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Verfahren zum Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen
Die Erfindung bezieht sich auf das Hartlöten von Aluminium und dessen Legierungen.
Beim Hartlöten wird ein Hartlot, das in Pulverform oder häufig als Blech, Streifen, Draht od. dgl. vorliegen kann, zwischen die zu verbindenden Teile eingeführt. Diese Lötlegierung muss eine Schmelz- temperatur unter der der zu verbindenden Werkstücke haben und kann daher bei Temperaturen schmel- zen und fliessen, die niedriger sind als solche, die sich auf das Material der zu verbindenden Teile schädlich auswirken würden.
Eines der Probleme beim Hartlöten besteht jedoch darin, dass das geschmolzene Hartlot die Metalloberflächen der miteinander zu verbindenden Teile benetzen muss, um eine einwandfreie Lötverbindung herstellen zu können. Da Materialien, wie rostfreie Stähle, Aluminium oder dessen Legierungen an der Luft einen Oxydüberzug bilden, der sich nur schwierig entfernen lässt, wird ein Flussmittel verwendet, um die auf den Oberflächen der zu verbindenden Bauteile gewöhnlich vorhandene Oxydschicht zu beseitigen. Das Entfernen der Oxyde kann dadurch bewirkt werden, dass das Flussmittel diese Oxyde auflöst oder das Metall leicht anätzt und so das Oxyd von der Metalloberfläche ablösen lässt, oder auf beiden Wegen.
Vorzugsweise bilden einige Flussmittel bei der Hartlöttemperatur einen flüssigen, luftabschliessenden Überzug auf den zu verbindenden Flächen, bis sie von dem fliessenden Hartlot, wenn dieses die zu verbindenden Flächen benetzt, verdrängt werden. Auf diese Weise kommt das geschmolzene Hartlot mit einer oxydfreien Oberfläche in Berührung, so dass man eine einwandfreie Hartlötverbindung erhält. Im allgemeinen wirken jedoch Flussmittel korrodierend und deren Rückstände sind nach dem Lötvorgang nur schwierig oder kostspielig zu entfernen.
Flussmittel sind daher für einige Anwendungszwecke ungeeignet, beispielsweise bei Wärmeaustauschern für Autokühler, wo die Kühlflüssigkeit mit korrodierenden Produkten verunreinigt werden kann, oder in Vakuumkammern, wo sich ein Freisetzen von korrodierenden Gasen aus den Flussmittelrückständen unter Vakuum auf die in der Kammer befindlichen Gegenstände oder auf die Kammer selbst schädlich auswirken kann.
Aluminium und dessen Legierungen haben in Gegenwart von Luft eine besonders starke Neigung, ein festhaftendes Oxyd zu bilden. Aus diesem Grunde werden solche Metalle oft in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum hartgelötet. Das Oxyd muss jedoch zuerst entfernt werden, wenn man eine einwandfreie Verbindung herstellen will. Die Anwendung gebräuchlicher mechanischer Mittel zur Entfernung eines solchen Oxydfilmes nach Anlegen von Vakuum oder Erzeugung einer andern inerten, nicht oxydierenden Atmosphäre ist selbst bei einfachen Werkstücken kostspielig und zeitraubend. Für komplizierte Körper, wie zellenartige Gebilde aus Aluminium oder Gegenstände mit komplizierten Oberflächen, ist diese Methode jedoch völlig ungeeignet.
Die Erfindung hat ein verbessertes Verfahren zum Hartlöten von Aluminium oder dessen Legierungen ohne Verwendung eines eigenen Flussmittels zum Ziel und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Lö-
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die einen Schmelzpunkt zwischen 5500 C und dem Schmelzpunkt des am niedrigsten schmelzenden zu verlötenden Werkstoffes besitzt. Die Verwendung von ternären AI-Mg-Si-Legierungen zum Hartlöten von überwiegend Aluminium enthaltenden Gegenständen ist bekannt. Dabei wird diese ternäre Legie- rung und ein Flussmittel zwischen die zu verlötenden Teile gebracht.
Erfindungsgemäss wird jedoch ohne Flussmittel gearbeitet. Ferner kann Kupfer zugesetzt werden, um die Schmelztemperatur an der Verbindungsstelle einzuregeln bzw. die zur Hohlkehlbildung führen- den Eigenschaften zu verbessern. Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Lotlegierung erst während des Hartlötens gebildet, wobei mindestens ein Teil ihrer Komponenten an mindestens einem der zu verbindenden Teile als Überzug bzw. Verkleidung aufgebracht oder als blechförmiges oder pulverförmiges Material zwischen die Werkstücke eingebracht wird.
Einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zufolge wird eine Lotlegierung verwendet, die einen Schmelzpunkt zwischen etwa 550 und 6250 C, vorzugsweise von etwa 6150 C, hat und 3 bis 15 Gew.-%, vorzugsweise 12 bis 14 Gew.-% Si und 0, 4 bis 10 Gew. -0/0, vorzugsweise 4 bis 6 Gew. -0/0 Mg enthält und während der durch Hartlöten erfolgenden Verbindung gebildet wird.
Unerwarteterweise wurde bei Untersuchungen über das Hartlöten von Aluminiumlegierungen unter Vakuum festgestellt, dass die Anwesenheit der Elemente Magnesium und Silizium an der durch Hartlöten herzustellenden Verbindung zwischen den Metallteilen einwandfreie Lötverbindungen ohne Verwendung eines separaten Flussmittels ergab. Diese und weitere Beobachtungen sind im Zusammenhang mit Beispiel 1 und den Beispielen der Tabelle 1 näher beschrieben.
Die nachstehend angeführten Beispiele dienen jedoch nur der Erläuterung und sollen den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken. Die Zeichnung stellt ein vereinfachtes ternäres Phasendiagramm der Liquidus-Temperaturen für das Mg-Si-Al-System dar.
In verfahrensmässiger Hinsicht bezieht sich die Erfindung im wesentlichen auf eine Methode zur Herstellung einer Verbindung zwischen Werkstücken, Bauteilen od. dgl. aus Aluminium oder dessen Legierungen von beliebiger Gestalt, wie warmverformte, gegossene, gewalzte oder sonstwie geformte Körper, wobei an der Verbindungsstelle eine Aluminiumlegierung erzeugt wird, die die Elemente Silizium und Magnesium enthält und einen Schmelzpunkt zwischen etwa 5500 C und dem Schmelzpunkt des niedrigst schmelzenden der zu verbindenden Metallteile aufweist.
Es wurde auch gefunden, dass die zur Durchführung der Erfindung erforderlichen Elemente Alumi- nium, Magnesium und Silizium dadurch an der Verbindungsstelle bereitgestellt werden können, dass entweder alle diese Elemente in dem einen oder dem andern, oder einige dieser Elemente in beiden der zu verbindenden Metallteile eingeschlossen werden. Da jedoch technische Aluminiumlegierungen, die für Bauzwecke zusammengelötet werden sollen, nicht immer alle erforderlichen Elemente enthalten, können an geeigneter Stelle vorzugsweise auch Zwischenmaterialien eingesetzt werden. Solche Zwischenmaterialien sind beispielsweise (1) Verkleidungen aus Hartlötblechen für den einen oder an-
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oder (5) Draht oder (6) Kombinationen solcher Formen.
Wichtig ist dabei nur, dass die Elemente Silizium und Magnesium gleichzeitig mit Aluminium an der Hartlötstelle verfügbar gehalten werden, so dass man während des Lötvorganges an der Verbindungsstelle die erfindungsgemäss verwendete, ganz ungewöhnlich niedrig schmelzende Legierung selektiv erzeugen kann.
Zum besseren Verständnis der Vorgänge an der Lötstelle wird nun auf das in der Zeichnung dargestellte ternäre Phasendiagramm der Liquidus-Temperaturen in OC des Al-Mg-Si-Systems Bezug genommen. Ein derartiges Diagramm findet sich auf Seite 1246 der Ausgabe 1948 des"Metals Handbook", herausgegeben von der American Society for Metals, Cleveland, Ohio. Mit Bezug auf die untere linke Ecke des Diagramms mit hohen Aluminium- und niedrigen Siliziumgehalten sei bemerkt, dass es für einen Gehalt von etwa 13 Gew.-'% Silizium, etwa 5 Gew. -0/0 Magnesium und etwa 82 Gel.-% Aluminium eine eutektische Legierung gibt, die bei etwa 5510 C schmilzt.
