DE10049315A1

DE10049315A1 - Flußmittel für die Trockenapplikation

Info

Publication number: DE10049315A1
Application number: DE10049315A
Authority: DE
Inventors: Hans-Walter Swidersky; Alfred Ottmann; Heinz-Joachim Belt
Original assignee: Solvay Fluor und Derivate GmbH
Current assignee: Solvay Fluor GmbH
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2001-04-26
Also published as: KR20020021679A; TW523437B; DE50003674D1; KR100734411B1; UA71644C2; JP5241463B2; MY124744A; ZA200200884B; JP2009061507A

Abstract

Beschrieben wird ein Flußmittel auf Basis von Alkalifluoraluminat, welches sehr gut für die Trockenapplikation ("dry fluxing") geeignet ist. DOLLAR A Dabei handelt es sich um ein Flußmittel, welches frei ist von Feinkornanteil, welches durch einen Bereich der Korngrößenverteilung definiert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flußmittel, welches zur Trockenapplikation verwendbar ist, und seine Verwendung als Lötflußmittel.

Seit vielen Jahren ist es bekannt, Bauteile aus Alumi nium oder Aluminiumlegierungen, insbesondere Wärmetauscher für die Automobilindustrie, unter Verwendung von Flußmitteln auf Basis von Alkalifluoraluminat miteinander zu verlöten. Dabei wird das Flußmittel üblicherweise als wäßrige Suspen sion auf die Wärmetauscher aufgesprüht. In Anwesenheit eines Lotes oder einer lotbildenden Vorstufe wie Siliciumpulver oder Kaliumfluorsilikat bildet sich beim Erhitzen der Bau teile auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Flußmittels eine stabile, nichtkorrosive Verbindung. Aus der DE-OS 197 49 042 ist zwar bereits ein Verfahren bekanntgewor den, mit welchem das bei dieser Verfahrensweise anfallende Abwasser im Kreislauf geführt werden kann. Andere Verfahrens parameter sind jedoch kritisch: Man muß die Konzentration der Flußmittelaufschlämmung kontrollieren, die Wärmetauscher müs sen vor dem Erhitzen getrocknet werden, die Flußmittelauf schlämmungen, die ebenfalls im Kreislauf geführt werden, kön nen Verunreinigungen aufnehmen. Diese Nachteile können ver mieden werden, wenn man das Flußmittel trocken auf die zu verbindenden Bauteile aufbringt. Dies ist der Fall beim "Dry- Flux-Verfahren". Dabei wird das trockene Flußmittelpulver elektrostatisch auf die Bauteile aufgebracht. Vorteil ist, daß keine Aufschlämmungen hergestellt werden müssen, daß man die Konzentration der Aufschlämmung nicht kontrollieren muß, daß keine separate Trockenstufe für die Bauteile vorgesehen werden muß und daß kein Abwasser anfällt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Flußmit tel auf Basis von Alkalifluoraluminat anzugeben, welches pneumatisch gut förderbar ist, welches gut trocken versprüht werden kann und welches auf den besprühten Bauteilen gut haf tet und sich deshalb für die Methode der Trockenapplikation ("dry fluxing") eignet. Diese Aufgabe wird durch das in den Ansprüchen angegebene Flußmittel gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Partikelgröße bzw. die Korngrößenverteilung der Alkalifluor aluminatflußmittel einen Einfluß auf den pneumatischen Trans port, die Sprühbarkeit und das Haftvermögen der Flußmittel teilchen auf den Bauteilen hat. Es wurde gefunden, daß es von Vorteil ist, wenn kleinere und größere Partikel im Flußmittel enthalten sind und ihr Verhältnis bestimmten Regeln unterwor fen wird.

Das erfindungsgemäße, zur Trockenapplikation ("dry- fluxing") brauchbare Flußmittel auf Basis von Alkalifluoralu minat ist dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenverteilung der Partikel im wesentlichen innerhalb der Kurven 1 und 2 der Fig. 10 liegt. Die Partikelgrößenverteilung wurde mittels Laserbeugung bestimmt.

