CN106029296A - 用于对铝合金进行钎焊的焊剂 - Google Patents

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Abstract

含镁铝合金可以通过使用包含氟铝酸钾的焊剂混合物或焊剂组合物来钎焊，该氟铝酸钾基本上是作为四氟铝酸一钾存在的。该焊剂混合物或焊剂组合物进一步包含镁相容性试剂，例如氟铝酸铯或者钾或铯的氟锌酸盐。

Description

用于对铝合金进行钎焊的焊剂
本申请要求美国临时申请号61/918012的优先权，出于所有的目的将该申请的全部内容通过引用结合在此。
本发明涉及适合用于钎焊含有镁的铝合金的方法和焊剂。
美国专利4,670,067和4,689,092披露了用于钎焊含镁铝合金的混合物。它们含有氟铝酸铯混合氟化铝或氟铝酸钾。
EP-A 1466691披露了使用具有式KxZnyFz的氟铝酸钾钎焊含镁铝合金，其中x、y和z是正整数。根据特定的平均温度升高速率进行有待钎焊的零件的加热。
EP-A 1803525披露了含镁铝合金的钎焊方法，其中氟铝酸钾是主要成分。在该方法中，该填充剂材料的初始流化温度与该焊剂的初始流化温度相等或高出最大15℃。
本发明的目的是提供用于钎焊含镁铝合金、尤其是具有按重量计等于或大于0.5％的镁含量的那些的改进的方法。另一个目的是提供适合于这个目的的焊剂。这些和其他目的通过本发明得以实现。
本发明的用于钎焊含镁铝合金的方法包括以下步骤，其中施加含有氟铝酸钾和至少一种选自由金属氟代金属酸盐组成的组的镁相容性化合物的焊剂混合物，其条件是氟铝酸钾基本上作为四氟铝酸一钾存在。
本发明的另一个实施例提供了适合用于钎焊含镁铝合金的焊剂混合物。本发明的焊剂混合物含有氟铝酸钾和至少一种选自由金属氟代金属酸盐组成的组的镁相容性化合物，其条件是氟铝酸钾基本上作为四氟铝酸一钾存在。在本发明中氟铝酸一钾被认为不是“金属氟代金属酸盐”的组的成员。
在下文中，详细解释该焊剂混合物(并且因此，还有根据本发明的使用这种焊剂混合物的钎焊方法)。
术语“氟铝酸钾”表示KAlF4、K2AlF5、K3AlF6和其水合物的总和。
术语“基本上”优选表示该氟铝酸钾含有按重量计等于或大于97％、优选按重量计等于或大于98％、仍更优选地按重量计等于或大于99％的四氟铝酸一钾。术语“四氟铝酸一钾”和“氟铝酸一钾”在本发明的上下文中是可互换的。
在该“氟铝酸钾”中至按重量计100％的余量，如果不是由100％的KAlF4构成，优选地由K2AlF5和/或其水合物构成。在该“氟铝酸钾”中K3AlF6的含量优选是按重量计等于或小于1％，包括按重量计0％。
术语“镁相容性”表示如果与氟铝酸钾一起施用改进氟铝酸钾特性以便通过钎焊结合含镁合金的化合物；有待改进的特性是例如，铝合金表面的湿润度和/或该填焊金属的铺展。优选的镁相容性金属氟代金属酸盐是钾或铯的氟锌酸盐以及优选地氟铝酸铯。优选的钾或铯的氟锌酸盐具有通式KxZnFy或CsxZnFy，其中x和y是由1≤x≤3定义的整数，并且y是4≤x≤6，其条件是(x+3)＝y。还可以应用具有几个金属酸盐中心的化合物，例如K3Zn2F9(＝KZnF4·K2ZnF5)。可以以单一化合物的形式应用这些氟锌酸盐。例如，KZnF4、K2ZnF5或K3ZnF6、CsZnF4、Cs2ZnF5或Cs3ZnF6可以被用作单一化合物。还有可能应用含有这些化合物中的两种或多种的混合物。