Weiters ist zu beachten, dass die Verflüssigungstemperaturen anderer Legierungszusammensetzungen rasch ansteigen, wenn die Zusammensetzung der Legierung von dem eutektischen Punkt wesentlich abweicht, insbesondere jedoch mit steigendem Siliziumgehalt. Da es erwünscht ist, handelsübliche Aluminiumlegierungen bei Temperaturen unter etwa 6250 C hartzulöten, bezieht sich ein Merkmal der Erfindung zwecks entsprechender Einstellung des Schmelzpunktes auf die selektive Bildung an der vorgesehenen Lötstelle einer Legierung auf Aluminiumbasis mit einem Magnesiumgehalt und einem Gehalt von etwa 3 bis 15 Gew. -0/0 Sili- zium.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Magnesiumgehalt der dort gebildeten Le-
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gierung weniger als etwa 10 Gew. -0/0. Eine Überprüfung ternärer Phasendiagramme von andern Aluminiumlegierungen zeigt, dass das Auftreten dieser eutektischen Al-Mg-Si-Legierung bei etwa 5500 C ungewöhnlich ist und daher bisher auch noch nicht in seiner Bedeutung und hervorragenden Eignung im Zusammenhang mit dem Hartlöten von Aluminium oder dessen Legierungen erkannt wurde.
Beispiel 1 : Zur Erzielung hoher Geschwindigkeiten der Wärmeübertragung bei Wärmeaustau- schern erwies es sich als günstig, wabenartige Zellen aus Aluminium mit einem Aluminiumblech durch Hartlöten zu verbinden. Das zellenförmige Material bestand im wesentlichen aus Reinaluminium mit weniger als 1% Verunreinigungen, das im Handel auch mit der Nummer 1100 bezeichnet wird. Der Bauteil, an welchen die Aluminiumzellen bei diesem Beispiel angelötet wurden, war ein Hartlötblech, das im Handel auch als "Hartlötblech Nr. 23" bezeichnet wird. Das Hartlötblech bestand aus einem Grundblech mit der nominellen Zusammensetzung 0, 35 Gew.- Si, 0, 25 Gew.- Cu, 0, 60 Gew.-% Mg, Rest Aluminium.
Dieser Grundteil war mit einem Blech aus einer niedriger schmelzenden Legierung verkleidet, die mit den Aluminiumzellen in Berührung stand und aus 10 Gew.-% Si, bis zu etwa
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sowie mit einer Grundlegierung mit einem Gehalt an dem Element Magnesium in Berührung.
Die Zellstruktur aus Reinaluminium und das Hartlötblech, mit der Verkleidung aus der siliziumhältigen Legierung zwischen diesen beiden Bauteilen, wurden in einen Ofen gegeben, der dann auf einen Druck von etwa 1 X 10 mm Hg evakuiert wurde. Die Temperatur der Metallteile wurde dann auf etwa 5900 C gesteigert, während etwa einer Minute auf dieser Temperatur gehalten und dann bis beträchtlich unter den Schmelzpunkt der Hartlötlegierung herabgesetzt. Als nun wieder Luft in den Ofen gelassen wurde, wurde festgestellt, dass die einzelnen Teile einwandfrei miteinander verlötet waren, wobei an der Lötstelle hohlkehlenartige Metallausfüllungen festzustellen waren, was auf eine gute Benetzung der hartzulötenden Bauteile mit dem geschmolzenen Metall schliessen lässt.
Daraus ergab sich also, dass Bauteile, Werkstücke od. dgl. aus Aluminium und Aluminiumlegierungen in einer nicht oxydierenden Atmosphäre ohne Verwendung eines besonderen Flussmittels miteinander hartgelötet werden können.
Beispiel 2 : Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, wobei dasselbe wabenförmige Zellengebilde
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lichen Aluminium und Verunreinigungen, während das Grundblech mit einem Gehalt von 0, 35% Si, 0, 25% Cu, 0, 60% Mg, Rest Aluminium, von derselben Art wie das in Beispiel 1 verwendete war. Die Verbindung zwischen dem im wesentlichen reinen Aluminium und dem Grundteil enthielt somit die Elemente Silizium und Magnesium zusammen mit Aluminium und einem geringen Kupferanteil.
Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, wobei das Vakuum zu Beginn etwa 1, 5 X 10-4 mm Hg betrug, bei einer Löttemperatur von 5900 C und einem Vakuum am Schluss der Behandlung von etwa 2 X 10-5 mm Hg. Beim Herausnehmen der Metallteile aus dem Ofen konnte eine einwandfreie Hartlötverbindung festgestellt werden.