Bei einem bevorzugten Flußmittel liegt die Volumenver teilung der Partikel im wesentlichen innerhalb der Kurven 1 und 2 der Fig. 11.

Fig. 10 gibt die untere Grenze (Kurve 1) und die obere Grenze (Kurve 2) für Volumenverteilungskurven brauchbarer Pulver im Sinne der vorliegenden Erfindung wieder. Dabei han delt es sich um die Volumenverteilung in % der Pulver, kumu liert, aufgetragen gegen die Partikelgröße. Flußmittelpulver, deren kumulierte Volumenverteilung auf oder innerhalb der Kurven 1 und 2 der Fig. 10 liegen, sind Pulver im Sinne der Erfindung.

Die kumulierte Volumenverteilung der Kurven 1 und 2 der Fig. 10 gegen die Partikelgröße ist in der folgenden Tabelle A zusammengestellt.

Tabelle A

Kumulierte Volumenverteilung gegen Partikelgröße der Kurven 1 und 2 der Fig. 10

Lesebeispiel: 40% des Volumens entfallen auf Partikel mit einem Durchmesser 12,5 µm oder weniger.

Es wurde festgestellt, daß Flußmittel mit einer kumu lierten Volumenverteilung auf oder innerhalb der Kurven 1 und 2 der Fig. 11 besonders vorteilhafte Dry-Flux-Eigenschaften aufweisen. Tabelle B gibt die Zahlenwerte der kumulierten Volumenverteilung gegen die Partikelgröße der Kurven 1 und 2 der Fig. 11 wieder.

Tabelle B

Kumulierte Volumenverteilung der Partikelgröße der Kurven 1 und 2 der Fig. 11

Das erfindungsgemäße Material kann durch Absieben uner wünschter Kornanteile, durch Vermischen von Material mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung erhalten werden.

Der Sprühfaktor liegt bevorzugt bei 25, vorzugsweise bei 35, insbesondere bei 45 oder höher, das dabei bestimmte Ver hältnis H_fluid : H₀ bei mindestens 1,05. Die obere Grenze für den Sprühfaktor lag bei 85, vorzugsweise 83,5. Die Ermittlung des Sprühfaktors und des Verhältnisses von H_fluid zu H₀ (Höhe des expandierten Pulvers zum nichtexpandiertem Pulver) wird weiter unten beschrieben.

Das erfindungsgemäße Material eignet sich sehr gut zur Verwendung als Flußmittel im Dry-Fluxing-Verfahren. Dabei wird das Pulver durch Druckluft oder Stickstoff aus dem Vor ratsbehälter in eine "Sprühkanone" eingebracht und dort elek trostatisch aufgeladen. Das Pulver verläßt dann den Sprühkopf der Sprühkanone und trifft auf die zu verlötenden Bauteile auf. Die zu verlötenden Bauteile werden dann, gegebenenfalls unter Zusammenfügen, in einem Lötofen, meist unter Inertgas für Stickstoff, oder durch Flammlöten verlötet.

Das erfindungsgemäße Pulver weist gegenüber bekannten Flußmitteln anwendungstechnische Vorteile auf. Beispielsweise hat es ein sehr gutes Fließverhalten. Dies wird auf die aus gewählte Verteilung der Partikelgröße zurückgeführt. Dieses gute Fließverhalten führt dazu, daß die Tendenz zu Verstop fungen ("Build-up") verringert wird. Das Material läßt sich sehr gut elektrisch aufladen. Das Material haftet sehr gut auf den zu verlötenden Bauteilen. Der Materialfluß ist sehr gleichförmig.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert, ohne sie in ihrem Umfang einzuschränken.

Beispiele Bestimmung der Volumenverteilung

System: Sympatec HELOS
Hersteller: Sympatec GmbH, System-Partikel-Technik

Aufbau

Messgerät zur Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen von Feststoffen mittels Laserbeugung.