如上所提及的，优选的相容性化合物选自氟铝酸铯的组。术语“氟铝酸铯”表示由铯、铝和氟组成的化合物(除去不希望的杂质之外)。通式是CsaAlFb，其中a和b是由1≤a≤3定义的整数，并且y是4≤b≤6，其条件是(a+3)＝b。优选的化合物是CsAlF4、Cs2AlF5、Cs3AlF6，对应的具有几个金属酸盐中心的化合物，例如，Cs3Al2F9(＝CsAlF4·Cs2AlF5)，或这些氟铝酸铯的一种或多种的混合物。CsAlF4，任选地含有最高达按重量计5％的Cs2AlF5或Cs3AlF6，是最优选的镁增容剂。
该相容性化合物优选地以按重量计等于或大于1％的量存在于该焊剂中(相对于被设定为按重量计100％的氟铝酸钾加上相容性试剂的总和)。
该相容性化合物优选地以按重量计等于或低于20％的量存在于该焊剂中(相对于被设定为按重量计100％的氟铝酸钾加上相容性试剂的总和)。
鉴于优选的实施例，氟铝酸铯的存在，在由氟铝酸一钾和氟铝酸铯构成的混合物中铯的含量优选地是按重量计等于或低于10％。在由KAlF4和CsAlF4组成的焊剂混合物中，按重量计10％的铯的含量对应于在该混合物中按重量计17.75％的CsAlF4的含量。铯的含量可以甚至是按重量计高于10％，但铯化合物是昂贵的，并且成本可能比可接受的更高。
更优选地，铯在由氟铝酸一钾和氟铝酸铯构成的焊剂混合物中的含量是按重量计等于或低于5％。特别优选地，该铯含量是按重量计等于或小于所述组合物的3.5％。
优选地，在由氟铝酸一钾和氟铝酸铯构成的组合物中的铯的含量是按重量计等于或大于1％，更优选地，在由氟铝酸一钾和氟铝酸铯构成的焊剂混合物中它是按重量计等于或大于1.5％、特别优选地按重量计等于或大于2％。
在前述计算中，术语“氟铝酸一钾”的使用包括按重量计最高达3％的K2AlF5、K3AlF6、其混合物或水合物的存在。为了计算的简化起见，如果氟铝酸一钾是与按重量计最高3％的如以上进一步概述的所述杂质一起存在于该焊剂中，则氟铝酸一钾和这些杂质的总和被认为构成“氟铝酸一钾”。
在该焊剂混合物中四氟铝酸一钾的含量优选地是按该焊剂混合物的总干重计算按重量计等于或大于8％。在该焊剂混合物中四氟铝酸一钾的含量优选地是按该焊剂混合物的总干重计算按重量计等于或低于99％。
该四氟铝酸一钾、氟铝酸铯以及钾或铯的氟锌酸盐是已知的化合物并且是可商购的。
四氟铝酸一钾可以通过呈约1:4的摩尔比率的Al(OH)3与HF反应随后用KOH碱液中和制备。K:Al:F的总摩尔比率是约1:1:4。
类似地，氟铝酸铯可以由Al(OH)3、HF和CsOH溶液制备。为了产生CsAlF4，Cs:Al:F的摩尔比率是约1:1:4；为了产生Cs2AlF5，该摩尔比率是约2:1:5，并且为了产生Cs3AlF6，该摩尔比率是约3:1:6。如果希望的话，在1:1:4至3:1:6之间的任何比率提供合适的氟铝酸铯。
氟锌酸盐可以是例如如在美国专利6,743,409中描述的来制备。取决于所希望的颗粒尺寸，将碱金属氢氧化物、氧化锌和氢氟酸混合，或者将氟化氢和氧化锌混合并且加入碱金属氢氧化物，或者将氧化锌和氢氟酸混合并且加入碱金属氟化物。
