Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Prozeß
zum Löten eines druckgegossenen Aluminiummaterials.
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Es sollte klar sein, daß die hier und in der
nachfolgenden Beschreibung verwendete Bezeichnung "Aluminium" auch
Aluminiumlegierungen umfaßt.
Stand der Technik
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Druckgegossene Aluminiumerzeugnisse finden in
verschiedenen Bereichen breite Verwendung, einschließlich bei
Automobilbauteilen und -anwendungen, da mit einem
Schnellgußverfahren mit guter Produktivität kompliziert geformte
Erzeugnisse mit gutem Oberflächenzustand nach dem Gießen
hergestellt werden können. Da druckgegossene
Aluminiumerzeugnisse die zuvor genannten Merkmale aufweisen, ist es
wünschenswert, druckgegossene Materialien entweder
untereinander oder mit anderen Gußmaterialien zu verbinden.
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Da jedoch ein druckgegossenes Aluminiummaterial ein
Ausbeulen, auch Blasenbildung genannt, an der Oberfläche
verursacht, wenn es einer hohen Temperatur von etwa 400ºC
oder mehr ausgesetzt wird, kann es nicht bei einer
Temperatur von 400ºC oder mehr gelötet werden. Wenn das Löten
bei einer geringeren Temperatur durchgeführt wird, um ein
Ausbeulen zu vermeiden, wird jedoch der Effekt gemindert,
daß ein Oxidfilm auf der Oberfläche des Matrixmaterials
entfernt wird, da das Schmelzen eines Flußmittels derart
unzureichend ist, daß ein Benetzen und Ausbreiten eines
Lotmetalles verschlechtert wird, womit das Problem
einhergeht, daß Fehler beim Ausbilden einer ausreichenden
Verbindungsfestigkeit auftreten.
Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den zuvor
beschriebenen Stand der Technik und es ist eine Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zum Löten eines druckgegossenen
Aluminiummaterials zu schaffen, das bei Erwärmung auf
eine hohe Temperatur gelötet werden kann.
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Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe ist die
vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein
druckgegossenes Aluminiummaterial, das mit einer
Angußgeschwindigkeit von 20 m/s oder höher erzeugt wird, verwendet wird,
um bei einer Löttemperatur von 500ºC oder weniger gelötet
zu werden.
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Die Zusammensetzung des in der vorliegenden Erfindung zu
verwendenden, druckgegossenen Aluminiummaterials ist
nicht auf eine bestimmte Zusammensetzung beschränkt und
kann aus JIS-Aluminium und anderen ausgewählt werden,
wobei repräsentative Beispiele JIS ADC10 und ADC12
umfassen.
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Das druckgegossene Aluminiummaterial wird hergestellt,
indem geschmolzenes Aluminium durch einen Eingußkanal in
eine Form eingespritzt wird. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Geschwindigkeit, mit der das Aluminium
durch den Eingußkanal eingespritzt wird, also die
Angußgeschwindigkeit, 20 m/s oder höher. Der Grund hierfür
wird nachfolgend beschrieben.
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Der Strom des durch den Eingußkanal eingespritzten
geschmolzenen Aluminiums während eines derartigen
Schmelzflusses ist abhängig von der Form der verwendeten Gußform
und von den in die Gußform mitgerissenen Gasen, wie
beispielsweise Luft und Stickstoff. Die mitgerissenen Gase
sollen reduziert und fein verteilt werden, indem die
Angußgeschwindigkeit 20 m/s oder mehr beträgt. Somit kann
ein Ausbeulen während eines sich anschließenden Erwärmens
zur Durchführung des Lötprozesses vermieden werden. Wenn
die Angußgeschwindigkeit weniger als 20 m/s beträgt, ist
der Effekt derart gering, daß während eines Erwärmens zur
Durchführung des Lötprozesses große Beulen entstehen und
das Löten behindern. Die Angußgeschwindigkeit beträgt
vorzugsweise 30 m/s oder mehr, insbesondere 40 m/s oder
mehr. Einerseits ist die obere Grenze der
Angußgeschwindigkeit, obwohl diese nicht besonderen Beschränkungen
unterliegt, natürlich begrenzt, da bei zu hoher
Angußgeschwindigkeit ein Verbrennen des Gußformsandes eintritt.
Es sollte klar sein, daß die Voraussetzung einer
Angußgeschwindigkeit von 20 m/s oder mehr nur dann möglichst
vorteilhaft hinsichtlich Einfachheit und Kosten umgesetzt
werden kann, wenn die Gußform entsprechend umgestaltet
und eine intakte Druckgußmaschine verwendet wird.
