DE10240412A1 - Flussmittelzubereitung und Verfahren zum lotfreien Verbinden von Aluminium oder Aluminiumlegierungen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Flussmitellzubereitung, umfassend ein Flussmittel zum Hartlöten von Aluminium und einen Lotbildner, ausgewählt aus den Oxiden der Metalle der vierten Haupt- oder der ersten oder zweiten Nebengruppe des Periodensystems, sowie die Verfahren zum Hartlöten von Aluminium unter Verwendung der Flussmittelzubereitung.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Flussmittelzubereitung und ein Verfahren zum lotfreien Verbinden von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.
- Zum Verbinden von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden in der Technik neben dem Schweißen in zunehmendem Maße auch Hartlötverfahren eingesetzt. Hierbei werden die Werkstücke mit Hilfe von metallischen Lotmaterialien und unter Verwendung von Flussmitteln durch Wärmezufuhr mechanisch fest und stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Flussmittel haben in diesem Prozess die Aufgabe, durch Auflösung der störenden Oxidschichten auf den Werkstücken und den Loten für eine gute Benetzung zu sorgen. Es existieren eine ganze Reihe von Flussmitteln auf Basis von nicht korrosiven Kaliumaluminiumfluoriden, die sich gut zum Hartlöten von Aluminium eignen. Methoden zu ihrer Herstellung und Verwendung sind beispielsweise in den Patenten
US 3 951 328 undUS 5 318 764 beschrieben. Zum Löten von Aluminium werden neben dem Flussmittel auch Lotlegierungen benötigt, die einen niedrigeren Schmelzpunkt als die zu verbindenden Werkstücke aufweisen. In der Regel werden hierfür Aluminiumlegierungen mit schmelzpunktsverringernden Zusätzen wie Silicium, Kupfer oder Zink eingesetzt. Diese Lote werden entweder als Lotplattierung oder pulverförmig mit dem Flussmittel gemischt als Lotpaste verwendet. - In neueren Verfahren zum Hartlöten von Aluminium werden anstelle der Lotlegierungen dem Flussmittel auch Stoffe zugesetzt, die mit dem Aluminium des Werkstückes reagieren, wodurch während des Erwärmens in situ ein flüssige Phase einer Aluminiumlotlegierung entsteht und dadurch die Lötverbindung hergestellt wird. Die
US 5 100 048 beschreibt ein neues Verfahren zum Hartlöten von Aluminium, in dem eine Mischung aus Silicium mit einem Flussmittel verwendet wird. Das elementar vorliegende Silicium legiert sich beim Erwärmen mit dem Aluminium des Grundwerkstoffes und bildet dabei eine flüssige Lotphase. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass sich durch lokale Überkonzentration an Silicium eine große Menge niedrigschmelzender Phase bildet. Insbesondere dünnwandige Werkstücke, wie sie bei der Herstellung von Kühlern und Wärmetauschern verwendet werden, können hierbei komplett durchschmelzen. -
DE 196 36 897 undUS 5 785 770 beschreiben eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens, indem anstelle von elementarem Silicium dem Flussmittel auf Basis von Kaliumaluminiumfluoriden ein siliciumhaltiges Salz, bevorzugt Kaliumhexafluorosilikat zugegeben wird. Das Aluminium im Grundwerkstoff reduziert beim Erwärmen das Salz zu metallischem Silicum, das sich anschließend feinverteilt im Flussmittel mit dem Aluminum auflegiert und eine niedrigschmelzende Legierung bildet. Diese für das lotmetallfreie Hartlöten angepassten Flussmittel haben jedoch den Nachteil, dass sie zum einen toxisch, zum anderen teuer in der Herstellung sind. Weiterhin ist das zur Aktivierung verwendetet Kaliumhexafluorosilikat wasserlöslich und kann, wenn es nicht vollständig reduziert wurde, zu Korrosion an den Bauteilen führen. Wenn die Flussmittelmischung größere Anteile Kaliumhexafluorosilikat enthält, besteht zudem die Möglichkeit, dass sich das Salz thermisch zersetzt und dabei das giftige Gas Siliciumtetrafluorid entsteht. - Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Flussmittelzubereitung zum Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu entwickeln, welches das Verlöten ohne gesonderte Zugabe von Lotmetall ermöglicht. Dabei sollte neben der Praktikabilität und der Sicherheit der Anwendung ein besonderes Augenmerk auf geringe Toxizitätsrisiken und verminderte Umweltbelastung gelegt werden.