Das Gerät besteht aus folgenden Komponenten: Laserlichtquelle mit Strahlformung, Messzone, in der die zu vermessenden Partikel mit dem Laserlicht wechselwirken, einer Abbildungsoptik, welche die Winkelverteilung des gebeugten Laserlichtes in eine Ortsverteilung auf einem Photodetektor umwandelt, einem Multielement-Photodetektor mit Autofokus Einheit und nachgeschalteter Elektronik, welche die gemessene Intensitätsverteilung digitalisiert.

Die Berechnung der Partikelgrößenverteilung erfolgt mittels der Software WINDOX. Das Prinzip beruht auf der Auswertung der gemessenen Intensitätsverteilung des Beugungsmusters (n. Fraunhofer). Im vorliegenden Fall HRLD (high resolution Laser diffraction). Die Partikelgröße von nicht kugelförmigen Partikeln wird als Äquivalentdurchmesserverteilung beugungs gleicher Kugeln wiedergegeben. Vor der Messung müssen Agglo merate in Einzelpartikel zerlegt werden. Das zur Messung er forderliche Aerosol des Pulvers wird in einem Dispergierge rät, hier System RODOS erzeugt. Die gleichmäßige Zufuhr des Pulvers in das Dispergiergerät erfolgt mittels Schwingrinne (VIBRI).
Messbereich: 0,45. . .87,5 µm
Auswertung: HRLD (Version 3.3 Rel. 1)

Dichte der Probe

Einstellung: 1 g/cm³

Formfaktor: 1 Komplexer Brechungsindex m = n - ik; n = 1; i = 0

Auswertung

x ist der Partikeldurchmesser in µm.
Q³

ist der kumulierte Volumenanteil in % der Partikel bis zum aufgeführten Durchmesser.
q³

ist die Dichteverteilung bei dem Partikeldurchmesser x
x10 ist der Partikeldurchmesser bei dem der kumulierte Volumenanteil 10% erreicht.
c_opt ist die optische Konzentration (Aerosoldichte) die bei der Messung auftrat.
M1,3 und Sv wurden nicht zur Auswertung herangezogen.

Ausgangsmaterial

Zwei Pulver aus Kaliumfluoraluminat mit unterschiedlicher Korngrößenverteilung wurden hinsichtlich ihrer Eigenschaften zum Trockenbefluxen untersucht. Die Pulver sind durch Absie ben unerwünschter Kornfraktionen erhältlich. Im folgenden ist die Korngrößenverteilung (Volumenverteilung) tabellarisch zu sammengestellt. Die Partikelgrößenverteilung des Pulvers 1 ("gröberes" Material) sind in Fig. 1, des Pulvers 2 ("feine res" Material) in Fig. 2 optisch dargestellt.

Tabelle 1

Volumenverteilung des Pulvers 1

Tabelle 2

Volumenverteilung des Pulvers 2

Zunächst wurde die Fluidisierbarkeit sowie die Fließfähigkeit der Pulver 1 bzw. 2 und bestimmter Mischungen von beiden untersucht.

Verwendete Apparatur und Durchführung

1 Meßgerät zur Ermittlung der Pulver-Fluidisierbarkeit und Pulver-Fließfähigkeit (Binks-Sames powder fluidity indicator AS 100-451 195) wurde auf eine Vibrationseinheit (Fritsch L-24) aufgebaut. Das Meßgerät weist einen Fluidisierungszy linder mit poröser Membran am Boden auf. 250 g des jeweils zu untersuchenden Pulvers wurden in den Zylinder eingebracht, die Vibrationseinheit eingeschaltet und ein gleichförmiger (Kontrolle durch Durchflußmesser) Strom von trockenem Stick stoff durch die poröse Membrane in das Pulver eingeleitet. Das Pulver expandiert; zur Gleichgewichtseinstellung ließ man 1 Min. lang das Gas einwirken. Durch Messung der Höhe vor und nach dem Expandieren kann die Fluidisierbarkeit des jeweili gen Pulvers ermittelt werden.