可以原样使用四氟铝酸一钾和相容性化合物的以上描述的混合物，该相容性化合物优选是四氟铝酸铯或者钾或铯的氟锌酸盐。
以上提及的混合物可以另外含有改进钎焊过程或钎焊的产品的添加剂。例如，该焊剂混合物可以含有焊料金属(又称为填焊金属)或填焊金属前体(例如，硅、锗或铜)、或碱金属氟硅酸盐。此类填焊金属或焊料金属前体的量，如果存在的话，是优选地按重量计等于或者20％至50％的由四氟铝酸一钾和相容性化合物以及该填焊金属或填焊金属前体构成的焊剂混合物的总和。碱金属氟硅酸盐的含量可以甚至是按重量计高于50％。
如在US 2007/0277908和WO 2007/131993中描述的，该焊剂混合物还可以含有金属盐，这些金属盐改进钎焊过程或钎焊零件的表面品质。例如，可以添加锡、镧、铈、铋、钇、锆或钛化合物，尤其是氟化物，或者Li3AlF6、LiF和其他Li盐，例如LiOH或Li2CO3。此类金属盐的含量优选地是等于或小于按重量计6％、更优选地等于或小于按重量计5％的该干焊剂混合物的总重量。
该焊剂混合物，任选地包括添加剂(像以上描述的那些)，可以例如以静电方式或等离子体辅助的(例如通过施加低温等离子体)作为干粉原样应用。
可替代地，可以根据该湿式助熔法来施用该焊剂。在该湿式助熔法中，施加了含有该焊剂混合物以及另外的组分的焊剂组合物。该焊剂组合物可以通过喷洒、涂覆或印刷到有待通过钎焊结合的这些零件的至少一个上施用。
含有上述焊剂混合物的用于湿法施用的焊剂组合物是本发明的另一个实施例。现在将对这种焊剂组合物(以及因此还有根据本发明可以施用该焊剂组合物的钎焊方法)进行详细说明。
本发明的焊剂组合物含有在水、无水有机液体或水性有机液体中悬浮的焊剂混合物。优选的液体是具有在环境压力(1巴绝对值(abs))下等于或低于350℃的沸点的那些。术语“悬浮在水中”不排除该焊剂组合物的一部分溶解于该液体中；这可能是尤其当含有水或水性的有机液体时的情况。优选的液体是去离子水，一元、二元或三元的脂肪醇，尤其是具有1到4个碳原子的那些，例如甲醇、乙醇、异丙醇、或乙二醇，或乙二醇烷基醚，其中烷基优选表示直链或支链的脂肪族C1到C4烷基。非限制性实例是乙二醇单烷基醚，例如2-甲氧乙醇或二乙二醇，或乙二醇二烷基醚，例如二甲基乙二醇(二甲氧基乙烷)。
在一个优选的实施例中，该焊剂混合物是以焊剂组合物的形式存在的，其中该焊剂混合物是悬浮在液体中，该液体还包含粘合剂。粘合剂改进了例如焊剂混合物在它们施用到有待钎焊的部件上之后的附着性。因此，使用包括焊剂混合物、粘合剂以及水、有机液体或水性有机液体的焊剂组合物的湿式助熔法是本发明的钎焊方法的优选的实施例。
合适的粘合剂可以选自由有机聚合物所构成的组。此类聚合物是用物理方式干燥的(即，在去除液体之后它们形成固体涂层)，或它们是用化学方式干燥的(例如，在氧或引起分子间交联的光的影响下，它们可以形成固体涂层)，或二者兼有。合适的聚合物包括聚烯烃，例如丁基橡胶、聚氨酯、树脂、邻苯二甲酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基树脂、环氧树脂、硝化纤维、聚乙酸乙烯酯、或聚乙烯醇。含有水(作为液体)以及水溶性聚合物(例如聚氨酯)的焊剂组合物是尤其合适的，因为它们具有以下优点，即在钎焊过程中，蒸发的是水而不是可能可燃的有机液体。