Da beobachtet wurde, dass zwischen Bauteilen aus im wesentlichen reinem Aluminium eine bessere Wärmeleitfähigkeit erzielt werden kann als zwischen Aluminium und Aluminiumlegierungen, und um auch um die Wirkungsweise gemäss der Erfindung besser zu verstehen, wurde eine weitere Reihe von hartgelöteten Gegenständen hergestellt und wie in den Beispielen 1 und 2 untersucht. Die nachstehende Tabelle 1 bezieht sich auf diese weiteren Versuche und veranschaulicht, abgesehen von den Versuchen 12 und 13, das Hartlöten von Zellengebilden aus im wesentlichen reinem Aluminium mit im wesentlichen reinem Aluminiumblech, die beide im Handel auch als Legierung Nr. 1100 bezeichnet werden. Die Versuche 12 und 13 betreffen das Hartlöten von reinem Aluminiumblech mit reinem Aluminiumblech.
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Tabelle 1
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<tb>
<tb> Lötverbindung <SEP> zwischen <SEP> zellenförmigem <SEP> Aluminium <SEP> und <SEP> Aluminiumblech
<tb> Versuch <SEP> Zwischenmaterialien <SEP> Vakuum <SEP> Temp. <SEP> Bemerkungen
<tb> Nr. <SEP> Legierungsblech <SEP> Pulver <SEP> Beginn <SEP> am <SEP> Ende
<tb> 3 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 1, <SEP> 5X10-4 <SEP> 2 <SEP> X10-5 <SEP> 600 <SEP> Legierung <SEP> geschmolzen, <SEP> kein <SEP> Benetzen <SEP> und
<tb> keine <SEP> Hohlkehlbildung, <SEP> keine <SEP> Hartlötung
<tb> 4 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> Mg <SEP> 3 <SEP> X10-4 <SEP> 8 <SEP> X10-5 <SEP> 605 <SEP> schlechte <SEP> Hartlötung <SEP> ; <SEP> Legierung <SEP> zu <SEP> flüssig <SEP> ;
<SEP>
<tb> Temperatur <SEP> zu <SEP> hoch
<tb> 5 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> Mg <SEP> 2, <SEP> 5 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 6, <SEP> 5XI0-5 <SEP> 590 <SEP> gute <SEP> Hartlötung
<tb> 6 <SEP> 10% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 1 <SEP> X10-4 <SEP> 1 <SEP> X10-5 <SEP> 590 <SEP> gute <SEP> Hartlötung
<tb> 50% <SEP> Cu
<tb> 7 <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 1 <SEP> X10-4 <SEP> 2 <SEP> x10-6 <SEP> 581 <SEP> keine <SEP> Hartlötung, <SEP> kein <SEP> Anzeichen <SEP>
<tb> 50% <SEP> Cu <SEP> eines <SEP> Schmelzens
<tb> 8 <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 1 <SEP> X10-4 <SEP> 6, <SEP> 5X10-5 <SEP> 600 <SEP> keine <SEP> Hartlötung, <SEP> kein <SEP> Anzeichen
<tb> 50% <SEP> Cu <SEP> eines <SEP> Schmelzens
<tb> 9 <SEP> 12% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> AI <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 2 <SEP> x10'4 <SEP> 1 <SEP> X1O-4 <SEP> 600 <SEP> gute <SEP> Hartlötung,
<SEP> Temperatur
<tb> 50% <SEP> Cu <SEP> etwas <SEP> hoch
<tb>
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T a b e l l e 1 Fortsetzung
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<tb>
<tb> Versuch <SEP> Zwischenmaterialien <SEP> Vakuum <SEP> Temp. <SEP> Bemerkungen
<tb> Nr. <SEP> Legierungsblech <SEP> Pulver <SEP> Beginn <SEP> am <SEP> Ende
<tb> 10 <SEP> 12% <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 3 <SEP> X10'4 <SEP> 1, <SEP> 8X10-5 <SEP> 608 <SEP> gute <SEP> Hartlötung, <SEP> Temperatur
<tb> 50% <SEP> Cu <SEP> zu <SEP> hoch <SEP>
<tb> 11 <SEP> 55% <SEP> Si <SEP> 3 <SEP> X10-4 <SEP> 1 <SEP> X10-4 <SEP> 600 <SEP> Hartlötung, <SEP> jedoch <SEP> schlechte <SEP> Hohlkehl-
<tb> 23% <SEP> Mg <SEP> bildung, <SEP> Temperatur <SEP> zu <SEP> niedrig
<tb> 22% <SEP> Cu