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Abgesehen von der Angußgeschwindigkeit können andere
Prozeßbedingungen willkürlich gewählt werden, jedoch beträgt
der Gießdruck der auf das Metall während des Gießens
ausgeübte Druck) vorzugsweise 588,6 bar (600 kgf/cm²) oder
weniger. Wenn der Gießdruck 588,6 bar (600 kgf/cm²)
überschreitet, erhöht sich auch der Druck der in dem
druckgegossenen Material mitgerissenen Gase, die dann dazu
neigen, während des Erwärmens zum Löten Beulen zu erzeugen.
Insbesondere wird ein Gießdruck von 490,5 bar (500
kgf/cm²) oder weniger bevorzugt. Wenn andererseits der
Gießdruck zu gering ist, ergeben sich Probleme bei der
Formgebung, da der Fluß des Gußmetalls zu gering ist.
Daher sollte der Gießdruck wenigstens 196,2 bar (200
kgf/cm²) oder mehr betragen. Ferner ist die Form
vorzugsweise auf Umgebungsdruck, da wiederum ein hoch
qualitatives druckgegossenes Material und auch ein hoch
qualitatives Löterzeugnis infolge einer Abnahme der in dem
druckgegossenen Material eingeschlossenen absoluten Gasmenge
erzielt werden kann. Wenn die Form auf Umgebungsdruck
gebracht wird, wird damit vorzugsweise begonnen, bevor ein
Druckkolben eine Schmelzeneinspritzöffnung blockiert.
Selbst wenn die Form nicht auf Umgebungsdruck gebracht
wird, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein guter
Lötprozeß erzielt werden.
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Das unter den zuvor genannten Bedingungen erzeugte
druckgegossene Material wird zum Verlöten mit anderen Aluminiumverbindungselementen
verwendet. Die Löttemperatur muß
500ºC oder weniger betragen. Wenn die Löttemperatur 500ºC
überschreitet, werden Beulen erzeugt, selbst wenn das
druckgegossene Material verwendet wird, das bei
Angußgeschwindigkeit von 20 m/s oder mehr hergestellt wurde,
wodurch ein guter Lötprozeß verhindert wird, während
Dimensionsänderungen in dem druckgegossene Material erzeugt
werden. Die Löttemperatur beträgt vorzugsweise 480ºC oder
weniger. Andererseits, auch wenn die untere Grenze der
Löttemperatur nicht beschränkt ist, sollte auf 400ºC oder
mehr erwärmt werden, besser noch auf 420ºC oder mehr, um
wirksam die Eigenschaften des gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendeten druckgegossenen Materials zu
erzielen.
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Bei dem Verbindungselement, das gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem druckgegossenen Aluminiummaterial
verlötet wird, sollte es sich entweder um ein
druckgegossenes Aluminiummaterial, ein längliches Aluminiummaterial
oder ein gegossenes Aluminiummaterial handeln.
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Bei dem zuvor beschriebenen Lötprozeß kann jedes
Lotmaterial verwendet werden, daß einen Schmelzpunkt aufweist,
der im Zusammenhang mit einer Löttemperatur von 500ºC
oder weniger bestimmt wird, wobei geeignete Beispiele
metallische Lotmaterialien umfassen, die 6 bis 24
Gewichtsprozent (im folgenden beziehen sich alle Prozentangaben
auf Gewichtsprozent) Al und einen Rest bestehend aus Zn
und Verunreinigungen aufweisen. Bei derartigen
metallischen Lotmaterialien wird Al zum Einstellen des Schmelzpunktes
des metallischen Lotmaterials (des
Schmelztemperaturbereiches) beigegeben. Beträgt der Al-Gehalt weniger
als 6%, so besteht die Möglichkeit, daß das Lotmaterial
infolge des geringen Schmelzpunktes während des Lötens in
einer geneigten Stellung abwärts wegsackt und somit kein
verwendbares Flußmittel vorhanden ist. Liegt der Al-
Gehalt hingegen oberhalb von 24%, so kommt es manchmal
vor, daß das metallische Lotmaterial sogar bei 500ºC
nicht geschmolzen wird, da der Schmelzpunkt zu hoch ist.
Der Al-Gehalt kann ebenso vorzugsweise 8% oder mehr sowie
20% oder weniger betragen. Der Rest des Lotmaterial
umfaßt Zn mit zulässigen Verunreinigungen.
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Jedes Chlorid- und Fluorid-Flußmittel oder eine Mischung
aus beiden sowie andere Flußmittel sind als Flußmittel
beim Löten bei der Löttemperatur und dem Schmelzpunkt des
Lotmaterials geeignet, sofern der Schmelzpunkt des
Lotmaterials unterhalb derjenigen der Flußmittel liegt.