Die Fluidisierbarkeit und Fließfähigkeit des jeweiligen Pul vers wurde über den sogenannten "Sprühfaktor" ermittelt. Der Sprühfaktor ist eine Kombination von Expansionsfaktor (Flui disierbarkeit) und Massenfluß des Pulvers (Fließfähigkeit). Der Sprühfaktor stellt für die Dry-Flux-Anwendung einen wich tigen Faktor dar. Er wurde folgendermaßen bestimmt: Wie oben schon beschrieben, wurde das jeweils zu untersuchende Pulver im Fluidisierungszylinder expandiert. Für 30 Sek. wurde dann ein in der Seite des Zylinders angebrachtes Loch geöffnet, das durch dieses Loch den Zylinder verlassende Pulver in einem Becherglas aufgefangen und gewogen. Das Verhältnis von Menge des aufgefangenen Pulvers bezogen auf die Zeiteinheit von 0,5 Min. wird im folgenden als "Sprühfaktor" bezeichnet. Zur Erläuterung sei erwähnt, daß sehr gut fluidisierbare, fließfähige Pulver einen Sprühfaktor von 140 aufweisen. Sehr schlecht expandierbare, schlecht fließfähige Pulver liegen beispielsweise bei einem Sprühfaktor von 7. In der folgenden Tabelle 3 sind die ermittelten Sprühfaktoren für reines Pul ver 1, reines Pulver 2 und dazwischenliegende Gemische mit 90, 80, 70 . . . 10 Gew.-% von Pulver 1, Rest auf 100 Gew.-% Pulver 2 angegeben.

Tabelle 3

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß sich ein gutes Fließ verhalten bei einem Sprühfaktor größer als etwa 45 g/0,5 min. einstellt.

Der Sprühfaktor kann auch folgendermaßen berechnet werden:

a) Man berechnet den Expansionsfaktor (cm/cm): H_fluid : H₀ mit H_fluid = Höhe des expandierten Pulvers, H₀ = Höhe des nicht fluidisierten Pulvers, Vibrator abge schaltet und Stickstoffzufuhr abgestellt.

Man bestimmt den Durchschnitt aus jeweils 5 Messungen von über dem Durchmesser verteilten Meßpunkten.

a) Fluß des Pulvers in (g/0,5 min): Die Masse des Pulvers, die in 0,5 min aus dem Loch fließt, wird als Medianwert aus 10 Messungen bestimmt.

Berechnung des Medians

Median m = m₉ + m₂/2 für 10 Einzelmessungen mit m₅ < m₃ < m₁ < m₇ < m₉ < m₂ < m₄ < m₈ < m₁₀ < m₆

Der Sprühfaktor R_m ist dann

R_m(g/0,5 min) = m(g/0,5 min) . Expansionsfaktor.

Erstaunlicherweise änderte sich der Sprühfaktor nicht linear mit der Zusammensetzung der Pulvermischung, sondern er wies einen starken Sprung der Eigenschaften im Bereich von etwa 80-90% des Anteils der Probe 1 auf. Dies ist graphisch in Fig. 3 dargestellt. Aufgetragen ist der Sprühfaktor in g/0,5 min gegen den Prozentanteil des Pulvers 1 in der Mischung. Dies belegt, daß der Gehalt an Feinanteilen in Pulver einen großen Einfluß auf die Fließfähigkeit besitzt.

Untersuchung der Haftfähigkeit auf Aluminiumbauteilen in Abhängigkeit von der Korngrößen-Verteilung

Die Haftfähigkeit wurde durch ein sehr einfaches Verfahren getestet, welches gute Rückschlüsse auf die technische Brauchbarkeit der untersuchten Pulver bei der Trockenbe fluxung zuläßt.

