erfindungsgemäß die -- oben angegebenen Mengen von vorzugsweise Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon zugesetzt.
Wie Versuche ergeben haben, eignen sich die auf diese Weise erhaltenen Lote überraschenderweise zum flußmittellosen Löten von Aluminium, wenn dieses in einer nichtoxydierenden Atmosphäre bzw. in einer Atmosphäre mit geringem Sauerstoffanteil durchgeführt wird. Einmal kann es sich dabei um ein inertes Lötschutzgas, wie z.B. Schweißargon, Stickstoff handelsüblicher Reinheit, Formiergas oder Ammoniak, zum anderen um ein niedriges Vakuum von beispielsweise 10~ bis iO Torr handeln. Vakua von 10 bis 10 Torr, wie diese in den oben beschriebenen bisher vorgeschlagenen Methoden zum flußmittellosen Löten z.T. gefordert
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werden, sind bei dem beanspruchten Verfahren keinesfalls erforderlich. Die Lötstelle muß zwar auch bei der beanspruchten Verfahrensweise vorher gründlich gereinigt und getrocknet werden, doch sind hierbei keine über das bisher Übliche hinausgehende Maßnahmen erforderlich. Es werden jedoch sämtliche mit dem flußmittellosen Löten verbundenen Vorteile erzielt, d.h. insbesondere ist eine Nachbehandlung zur Beseitigung von Flußmittelresten nicht erforderlich.
Die vorstehend beschriebene Verminderung von Oberflächenspannung und Viskosität und damit der Benetzungseigenschaften durch die beanspruchten Zusätze zum Lot sind natürlich auch beim Löten mit Flußmittel von Vorteil. Beim Einsatz derartiger Lote kann dann auf die speziellen Zusätze zum Flußmittel, die die Benetzungsverhältnisse verbessern sollen, verzichtet werden. Außerdem kann dann die Zusammensetzung der Flußmittel derart geändert werden, daß sich beim Entfernen der Flußmittelreste Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahrensweisen ergeben.
Lote mit den beanspruchten Zusätzen können in allen handelsüblichen Formen, wie z.B. Drähte, Stäbe, Formteile, Folien, Lotplattierungen usw. verwendet werden.
Ausführungsbeispiele für Lotzusammensetzungen
Beispiel 1 11,7 %
Si 0,09 %
Mn 0,03 #
Mg 0,35 %
Fe 0,02 %
Ti 0,02 %
Cu 0,05 £
Zn 0,15 %
Bi
Rest Aluminium
Beispiel 2 12,3
Si 0,07
Mn 0,02
Mg 0,25
Fe 0,01
Ti 0,01
Cu 0,04
Zn 0,50
Bi 0,31
Sb
Rest Aluminium
108831/0996-
Beispiel 3
7,2 io 0,07 % 0,03 io 0,63 io 0,04 % 0,18 % 0,11 $ 1,95 %
Rest Aluminium
Beispiel 4
8,1 % 0,05 io 0,02 % 0,49 % 0,02 % 0,13 % 0,09 % 2,13 % 0,76 %
Rest Aluminium
Beispiel 5
15,8 % 0,03 % 0,04 % 0,41 % 0,03 £ 0,11 % 0,18 % 1,11 # 1,37 %
Rest Aluminium
1962760 6 16,5 io Rest Aluminium 7 95,70 % 8 94,23 % 9 67,59 % 10 68,18 #
Beispiel 0,03 $ Beispiel 3,95 # 5,10 % 30,40 % 28,73 %
Si 0,03 io Zn 0,34 % 0,19 % 1,56 % 2,67 %
Mn 0,43 $ Al Verunreinigungen 0,01 % 0,47 % 0,35 % 0,33 %
Mg 0,03 io Bi Beispiel Verunreinigungen 0,01 % Verunreinigungen 0,10 io
Fe 0,13 % Zn Beispiel Beispiel
Ti 0,17 % Al Zn Zn
Cu 1,78 % Bi Al Al
Zn Ba Sb Sr
Ba Mn Mn
Verunreinigungen 0,09
109831/0996
Die LÖtversuohe wurden mit Reinaluminium- und Al-Mn-Blechen und Loten mit den in den vorstehenden Beispielen angeführten Zusammensetzungen im elektrisch beheizten Ofen durchgeführt. In allen Fällen, in denen ohne Zusatz von Flußmitteln gelötet wurde, erfolgte dies unter einer Schutzgasatmosphäre wie z.B. Argon und Stickstoff. Die Löttemperatur lag dabei zwischen 590 und 6O5°C, die Lötzeit betrug jeweils 2 min. Bei allen Lötversuchen konnten einwandfreie Lötungen erzielt werden.