Beispiele für niedrigschmelzende Flußmittel sind Flußmittel,
die eine Mischung bestehend aus 14% BaCl&sub2;, 2% NaCl, 38
% KCl, 9% LiCl, 17% ZnCl&sub2;, 6% KalF&sub4;, 1% LiF und 13%
PbCl&sub2; sowie ein Flußmittel aus CsAlF&sub4; umfassen.
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Ferner sind das Zuführverfahren für das metallische
Lotmaterial und für das Flußmittel sowie andere
Lötbedingungen nicht beschränkt.
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Gemäß des Prozesses der vorliegenden Erfindung zum Löten
eines druckgegossenen Aluminiummaterials wird angenommen,
daß die eingeschlossenen Gase verfeinert und verteilt
werden, da daß druckgegossene Material bei einer
Angußgeschwindigkeit von 20 m/s oder mehr hergestellt wird. Da
ein derartiges druckgegossenes Material zum Löten bei
einer Löttemperatur von 500ºC oder weniger verwendet wird,
wird die Ausdehnung der eingeschlossenen Gase bei der
Erwärmung während des Lötprozesses unterdrückt, so daß auch
das Ausmaß des Ausbeulens sowie die Anzahl von Beulen
verringert wird, wodurch ein guter Lötprozeß erzielt
werden kann.
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Da die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet ist,
daß ein bei einer Angußgeschwindigkeit von 20 m/s oder
mehr hergestelltes druckgegossenes Aluminiummaterial zum
Löten in der eingangs beschriebenen Art und Weise bei
einer Löttemperatur von 500ºC oder weniger verwendet wird,
wird das Entstehen von Beulen während des
Erwärmungsprozesses unterdrückt, so daß ein guter Lötprozeß erzielt
werden kann, selbst wenn der Lötprozeß in einem
Temperaturbereich von 500ºC oder weniger, beispielsweise bei
einer vergleichsweise hohen Temperatur von 400ºC oder mehr,
durchgeführt wird. Auf diese Weise können gelötete
Verbunderzeugnisse mit einem druckgegossenen
Aluminiummaterial, das mit anderen Verbindungselementen verlötet ist,
hergestellt werden, wie beispielsweise Automobilteile, so
wie ein Lufteinlaßverteiler, und andere gelötete
Erzeugnisse.
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Ferner wird die Auswahl an Flußmitteln und metallischen
Lotmaterialien vergrößert, da es möglich ist, einen
Lötprozeß bei vergleichsweise hohen Temperaturen durchzuführen,
so daß ein Lötprozeß einfach durchgeführt werden
kann.
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Weiterhin wird das Ausmaß von Beulen während des
Erwärmungsprozesses beim Löten weiter unterdrückt, wenn ein
druckgegossenes Aluminiummaterial, das bei einer
Angußgeschwindigkeit von 30 m/s oder mehr hergestellt wurde,
verwendet wird, da Gase merklich verfeinert und verteilt
werden.
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Ferner kann zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Effekt
sichergestellt werden, daß ein Ausbeulen noch weiter
unterdrückt wird, wenn ein druckgegossenes
Aluminiummaterial. das bei einem Gußdruck von 588,6 bar (600 kgf/cm²)
oder weniger hergestellt wurde, verwendet wird.
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Weiterhin kann das Ausmaß des Ausbeulens eines
druckgegossenes Aluminiummaterials, das mit einer auf Außendruck
gebrachten Gußform hergestellt wurde, unterdrückt werden,
da die Menge des darin eingeschlossenen Gases an sich
gering ist.
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Ferner kann bei Verwendung eines metallischen
Lotmaterials, das 6 bis 24% Al und einen Rest bestehend aus Zn und
Verunreinigungen umfaßt, ein noch besseres Löten
sichergestellt werden, da das metallische Lotmaterial einen
derartig geringen Schmelzpunkt hat.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
(Beispiel 1)
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Es wurde JIS ADC10 als Aluminium für den Druckguß zur
Herstellung von druckgegossenem Aluminiummaterialien
verwendet, wobei jedes druckgegossene Aluminiummaterial die
Form einer flachen Platte mit einer longitudinalen Länge
von 100 mm, einer lateralen Länge von 150 mm und einer
Dicke von 8 mm aufweist, wobei die in Tabelle 1
aufgeführten Prozeßbedingungen hinsichtlich der
Angußgeschwindigkeit, des Gußdruckes und der Tatsache, ob die Gußform
auf Umgebungsdruck gebracht wurde oder nicht, verwendet
wurden.