<tb> +) <SEP> 12 <SEP> 55% <SEP> Si <SEP> 3 <SEP> X <SEP> 10-4 <SEP> 1,
<SEP> 5X10-4 <SEP> 615 <SEP> gute <SEP> Hartlötung
<tb> 230/0 <SEP> Mg
<tb> 22% <SEP> Cu
<tb> +) <SEP> 13 <SEP> 50% <SEP> Mg <SEP> 1, <SEP> 5x10'4 <SEP> 2 <SEP> X10-4 <SEP> 590 <SEP> teilweise <SEP> Hartlötung, <SEP> Temperatur
<tb> 50% <SEP> Si <SEP> zu <SEP> niedrig
<tb> 14 <SEP> 101o <SEP> Si, <SEP> Rest <SEP> Al <SEP> 75% <SEP> Mg <SEP> 2, <SEP> 5X10-3 <SEP> 2 <SEP> X10-4 <SEP> 588 <SEP> gute <SEP> Hartlötung <SEP>
<tb> 25% <SEP> Cu
<tb>
+) Aluminiumblech auf Aluminiumblech.
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In Tabelle 1 sind nur die Zwischenmaterialien angeführt, wobei die die zur Verbindung gelangen- den Bauteile aus technisch reinem Aluminium bestehen. Bemerkt sei, dass manchmal ein Zwischen- blech aus einer Hartlötlegierung verwendet wird, manchmal jedoch Pulver und wieder in andern Fällen sowohl das Blech aus dem Hartlot als auch das Hartlotpulver eingesetzt werden. Es ist also klar, dass die Zwischenmaterialien in den verschiedensten Formen, wie Pulver, Blechen, Streifen, Drähten od. dgl. aus der Hartlötlegierung eingesetzt werden können.
Beim Versuch 3, wobei Silizium, aber kein Magnesium in dem zwischengelegten Legierungsblech enthalten war, konnte weder eine Benetzung oder die Bildung einer hohlkehlförmigen Metallausfüllung beobachtet, noch das Entstehen einer Lötverbindung festgestellt werden, obwohl das zwischengelegte
Legierungsblech geschmolzen war. Wurden jedoch die Materialien des Versuches 3 auch für die Ver- suche 4 und 5 verwendet, wobei natürlich auch die Temperatur richtig eingestellt und an der hartzu- lötenden Fuge für die Anwesenheit von Magnesiumpulver gesorgt werden musste, so konnte eine tadel- lose Lötverbindung erhalten werden. Beim Versuch 6 wurde der Versuch 5 wiederholt, wobei jedoch zur
Verbesserung der zur Ausbildung einer Hohlkehle führenden Eigenschaften ein Gemisch aus Kupfer- und
Magnesiumpulver verwendet wurde. Auch in diesem Fall wurde eine gute Hartlötung erzielt.
Bei den
Versuchen 7 und 8, wo zwar dasselbe pulverförmige Zwischenmaterial, jedoch ohne die Legierung mit einem Gehalt von 10% Silizium verwendet wurde, waren keinerlei Anzeichen einer Hartlötnaht festzu- stellen, selbst dann nicht, wenn die Löttemperatur erhöht wurde. Bei den Versuchen 9 und 10 wurde bei im wesentlichen der gleichen oder ein wenig höheren Temperatur als beim Versuch 8 sowie unter Ver- wendung eines Bleches aus einer Legierung mit einem Gehalt von 120/0 Silizium als Zwischenmaterial, zusammen mit dem Kupfer-Magnesium-Pulver, eine einwandfreie Hartlötung erreicht.
Die Versu- che 11, 12 und 13 zeigen, dass man mit Hilfe eines Pulvers als Zwischenmaterial zwischen zwei zu ver- lötenden Teilen aus Reinaluminium, gleichgültig ob diese Teile in komplizierter Form, wie Zellenkörper, oder aber in Blechform vorliegen, eine einwandfreie Hartlötverbindung ohne ein besonderes Flussmittel und bei richtiger Einregelung der Temperatur erhalten kann. Der Versuch 14 zeigt die Verwendung eines Legierungsbleches als Zwischenmaterial zusammen mit einem Zwischenpulver, das noch weitere geeignete Elemente, wie Kupfer, enthält, um die Schmelztemperatur und die hohlkehlbildenden Eigenschaften zu verbessern. Es ist zu erwarten, dass der Schmelzpunkt des quaternären Eutektikums des Systems Al-Mg-Si-Cu niedriger als der des ternären Eutektikums des Systems Al-Mg- - Si liegt.