Im Gegensatz dazu ergab sich keine Lötung bei Verwendung des handelsüblichen Lotes L-AlSi12 ohne die beanspruchten Zusätze, wenn kein Flußmittel benutzt wurde. Auch ein Rütteln der Probe während des Lötvorganges erbrachte kein besseres Ergebnis.
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Claims (18)

Patentansprüche
1) Verfahren zum Löten von Aluminiumwerkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Benetzungsverhältnisse an der Lötstelle gegenüber denjenigen bei der Verwendung bisher bekannter Zusatzwerkstoffe dadurch wesentlich verbessert werden, daß man dem jeweils eingesetzten Lot Elemente zulegiert, die die Viskosität und Oberflächenspannung des geschmolzenen Lotes und gleichzeitig die Grenzflächenspannung zwischen schmelzflüssigem Lot und Grundwerkstoff in starkem Maße herabsetzen.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man fc dem jeweils eingesetzten Lot Zusätze von Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon in Gehalten von je 0,Oi - 10 %, vorzugsweise 0,05 - 2 % zulegiert,
3) Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lote mit den beanspruchten Zusätzen zum flußmittellosen Löten verwendet werden.
4) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Lote mit den beanspruchten Zusätzen zum Löten mit Flußmitteln verwendet werden.
5) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen i - 4, ) gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 4 - 20 $>, Bi und/oder Sr und/oder Ba und/oder Sb in Gehalten von je 0,01 - 10 %, vorzugsweise 0,05 - 2 %, Rest Al, gegebenenfalls mit schwankenden Mengen an weiteren Legierungskomponenten wie Cu, Mg, Ni1 Sn, Zn und/oder Cd.
6) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Al 2 - 26 %, Bi und/oder Sr und/oder Ba und/oder Sb in Gehalten von 0,01 - 10 %, vorzugsweise 0,05 - 2 %, Rest Zn.
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7) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Al mehr als 26 - 45 %, Bi und/oder Sr und/oder Ba und/oder Sh in Gehalten von je 0,01 - 10 fof vorzugsweise 0,05 - 2 %, Rest Zn, gegehenenfalls als weitere Legierungskomponente Mn his I %.
8) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 11,7 %\ Mn 0,09 56; Mg 0,03 %\ Fe 0,35 %', Ti 0,02 #; Cu 0,02 %\ Zn 0,05 %\ Bi 0,15 56; Rest Al.
9) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 12,3 %; Mn 0,07 %\ Mg 0,02 £; Fe 0,25 <jS>; Ti 0,01 fc Cu 0,01 %', Zn 0,04 %; Bi 0,50 #; Sh 0,31 %', Rest Al.
ΙΟ) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 7,2 %\ Mn 0,07 #; Mg 0,03 %; Fe 0,63 #; Ti 0,04 £; Cu 0,18 £; Zn 0,11 £; Bi 1,95 %, Rest Al.
11) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 8,1 %\ Mn 0,05 %; Mg 0,02 %\ Fe 0,49 %\ Ti 0,02 %>\ Cu 0,13 #; Zn 0,09 %; Ba 2,13 %\ Sr 0,76 5δ; Rest Al.
12) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen i - 4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 15,8 %] Mn 0,03 %\ Mg 0,04 <fo\ Fe 0,41 <fo\ Ti 0,03 %,· Cu 0,11 %\ Zn 0,18 <fo\ Sb 1,11 %\ Ba 1,37 %\ Rest Al.
13) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Si 16,5 %\ Mn 0,03 #; Mg 0,03 £; Fe 0,43 %\ Ti 0,03 £; Cu 0,13 %; Zn 0,17 %; Ba 1,78 36; Rest Al.
14) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Zn 95,70 "}o\ Al 3,95 D/o\ Bi 0,34 %', Verunreinigungen 0,01 %.
109831 /nqqe - 10 -
"lö" 19627B0
15) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Zn 94,23 %\ Al 5,10 #; Bi 0,19 %', Ba 0,47 %; Verunreinigungen 0,Oi %.
16) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Zn 67,59 %\ Al 30,40 #; Sb 1,56 %; Mn 0,35 %\ Verunreinigungen 0,10 fo.
17) Lot zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Zn 68,18 %; Al 28,73 fo] Sr 2,67 %; Mn 0,33 %\ Verunreinigungen 0,09 %.
18) Verfahren nach Anspruch 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß die beanspruchten Lote in jeder handelsüblichen Form ver-
ψ wendet werden.
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