Eine flache, quadratische Aluminiumplatte der Ausmaße 0,5 m × 0,5 m wurde elektrostatisch auf einer Seite mit dem zu untersuchenden, trockenen Flußmittelpulver durch Besprühen beschichtet. Die Beladung mit Flußmittel wurde ausgewogen; die Platte wurde dann in vertikaler Stellung aus 5 cm Höhe auf den Boden fallengelassen und der Verlust an Flußmittel als Prozentanteil der ursprünglichen Flußmittelbeladung no tiert. Für die Pulver wurden jeweils 10 Messungen durchge führt. Schlecht haftende Pulver zeigten einen vergleichsweise hohen Gewichtsverlust verglichen mit dem geringen Gewichts verlust bei Anwendung erfindungsgemäßer Pulver (siehe Pulver 3 und Pulver 4).

Untersuchungen unter praxisnahen Bedingungen

Zwei verschiedene Einrichtungen wurden verwendet. Eine Ein richtung war eine Flußmittel-Aufbringungseinrichtung ("Fluxing Booth") der Firma Nordson, geeignet für die halb kontinuierliche Durchführung. Maße der Einheit: 216 cm Höhe, 143 cm Breite, 270 cm Tiefe. Wichtigste Bauteile waren ein Vorratsbehälter, eine Sprühkanone, zwei Filterkartuschen und die Kontrolleinheiten. Das zu befluxende Bauteil wurde auf einen Rost gestellt, welches manuell vor und zurück bewegt werden konnte. Die Sprühkanone bewegte sich automatisch von links nach rechts und wieder zurück in Intervallen von etwa 21 Sekunden (21 Sekunden für 65 cm, d. h. die Geschwindigkeit war 3,1 cm/sec.).

Als zweite Befluxungseinheit wurde in diesem System ein Be hälter von ITW/Gema zusammen mit einer Sprühkanone und Kon trolleinheit eingebaut.

Der Abstand zwischen den Sprühköpfen und dem Rost war 34 cm.

Arbeitsprinzip

Der Behälter der Firma Nordson wandte das Prinzip der Pul verfluidisierung an, um das Flußmittel über eine Venturi- Pumpe und einen Zuführungsschlauch in die Sprühkanone einzu bringen. Eine Rühr- oder Schüttelvorrichtung im Behälter unterstützte die Fluidisierung des Flußmittels.

Das System von ITW/Gema wies einen Behälter auf, der Schneckenförderer besitzt ("Helix Screw Conveyor"), um das Pulver mechanisch in einen Trichter zu befördern. Eine Ven turi-Pumpe fördert das Flußmittel dann durch einen Schlauch in die Sprühkanone.

Das System von ITW/Gema war mit Vibratoren an einigen Stellen ausgerüstet, um Verstopfungen durch das Flußmittel zu vermei den. Die Sprühkanonen arbeiteten mit 100 kV zur Aufladung des Pulvers.

Die in den Beispielen aufgeführten Pulver wurden in der Appa ratur nach Nordson bzw. ITW/Gema eingesetzt, um die Gleichmä ßigkeit des Flußmitteltransports und des Sprühvorgangs und die Beladung von Prüfkörpern (Wärmetauscher mit einer Ober fläche von 4,8 m²) zu untersuchen. Zunächst wurden die Kon trolleinheiten bezüglich des Luftdurchflusses bzw. der Schraubengeschwindigkeit so justiert, daß eine Flußmittelbe ladung von ungefähr 5 g/m² erreicht wurde. Anschließend wurde das Experiment 30 Minuten fortgeführt, ohne die Einstellung der Apparaturen zu ändern. In Intervallen von 2-4 Minuten wurden Prüfkörper auf den Rost zwecks Besprühung mit Flußmit tel plaziert, und dann zur Bestimmung der Flußmittelbeladung ausgewogen. Jede Testserie umfaßte 10 oder 11 Messungen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Tabelle 4

30-Minuten-Test, Flußmittelbeladung auf Wärmetauschern

In den Fig. 4 bis 7 sind für die Nordson-Apparaturen bzw. die ITW/Gema-Apparaturen die Flußmittelbeladungen gegen die Zeit für Pulver 1 bzw. Pulver 2 graphisch zusammengestellt. Für Pulver 2 mußte in der Nordson-Apparatur der Sprühkopf regelmäßig freigeblasen werden, um Verstopfungen zu vermei den.