- Gelöst wurde diese Aufgabe mit Hilfe einer lotbildenden Flussmittelzubereitung auf Basis eines handelsüblichen korrosiven oder nichtkorrosiven Flussmittels, welche dadurch charakterisiert ist, dass sie zusätzlich mindestens ein Oxid eines Metalls der vierten Haupt- oder der ersten oder zweiten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente umfasst (entsprechend den Gruppen 11, 12 und 14 nach IUPAC-Notation). Mit Hilfe dieser Zusammensetzungen konnte ohne den Einsatz eines Lotes oder von Fluorosilikaten als Hilfsmittel zur in situ Erzeugung des Lotbildners gute Ergebnisse beim Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen erzielt werden.
- Als Grundlage der erfindungsgemäßen Flussmittelzubereitung dienen herkömmliche Flussmittel, die bereits zur Anwendung in Aluminium-Hartlötverfahren bekannt sind. Solche Flussmittel können nach DIN EN 1045 in korrosive (FL-10) und nichtkorrosive (FL-20) Flussmittel eingeteilt werden, die sich gleichermaßen zur bevorzugten Verwendung in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eignen. Beispielhaft können für die korrosiven Flussmittel hygroskopische Chloride und Fluoride von Alkalimetallen, wie Lithium, Natrium oder Kalium, oder deren Gemische angeführt werden. Solche Flussmittel sind beispielsweise unter der Bezeichnung AluBraze F30/70® bei der Fa. BrazeTec oder unter der Bezeichnung Silux F6® bei der Fa. Ögussa erhältlich. Nichtkorrosive Flussmittel, die sich für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eignen, sind beispielsweise diejenigen auf Grundlage von Kaliumfluoraluminaten, insbesondere wasserunlösliches Kaliumtetrafluoroaluminat, wie sie in
US 3 951 328 undUS 5 318 764 beschrieben werden, auf die diesbezüglich verwiesen wird. Solche Flussmittel sind unter den Bezeichnungen AluBraze F32/80® und Nocolok® bei BrazeTec bzw. Solvay erhältlich. Die Wahl des Flussmitteltyps (FL-10 oder FL-20) richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Falls die Flussmittelreste aus Gründen der Optik, Oberflächenbeschaffenheit oder Korrosion nach dem Lötvorgang von der Oberfläche des Bauteils entfernt werden müssen, werden bevorzugt wasserlösliche Flussmittel des Typs FL-10 eingesetzt. Die Rückstände der FL-20 Flussmittel verbleiben im Allgemeinen auf dem Werkstück, sollten aber vor dem Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit geschützt werden. - Metalloxide, die in den erfindungsgemäßen Zubereitungen als Lotbildner eingesetzt werden, sind solche, die sich von Metallen der vierten Haupt- oder der ersten oder zweiten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente ableiten (entsprechend den Gruppen 11, 12 und 14 nach IUPAC-Notation). Hier sind beispielhaft Oxide von Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Si, Ge, Sn und Pb zu nennen, wobei aufgrund ihrer Verfügbarkeit und der Vermeidung von Toxizitätsrisiken insbesondere Oxide von Kupfer, Silber, Silicium, Zink und Zinn zum Einsatz kommen. Die Metalloxide können einzeln oder als Kombination unterschiedlicher Oxide zum Einsatz kommen.