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Anschließend wurde jedes der so erzeugten
Druckgußmaterialien mit einer Aluminiumextrusion, die aus JIS A6063
besteht und die gleiche Form und Größe in T-Form
aufweist, verbunden. Ein stabförmiges metallisches
Lotmaterial mit 3 mm Durchmesser wurde dann an der Verbindung
angeordnet und mit einem Flußmittel bedeckt, um den
Lötprozeß bei einer in Tabelle 1 aufgeführten Löttemperatur
durchzuführen. Dabei wurde ein metallisches
Lötzusatzmaterial, das Zn-16 Gew.-% Al aufweist, verwendet, während
das Flußmittel, das eine Mischung aus 14 Gew.-% BaCl&sub2;,
2 Gew.-% NaCl, 38 Gew.-% KCl, 9 Gew.-% LiCl, 17 Gew.-%
ZnCl&sub2;, 6 Gew.-% KalF&sub4;, 1 Gew.-% LiF und 13 Gew.-% PbCl&sub2;
umfaßt, verwendet wurde. Der Lötprozeß wurde
durchgeführt, während jedes Druckgußmaterial in einem 45º-Winkel
zur Horizontalen angeordnet war.
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Der Zustand und das Erscheinungsbild der erzeugten
gelöteten Produkte wurde einer visuellen Prüfung unterzogen.
Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
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(zu 1)
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A: Es wurde keine Blasenbildung festgestellt, und der
Lötzustand war sehr gut.
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B: Es wurde eine geringe Blasenbildung festgestellt, das
Erscheinungsbild und der Lötzustand waren jedoch
unproblematisch.
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C: Es wurde eine deutliche Blasenbildung festgestellt,
der Lötzustand war jedoch unproblematisch.
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D: Es wurde eine deutlichere Blasenbildung als bei C
festgestellt, der Lötzustand war jedoch
unproblematisch.
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E: Es wurde die Bildung großer Blasen festgestellt, und
das Erscheinungsbild und der Lötzustand waren
mangelhaft.
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Aus den Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, daß eine
Blasenbildung entweder kaum festgestellt werden konnte
beziehungsweise keine Auswirkungen hatte, selbst wenn sie
festgestellt wurde, wobei ein guter und unproblematischer
Lötzustand der Produkte, die bei einer
Angußgeschwindigkeit und einer Löttemperatur innerhalb der entsprechenden
Bereiche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
wurden, vorlag. Im Gegensatz dazu wurde bei Produkten,
die bei einer Angußgeschwindigkeit (Beispiel Nummer 10)
und einer Löttemperatur (Beispiel Nummer 11) hergestellt
wurden, die nicht in einem Bereich gemäß der vorliegenden
Erfindung lagen, die Bildung großer Blasen und ein
mangelhafter Lötzustand festgestellt.
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Beim Vergleich der Beispiele 1 und 7, 3 und 8 oder 6 und
9 erscheint es ferner von Vorteil, daß eine Blasenbildung
weiter unterdrückt werden kann, wenn ein bei einem
Gußdruck von 600 kgf/cm² oder weniger hergestelltes
Druckgußmaterial verwendet wird.
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Beim Vergleich der Beispiele 2 und 5 erscheint es ferner
von Vorteil, daß die Blasenbildung noch weiter
unterdrückt werden kann, wenn die Gußform auf Außendruck
gebracht wird.
(Beispiel 2)
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Im wesentlichen wurde der gleiche Lötprozeß wie in
Beispiel 1 wiederholt, wobei ein druckgegossenes
Aluminiummaterial verwendet wurde, das als Probe Nummer 6 in
Tabelle 1 aufgeführt ist, abgesehen von der Tatsache, daß
CsAlF&sub4; als Flußmittel zusammen mit einem metallischen
Lotmaterial, wie es in der nachfolgenden Tabelle 2
aufgeführt ist, verwendet wurde, während die Löttemperatur wie
in Tabelle 2 gezeigt gewählt wurde. Der Lötzustand nach
dem Löten wurde visuell geprüft. Die Ergebnisse sind in
Tabelle 2 aufgeführt.
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(zu 2)
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: sehr gut
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O: gut
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Δ: Das metallische Lotmaterial strömte abwärts entlang
der Neigung und der Lötzustand war mangelhaft.
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X: Das metallische Lotmaterial wurde nicht geschmolzen
und der Lötzustand war mangelhaft.
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Anhand der in Tabelle 2 aufgeführten Ergebnisse ist
ersichtlich, daß bestätigt werden konnte, daß, wenn ein
metallisches Lotmaterial mit einem Al-Gehalt, der in dem
durch die vorliegende Erfindung spezifizierten Bereich
liegt, verwendet wurde, ein guter Lötzustand erzielt
werden konnte.