Die 30-Minuten-Test-Untersuchungen wie oben beschrieben, wur den für weitere Pulver untersucht. Pulver 3 hatte folgende Eigenschaften: einen gemessenen Wert von R_m von 59,25; H_fluid : H₀ (mm/mm) = 1,11; einen Haftverlust von 11,5%; und folgende Partikelgrößenverteilung: 90% aller Teilchen besa ßen eine Größe von < 35,15 µm; 50% aller Teilchen besaßen eine Größe von < 9,76 µm, 10% aller Teilchen besaßen eine Größe von < 1,35 µm. Ein Peakmaximum der Korngrößenverteilung lag bei 5 µm, der zweitgrößte Peak lag bei 20 µm. Die aufsum mierte Volumenverteilung dieses Pulvers ist in Fig. 5 und Fig. 6 als Beispiel für gut brauchbares Pulver wiedergege ben. Dieses Material lieferte sowohl der Nordson-Apparatur als auch in der ITW/Gema-Apparatur sehr gute Ergebnisse. Es war weder ein "Spucken" in der Apparatur zu bemerken, noch war ein Abblasen des Sprühkopfes notwendig. Die gebildete Schicht war "sehr schön". Die Flußmittelbelegung gegen die Zeit ist in Fig. 8 wiedergegeben. Ein weiteres Material war das Pulver 4 und es besaß einen Sprühfaktor von R_m = 82,85; H_fluid : H₀ war 1,10; der Verlust beim Haftungsversuch betrug 16,7%; die Partikelgrößenverteilung: 90% aller Teilchen be saßen einen Durchmesser von weniger als 28,6 µm; 50% aller Teilchen besaßen einen Durchmesser von 8,9 µm; 10% aller Teilchen besaßen einen Durchmesser von weniger als 1,67 µm; die Korngrößenverteilung besaß einen Peak bei 9,5 sowie bei 20 µm. auch dieses Material lieferte hervorragende Ergeb nisse. Fig. 9 gibt die Gleichmäßigkeit der Flußmittelbele gung mit dem Pulver 4 auf dem Wärmetauscher gegen die Zeit wieder.

Akzeptable Ergebnisse wurden auch mit folgendem Kaliumfluor aluminat-Pulver 5 erzielt: R_m = 46,99; Verhältnis H_fluid : H₀ = 1,05, Verlust Belegung: 6,39%, Partikelgrößenverteilung: 90% aller Teilchen < 19,84 µm; 50% aller Teilchen < 7,7 µm; 10% aller Teilchen < 1,16 µm, max. Peak der Korngrößenvertei lung bei 13.

Claims

1. Zur Trockenapplikation ("dry fluxing") brauchbares Flußmittel auf Basis von Alkalifluoraluminat, dadurch gekenn zeichnet, daß die Volumenverteilung der Partikel im wesentli chen innerhalb der Kurven 1 und 2 der Fig. 10 liegt.

2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenverteilung der Partikel im wesentlichen inner halb der Kurven 1 und 2 der Fig. 11 liegt.

3. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Flußmittel auf Basis von Kaliumfluoralumi nat handelt.

4. Verfahren zum Löten von Aluminium oder Aluminiumle gierungen, wobei man ein Flußmittel der Ansprüche 1 bis 3 verwendet, welches man trocken und elektrostatisch aufgeladen auf die zu verbindenden Bauteile aufbringt und die Bauteile unter Erhitzen verlötet.