- Der Anteil der oben genannten Metalloxide an den erfindungsgemäßen Flussmittelzubereitungen beträgt im Allgemeinen mehr als 0,2, bevorzugt mehr als 0,5, 1,0 oder 3,0 Gew.%, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt der Flussmittelzubereitung. Ihr Anteil ist normalerweise auf etwa 20,0 oder 25,0 Gew.% begrenzt. Bevorzugt wird ein Metalloxidgehalt von 0,5 bis 25,0 Gew.% gewählt, besonders bevorzugt sind Zusätze von 0,3 bis 15 Gew.%. Der Anteil des handelsüblichen Flussmittels ergibt sich daraus durch Addition auf 100 % und liegt demnach zwischen 99,8, bevorzugt 99,5, 99,0 oder 97,0 Gew% und 75 oder 80 Gew%.
- Die erfindungsgemäße Flussmittelzubereitung mit lotbildenden Eigenschaften wird hergestellt, indem die entsprechende Menge des feinteiligen Metalloxids dem Flussmittel zugegeben und intensiv, zum Beispiel in einem Taumelmischer, mit diesem vermischt wird. Für das Metalloxid ist dabei aus Gründen der homogenen Vermischbarkeit eine mittlere Korngröße von kleiner 200 μm bevorzugt. Die homogene Mischung wird anschließend bei Bedarf nochmals in einer Mühle gemahlen, wobei eine mittlere Korngröße von weniger als 150 μm zu besonders guten Ergebnissen in Hartlötverfahren führt.
- Die lotbildende Flussmittelzubereitung kann pulverförmig oder vorzugsweise als Suspension oder Paste eingesetzt werden. Zur Herstellung solcher Suspensionen oder Pasten eignen sich Wasser oder organische Lösungsmittel wie z.B. Alkohole sowie deren Gemische. Die Haftung der Suspension bzw. der Flussmittelpaste und die Benetzung der Werkstückoberflächen kann durch Zugabe von Bindemitteln und Tensiden verbessert werden. Der Gehalt der Flussmittelzubereitung in der Suspension oder Paste liegt üblicherweise zwischen 5 und 80 Gew% und kann so eingestellt werden, dass alle in der Technik gängigen Applikationsmethoden, wie Eintauchen, Bestreichen oder Sprühen verwendet werden können.
- Nach dem Auftragen und gegebenenfalls Trocknen der Flussmittelzubereitung werden die zu verbindenden Komponenten, von denen mindestens eine aus Aluminium besteht, auf übliche Weise, zum Beispiel in einem Durchlaufofen oder mit dem Brenner, ohne zusätzliche Zugabe eines Lots, direkt miteinander verlötet. Der eigentliche Lötvorgang kann unter Sauerstoffausschluss, beispielsweise unter Schutzgas, durchgeführt werden. Die optimale Löttemperatur richtet sich dabei nach dem verwendeten Metalloxid und kann leicht durch Vorversuche ermittelt werden. Gute Lötergebnisse wurden oftmals im Bereich von 580 bis 610°C erzielt.
- Das erfindungsgemäße Lötverfahren eignet sich in besonderem Maße für Lötungen in einem engen Lötspalt, wie beispielsweise das Verlöten der Lamellen von Wärmetauschern oder dem Löten von Kompensböden.
- Weder die erfindungsgemäße Flussmittelzusammensetzung noch das darauf beruhende Verfahren sind auf das Löten von Aluminium auf Aluminium beschränkt. Es lassen sich vielmehr auch Aluminum oder Aluminiumlegierungen mit anderen Metallen, wie Stahl oder Edelstahl ohne Zusatz von Lot verbinden.