Tatsächlich lässt sich auch aus Versuch 14 erkennen, dass die zu guten Resultaten führende Hartlöttemperatur niedriger ist als in zahlreichen andern Fällen, in denen keine Einregelung des Schmelzpunktes vorgenommen wurde.
Die vorstehenden Versuche erläutern ein Merkmal der Erfindung, nämlich das selektive Herabsetzen des Schmelzpunktes der zu verlötenden Teile an der gewünschten Verbindungsstelle durch Diffusion von Magnesium und Silizium. Diese Diffusion kann entweder unmittelbar von einem Metallteil in den andern oder zwischen diesen Metallteilen mit Hilfe von Zwischenmaterialien erfolgen. Es lässt sich daher erkennen, dass erfindungsgemäss die Verwendung von Metallteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen allein vorgesehen sein kann, wenn Magnesium und Silizium in diesen Legierungen in den richtigen Mengen vorhanden sind.
Ist dies nicht der Fall, so ist erfindungsgemäss die Einführung von geeigneten Zwischenmaterialien zwischen die hartzulötenden Metallteile vorgesehen, wobei die körperliche Form der Zwischenmaterialien verhältnismässig unwichtig ist, solange dieselbe überhaupt an der herzustellenden Verbindungsstelle verfügbar gehalten werden.
Das in den vorstehend beschriebenen Versuchen verwendete Pulver wurde in einem flüchtigen Vehikel, wie Methylcellosolve, suspendiert, wobei das Vehikel geeignet sein muss, das Pulver beim Aufbringen genügend lange in Suspension zu halten. Die Suspension wurde bei den obigen Beispielen auf das blechförmige Grundmaterial aus Aluminium oder der Legierung gegossen oder aufgebürstet und trocknen gelassen. Es bleibt eine dünne Pulverschicht zurück, die das Werkstück gleichförmig bedeckt.
Das dabei verwendete Magnesiumpulver war gereinigtes Magnesium, das Kupferpulver war chemisch reines Kupferpulver und das gepulverte Silizium war ebenfalls chemisch rein. Alle diese pulverförmi- gen Materialien hatten Teilchengrössen von etwa 0, 044 mm (325 Maschen). Das Kupferpulver musste jedoch vor der Verwendung desoxydiert werden, weil festgestellt worden war, dass das Kupferpulver in dem Zustand, wie es im Handel erhältlich ist, keine Legierungen bildet und daher zur Einregelung der Schmelztemperatur und der Bildung der Kehlnaht nicht verwendet werden kann. Das Kupferpulver wurde daher durch Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre bei etwa 8000 C desoxydiert. Danach wurde es in Pulverform, wie in Tabelle 1 angegeben, angewendet.
Die Versuche 12 und 13 wurden mit einem L-förmigen, oberen Bauteil aus schwerem Material
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(Dicke etwa 3, 2 mm), der auf einem flachen, unteren Teil auflag, durchgeführt. Die Temperatur wurde mit Hilfe eines Chromel-Alumel-Thermoelementes bestimmt, dessen Verbindungsstelle mit einem der Werkstücke in Berührung stand. In der obigen Tabelle 1 sowie in der gesamten vorliegenden
Beschreibung verstehen sich alle Prozentangaben als Gew. -0/0.
Es gibt verschiedene Theorien, die den Mechanismus erklären könnten, nach welchem bei Ausfüh- rung des erfindungsgemässen Verfahrens die festhaftenden Aluminiumoxyde entweder durchdrungen, ge- brochen oder abgelöst werden. Die Analyse der keramischen Ofenteile rund um die zu verlötenden Tei- le bei den obigen Versuchen zeigte auch das Vorhandensein von Magnesium, das natürlich aus der
Dampfphase niedergeschlagen worden war. Man könnte daher glauben, dass der Magnesiumdampf die
Reduktion des Aluminiumoxydes bewirkt, da Magnesium etwas reaktionsfähiger als Aluminium ist.