这些组合物可以进一步包括改进该组合物的特性的其他添加剂，例如，悬浮稳定剂(例如黄原胶或聚乙二醇)、表面活性剂(例如聚乙二醇对(1,1,3,3四甲基丁基)-苯基醚(以Triton可得的)、Tetraoxo癸酸、Antarox (乙氧基化的丙氧基化的C8-C10醇的混合物，从罗地亚(Rhodia)可得)、增稠剂(例如甲基丁基醚)、或触变剂(例如明胶或果胶)。
在整个组合物(若存在的话，包括一种或多种液体、触变剂、表面活性剂以及粘合剂)中的焊剂混合物(包括填焊金属、填焊前体、添加剂，例如改进钎焊或表面特性的金属盐)的含量总体上是等于或大于按重量计0.75％。优选地，它是等于或大于按重量计1％。更优选地，在该组合物中的焊剂混合物含量是等于或大于总焊剂组合物的按重量计5％、非常优选等于或大于按重量计10％。
总体上，该组合物中的焊剂混合物含量是等于或低于按重量计70％。优选地，它等于或低于按重量计50％。
粘合剂(若存在的话)总体上以等于或大于总焊剂组合物的按重量计0.1％的量包含在内。优选地，粘合剂(若存在的话)以等于或大于总焊剂组合物的按重量计1％的量包含在内。粘合剂(若存在的话)总体上以等于或低于总组合物的按重量计30％的量包含在内。优选地，粘合剂(若存在的话)以等于或低于按重量计25％的量包含在内。
触变剂(若存在的话)总体上以等于或大于总焊剂组合物的按重量计1％的量包含在内。总体上地，它(若存在的话)以等于或低于按重量计20％的量包含在内。优选地，它(若存在的话)以等于或低于总焊剂组合物的按重量计10％的量包含在内。
增稠剂(若存在的话)总体上以等于或大于总焊剂组合物的按重量计1％的量包含在内。优选地，它以等于或大于按重量计5％的量包含在内。经常增稠剂(若存在的话)以等于或低于总组合物的按重量计15％的量包含在内。增稠剂(若存在的话)优选地以等于或低于按重量计10％的量包含在内。
高度适合的湿法施用的焊剂组合物含有按重量计10％到70％的焊剂混合物(包括填焊金属、填焊前体、改进钎焊或表面特性的添加剂，例如金属盐)、按重量计1％到25％的粘合剂、按重量计0％到15％的增稠剂、按重量计0％到10％的触变剂、以及按重量计0％到5％的表面活性剂或悬浮稳定剂，按重量计达到100％的其余部分是水、有机溶剂或水性有机溶剂。
在一个特别的实施例中，该焊剂组合物没有任何水或是无水的或水性的有机液体，但是含有如上述的焊剂混合物(可任选地改进钎焊的方法或钎焊的产品的特性的添加剂，例如上述的那些)、以及作为粘合剂的水溶性有机聚合物，该聚合物是以用于焊剂的可溶性包装的形式存在的。例如，聚乙烯醇是非常适于作为水溶性包装用于如在美国专利申请公开2006/0231162中描述的焊剂混合物。
干焊剂混合物可以根据已知的方法施加，例如，如以上提及的以静电方式。可替代地，它们可以由在WO 2006/100054中描述的等离子体方法施加。在这种方法中，精细分离的焊剂粉末通过低温度等离子体束部分地熔融并且喷涂到有待结合的铝零件的表面上。
还可以根据本领域中已知的方法施用湿的焊剂组合物。例如，它们可以被喷涂到该表面上，形成涂覆的零件；可以通过将有待钎焊的这些铝零件浸没到该焊剂组合物中来施加，由此形成涂覆的零件；通过将该焊剂组合物涂覆或印刷到有待钎焊的这些铝零件上从而形成涂覆的零件。必须记住，术语“铝”包括铝合金，尤其是含镁的合金。可以将处于包装的形式的含有焊剂混合物以及水溶性粘合剂的无液体的焊剂组合物在使用之前放入水中，以形成含有悬浮的焊剂混合物以及溶解的粘合剂的水性焊剂组合物。