- Beispiel 1: Herstellung des erfindungsgemäßen Flussmittels auf Basis eines korrosiven (FL-10)-Flussmittels
- Zusammensetzung:
-
30 Gew% Lithiumchlorid 20 Gew% Natriumchlorid 30 Gew% Kaliumchlorid 8 Gew% Aluminiumtrifluorid 10 Gew% Siliciumdioxid (Aerosil 200) 2 Gew% Zinkoxid - Die Flussmittelkomponenten werden eingewogen, gemischt und fein gemahlen.
- Das lotbildende Flussmittelgemisch wird anschließend mit Wasser unter Zugabe von 0,1 Gew% eines wasserlöslichen Tensids (Zonyl FSN100) zu einer streichfähigen Masse mit 70 Gew% Feststoffanteil angedickt und auf ein Aluminiumblech aufgetragen.
- Ein zweites Blech aus V2A-Stahl wird aufgelegt und mechanisch angepresst. Der Verbund wird dann in einem Durchlaufofen unter Schutzgas (Sauerstoffrestgehalt < 10 ppm) bei einer Peaktemperatur von 605°C stoffschlüssig ohne weitere Zugabe eines Lotes miteinander verbunden.
1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch die Lotnaht. - Beispiel 2: Herstellung eines erfindungsgemäßen Flussmittels auf Basis eines nichtkorrosiven Al-Flussmittels (FL-20)
- Zusammensetzung:
-
88 Gew% Kaliumtetrafluoroaluminat (AluBraze® F32/80) 12 Gew% Siliciumdioxid (Aerosil® 200) - Die beiden Flussmittelkomponenten werden im angegebenen Mischungsverhältnis gemischt und in einer Mühle feingemahlen. Das lotbildende Flussmittelgemisch wird im trockenen Zustand auf ein Aluminiumblech gegeben. Mit einem Acetylen/Sauerstoffbrenner wird anschließend ein zweites Aluminiumblech im T-Stoß ohne weitere Zugabe eines Lotes aufgelötet.
- Beispiel 3: Herstellung eines erfindungsgemäßen Flussmittels auf Basis eines nichtkorrosiven Al-Flussmittels (FL-20)
- Zusammensetzung:
-
90 Gew% Kaliumtetrafluoroaluminat (AluBraze® F32/80) 5 Gew% Zinnoxid 5 Gew% Zinkoxid - 70g der feingemahlenen Flussmittelmischung werden mit 30 g einer wässrigen Lösung eines Bindemittels (2%ige Lösung von Klucel HF®) versetzt. Mit dieser Paste werden die Oberflächen zweier Aluminiumrohre beschichtet. Je zwei dieser Rohre werden mit einer unplattierten Aluminiumlamelle zu einem Verbund zusammengesetzt, mechanisch fixiert und im Durchlaufofen unter Schutzgas verlötet, ohne dass weiteres Lot, in Pulverform oder als Lotplattierung, verwendet werden muss.
Claims (7)
- Flussmittelzubereitung, umfassend ein Flussmittel zum Hartlöten von Aluminium und einen Lotbildner, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lotbildner um mindestens ein Oxid eines Metalls der vierten Haupt- oder der ersten oder zweiten Nebengruppe des Periodensystems handelt.
- Flussmittelzubereitung nach Anspruch 1, wobei das Flussmittel ausgewählt ist aus Flussmitteln des Typs FL-10 oder FL-20 gemäß DIN EN 1045.
- Flussmittelzubereitung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metall ausgewählt ist aus Kupfer, Silber, Silicium, Zink oder Zinn.
- Flussmittelzubereitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gehalt des Lotbildners 0,5 bis 25 Gew%, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt der Flussmittelzubereitung, beträgt.
- Verwendung einer Flussmittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur lotfreien Hartverlötung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem metallischen Werkstoff.
- Verwendung nach Anspruch 5, wobei der metallische Werkstoff ausgewählt ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Stahl oder Edelstahl.
- Verfahren zum Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmittelzusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ohne Zusatz eines Lots mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sowie einem weiteren metallischen Werkstoff in Kontakt gebracht und anschließend erhitzt wird.
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