Wie jedoch bereits erwähnt wurde, ist Kupferpulver in der Form, wie es im Handel erhältlich ist, für das erfindungsgemässe Verfahren nicht unmittelbar verwendbar, denn es konnte festgestellt werden, dass nach Beendigung des Lötvorganges das Kupferpulver noch immer nicht absorbiert worden war und beim
Entnehmen des Werkstückes aus dem Ofen noch locker an der Oberfläche des Werkstückes auflag. Dem- gegenüber bildete desoxydiertes Kupferpulver mit dem Hartlötmaterial sehr wohl eine Legierung. Da
Kupferoxyd leichter zu reduzieren ist als Aluminiumoxyd und da Magnesium weiters wesentlich reak- tionsfähiger als Kupfer ist, wird angenommen, dass das Magnesium das Aluminiumoxyd nicht reduziert, da es ja unter den gleichen Bedingungen Kupferoxyd nicht reduziert.
Eine logisch einleuchtendere Erklärung für den Wirkungsmechanismus, der der Erfindung zugrunde- liegt, besteht darin, dass der Magnesiumdampf in den Überzug aus Aluminiumoxyd eindringt, u. zw. entweder durch Risse oder durch Poren in dieser Oxydschicht, und das darunterliegende Metall an der Lötfläche benetzt. Die dabei auftretende Oberflächenspannung reicht aus, um den Oxydfilm von dem
Metall, auf dem er ursprünglich entstanden war, abzulösen, und möglicherweise auch dazu, den Oxyd- überzug aufzubrechen und dadurch eine innige Berührung zwischen dem geschmolzenen Hartlot und den zwei zu lötenden Komponenten zu ermöglichen.
Die Poren oder Risse in dem festhaftenden Aluminiumoxydüberzug sind so klein, dass die Oberflächenspannung des geschmolzenen Metalles nicht für das Eindringen in den Oxydüberzug ausreichen würde, wogegen die Metalldämpfe aber eindringen können. Dieser Wirkungsmechanismus ist von A. J. Wall und D. R. Milner in einer Arbeit unter demTitel"Wetting and Spreading Phenomena in a Vacuumtt beschrieben worden, die in dem Journal of the Institute of Metals vom Juni 1962 auf Seite 394 veröffentlicht wurde. Diese Arbeit beschreibt das mechanische Entfernen eines Oxydfilmes durch das Kriechen des benetzenden Metalles, das in den Film eingedrungen ist.
Wie bereits erwähnt, lässt sich eine Verbesserung der Metallausfüllung unter Hohlkehlbildung sowie eine Regulierung des Schmelzpunktes durch Einführen von desoxydiertem Kupfer erzielen. Es wird angenommen, dass ein Zusatz von andern geeigneten metallischen Elementen zur Einstellung der Eigenschaften der Hartlötverbindung durchaus möglich ist, wobei man eine Gruppe von Legierungen erhält, die dieselben niedrigen Schmelzpunkte aufweist, wie sie in dem weiter oben beschriebenen bestimmten Bereich im ternären Eutektikum des Systems Al-Mg-Si erhalten werden.
Es wurde daher festgestellt, dass beim Hartlöten von Aluminium oder dessen Legierungen das Eindiffundieren von Magnesium und Silizium in die zu verlötenden Metallteile an der vorgesehenen Lötstelle an eben dieser Stelle den Schmelzpunkt selektiv erniedrigt und daher eine wesentliche Verbesserung bei der Hartlötung von Werkstücken aus Aluminium darstellt. Ausserdem stellt das Einführen einer speziellen Hartlötlegierung zwischen den zu verbindenden Teilen aus im wesentlichen reinem Aluminium ein ungewöhnliches, aber sehr brauchbares Hilfsmittel auf dem Gebiete des Hartlötens von Metallen dar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wobei ein Hartlot zwischen die zu verbindenden Teile eingebracht und diese mit dem Lot in einer nicht oxydierenden Atmosphäre erhitzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten in Abwesenheit eines Flussmittels mit einer Lotlegierung, bestehend aus 1 bis 15 Gel.-% Silizium, mindestens 0, 4 Gew.-% Magnesium, 0 bis 25 Gel.-% Kupfer, Rest Aluminium, vorgenommen wird, die einen Schmelzpunkt zwischen 5500 C und dem Schmelzpunkt des am niedrigsten schmelzenden zu verlötenden Werkstoffes besitzt.