总体而言，将用湿的焊剂组合物涂覆的零件进行干燥(对于根据干法涂覆的零件这当然不是必需的，除非人们应用氟铝酸盐水合物并且在钎焊过程开始之前想要去除结晶水)。
对于钎焊，(如果根据湿法涂覆，在干燥之前或之后)组装并且加热有待通过钎焊而结合这些涂覆的零件，以便提供可接受的接合点。经常地，将这些组装的零件加热到等于或低于650℃、优选地等于或低于620℃的温度。优选地，将它们加热到在从约560℃至约615℃的范围内的温度。这可以在惰性气体氛围中，例如在氮气或氩气氛围中进行。
本发明的焊剂混合物和焊剂组合物尤其适合于钎焊含镁铝合金、尤其是含有按重量计等于或超过0.3％的镁的铝合金。它们适合用于含有按重量计等于或低于1.5％的量的镁的铝合金，并且更优选地，适合用于含有按重量计等于或低于1.0％的量的镁的铝合金。如果希望的话，这些焊剂混合物和焊剂组合物还可以用于钎焊不含镁的铝零件。
通过如以上描述的焊剂混合物或焊剂组合物涂覆的由铝或铝合金制成的零件也是本发明的实施例。
通过钎焊由铝或铝合金制成的至少两个零件制备的钎焊的零件是本发明的另一个实施例，其中至少一个零件是通过如以上描述的焊剂混合物或焊剂组合物涂覆的零件。
如果通过引用结合在此的任何专利、专利申请、和公开物的披露内容与本申请的说明相冲突的程度到了可能使术语不清楚，则本说明应该优先。
以下这些实例进一步详细地描述了本发明，而无意限制本发明。
实例：
实例1：使用含有2％的Cs的KAlF4钎焊具有按重量计0.4％的镁的Mg-Al合金
将KAlF4与CsAlF4混合，这样产生含有2％的Cs的混合物(作为CsAlF4)。将异丙醇加入到该混合物中以提供非常均匀的混合物。
用该悬浮液涂覆包覆有填焊金属(AlSi4343)的具有0.4％的Mg的铝镁合金的呈试件形式的铝零件。蒸发溶剂，并且获得具有5-7g/m2的焊剂负载的零件。将铝角形件放置到这些负载有焊剂的零件上，并且将所获得的组件置于钎焊炉中。以30℃/min的加热速率加热该该炉。获得被完全钎焊的钎焊组件。
对比实例1：使用含有2％的Cs的KAlF4/K2AlF5混合物钎焊具有按重量计0.4％的镁的Mg-Al合金
将KAlF4(约20％)和K2AlF5(约80％)的混合物与CsAlF4混合，这样产生含有2％的Cs的混合物(作为CsAlF4)。将异丙醇加入到该混合物中以提供非常均匀的混合物。
用该悬浮液涂覆包覆有填焊金属(AlSi4343)的具有0.4％的Mg的铝镁合金的呈试件形式的铝零件。蒸发溶剂，并且获得负载有焊剂的零件。将铝角形件放置到这些负载有焊剂的零件上，并且将所获得的组件置于钎焊炉中。以30℃/min的加热速率加热该该炉。为了获得完全钎焊的钎焊组件，需要至少10g/m2的焊剂负载。
实例2：使用含有3％的Cs的KAlF4钎焊具有按重量计0.8％的镁的Mg-Al合金
重复实例1，但是这时，与KAlF4混合的氟铝酸铯的量是使得获得含有3％的Cs(作为CsAlF4)的KAlF4；并且使用含有按重量计0.8％的镁的镁铝合金。这时，焊剂负载是10g/m2。在该钎焊炉中的加热速率又是30℃/min。再一次，获得完全钎焊的零件。
实例3：使用含有3.5％的Cs的KAlF4钎焊具有按重量计1％的镁的Mg-Al合金
重复实例1，但是这时，使用更少包覆的含有按重量计1％的镁的镁铝合金板。此时，焊剂负载是15g/m2。将铝角形件放置到该板上，并且以小棒(线的棒或块)的形式将该填焊金属加入至板和角形件的接触点(因此，不使用复合板)。该组件的加热如实例1中的进行。
即使使用使得更难获得良好的接合点的填焊金属(没有被镀到该Al合金零件上的棒)的松弛件，也能获得完全钎焊的零件。

Claims (15)

1.一种焊剂混合物，包含氟铝酸钾和至少一种选自由金属氟代金属酸盐组成的组的镁相容性化合物，其条件是氟铝酸钾基本上作为四氟铝酸一钾存在。
2.如权利要求1所述的焊剂混合物，其中在被设定为按重量计100％的该氟铝酸钾中四氟铝酸一钾的含量是按重量计等于或大于97％。
3.如权利要求1或2所述的焊剂混合物，其中，按该焊剂混合物的总干重计算，该四氟铝酸一钾的含量是按重量计等于或低于99％并且按重量计等于或大于80％。
4.如权利要求1、2或3所述的焊剂混合物，其中该金属氟代金属酸盐是选自下组，该组由氟铝酸铯、氟锌酸钾和氟锌酸铯组成。
5.如权利要求4所述的焊剂混合物，包含作为金属氟代金属酸盐的四氟铝酸铯。
6.如权利要求1至5中任一项所述的焊剂混合物，其中，包含该焊剂混合物的总干重的按重量计等于或大于1％、并且按重量计等于或低于20％的量的该金属氟代金属酸盐。
7.如权利要求1所述的焊剂混合物，进一步包含至少一种添加剂，该至少一种添加剂选自下组，该组由以下各项组成：填焊金属、填焊金属前体、和金属盐，这些金属盐改进钎焊过程或这些钎焊的零件的表面品质。
8.一种焊剂组合物，包含如权利要求1至7中任一项所述的焊剂混合物以及粘合剂或粘合剂和选自下组的液体，该组由水、有机液体和水性有机液体组成。
9.如权利要求1所述的焊剂组合物，其中该液体是水、C1至C4醇或乙二醇单烷基醚或乙二醇二烷基醚。
10.如权利要求8或9所述的焊剂组合物，其中，该粘合剂是选自由以下各项组成的聚合物的组：聚烯烃、聚氨酯、树脂、邻苯二甲酸酯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、乙烯基树脂、环氧树脂、硝化纤维、聚乙酸乙烯酯以及聚乙烯醇。
11.如权利要求8所述的焊剂组合物，其中该焊剂组合物不含有任何水或是无水的或水性有机液体，该焊剂组合物包含如权利要求1至7中任一项所述的焊剂混合物、选自由水溶性有机聚合物组成的组的粘合剂，并且其中该粘合剂被安排为用于该焊剂的包装。
12.一种钎焊由铝或铝合金制成的零件的方法，其中，这些零件在根据权利要求1至7中任一项所述的焊剂混合物或根据权利要求8至11中任一项所述的焊剂组合物存在下组装。
13.如权利要求12所述的方法，其中钎焊由含镁铝合金制成的零件，其中该含镁合金包含按重量计0.3％至1.5％的镁。
14.由铝或铝合金制成的零件，该零件由根据权利要求1至7中任一项所述的焊剂混合物或根据权利要求8至11中任一项所述的焊剂组合物涂覆。
15.通过钎焊由铝或铝合金制成的至少两个零件制备的钎焊的零件，其中至少一个零件是根据权利要求14所述的零件。
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