DE10108330A1 - Neuartige Anwendung von Kaliumhexafluorsilikat - Google Patents

Abstract

Bauteile aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen können durch Verlöten entsprechender Komponenten hergestellt werden. Zuverlässige Verlötungen werden auch bei Komponenten mit unregelmäßiger Oberfläche, technisch nicht lotplattierbaren extrudierten oder sehr dünnen, ebenfalls technisch nicht lotplattierbaren Folienoberflächen erzielt, wenn Alkalimetallhexafluorsilikat als Lot/Flußmittelvorläufer eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verlötungsverfahren mit K₂SiF₆.

Techniken zum Verlöten von Bauteilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen sind bekannt. Die Bauteile werden unter Zuhilfenahme eines Lotmetalls und eines Flußmittels unter Erhitzen miteinander verbunden. Dabei kann man das Lotmetall entweder separat zusetzen oder man kann mit Lotmetall plat­ tierte Bauteile einsetzen. Als Flußmittel werden bevorzugt Kaliumfluoraluminate und/oder Cesiumfluoraluminate einge­ setzt.

Die deutsche Patentanmeldung 196 36 897 offenbart, daß man Aluminiumbauteile lotfrei miteinander verlöten kann, so­ fern man ein Flußmittel verwendet, welches 6 bis 50 Gew.-% Kaliumhexafluorsilikat und weiterhin Kaliumfluoraluminat ent­ hält. Die WO 00/73014 offenbart, daß auch reines K₂SiF₆ als Flußmittel für lotfreies Löten brauchbar ist.

Eine bislang ungelöste Aufgabe stellt das Herstellen gelöteter Bauteile auf Basis von Aluminium oder Aluminiumle­ gierungen mit gleichmäßiger Verlötung dar, wenn die zu verlö­ tenden Komponenten eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen, wie dies bei offenporigen oder wellenartigen Strukturen der Fall ist. Auch durch Extrusion erhaltene Komponenten wie z. B. Rohre oder Formteile, weisen keine Lotplattierung auf. Das Aufbringen von Lotmetall oder Lotplattierung auf dünnen Aluminiumschichten, wie z. B. bei Aluminiumfolien, ist nicht möglich. Die Aufgabe, solche Komponenten zu verlöten, wird durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von gelö­ teten Bauteilen auf Basis von Aluminium oder Aluminiumlegie­ rungen sieht vor, daß man Komponenten einsetzt, von denen mindestens eine Komponente eine unregelmäßige Oberfläche auf­ weist oder sehr dünn ist und die Komponenten unter Verwendung von Alkalimetallfluorsilikat als Lot- und Flußmittelvorstufe lotfrei verlötet.

Unregelmäßige Oberflächen sind beispielsweise offenpo­ rige oder wellenartige Strukturen. Diese kommen z. B. an Schnittflächen von Aluminiumschäumen, geschlossenporigen Strukturen, wie sie nach dem Schäumungsprozeß von Aluminium vorliegen, oder als wellenartige Strukturen vor. Auch Form­ teile, die kombinierte Strukturen (Sandwich-Elemente) verei­ nen, wie z. B. mehrlagige Bauteile, wobei einzelne Schichten sehr dünn und glatt, andere wiederum stärker und unregelmäßig im Wechsel angeordnet sind. Während auf gleichmäßigen, bei­ spielsweise ebenen Flächen, eine gleichförmige Lotbeschich­ tung möglich ist, ist das bei nichtebenen, unregelmäßigen Flächen nicht der Fall. Solche komplizierten Oberflächen kön­ nen bei Verwendung von Alkalimetallfluorsilikat stoffschlüs­ sig verlötet werden. Es können auch dünne Komponenten wie Folien beschichtet werden. "Dünn" bedeutet bevorzugt eine Dicke von weniger als 100 µm, insbesondere weniger als 50 µm.

Bevorzugte Alkalimetallhexafluorsilikate sind Kalium­ hexafluorsilikat, Cesiumhexafluorsilikat oder deren Gemische, ganz besonders Kaliumhexafluorsilikat.

Es ist besonders bevorzugt, das Alkalimetallfluorsilikat mit einem Flächengewicht von 30 bis 60 g/m² aufzubringen. Dies kann beispielsweise durch elektrostatische Aufbringung des trockenen Hexafluorsilikat-Pulvers oder aus wäßriger Phase (Lösung oder Suspension des Silikats) erfolgen. Bei ge­ ringeren Flächengewichten ergibt sich eine dünnere, bei höhe­ ren Flächengewichten eine dickere Legierungsschicht. Legie­ rungsbildung zum Verbinden von Komponenten tritt bereits bei Flächengewichten ab 5 g/m² auf. Ist man nur an einer "Lotmit­ telverklebung" interessiert, wie es z. B. zwischen zwei dün­ nen Aluminiumfolien gewünscht sein kann, sind sogar Flächen­ belegungen von weniger als 5 g/m², bis hinunter zu 2 g/m² möglich. Für die meisten Anwendungen zeigt sich ein Flächen­ gewicht von mindestens 20 g/m² bis 60 g/m² vorteilhafter, weil dann entsprechend mehr Legierungsmetall für eine stabile Verlötung (stärkere Lotnaht) des Ensembles bereitgestellt werden kann.

Das Silikat wird trocken elektrostatisch oder in Form einer Aufschlämmung in Wasser oder in organischen Lösungsmit­ teln oder auch als Paste auf die verlötenden Komponenten, z. B. durch Pinseln, Bestreichen oder sonstiges Applizieren aufgebracht. Diese Aufschlämmungen enthalten zweckmäßig 15 bis 75 Gew.-% des Hexafluorsilikats. Außer Wasser werden auch leicht verdampfbare organische Flüssigkeiten, insbesondere Alkohole, wie Methanol, Äthanol, Propanol oder Isopropanol, oder Polyole eingesetzt. Andere organische Flüssigkeiten, die verwendet werden können, sind Ether, z. B. Diethylenglykol­ monobutylether, Ketone wie Aceton, Ester von einbasigen Alko­ holen, Diolen oder Polyolen. Binder für die Anwendung als Paste ist beispielsweise Ethylcellulose. Mittels Filmbild­ nern, gewöhnlich handelt es sich um Polymere, die in organi­ schen Lösemitteln wie Aceton löslich sind, kann den Hexa­ fluorsilikat auf die Komponenten aufgebracht werden. Sie er­ geben nach dem Verdampfen des Lösemittels einen fest haften­ den Film. Geeignete Polymere sind beispielsweise Acrylate oder Methacrylate.

Material mit einem feinteiligen Kornspektrum ist beson­ ders gut für die Naßbefluxung sowie dünne Komponenten geeig­ net. Material mit einem gröberen Kornspektrum ist besonders gut für die Trockenbefluxung geeignet. Material mit gewünscht feinem bzw. gröberem Kornspektrum kann nach bekannten Metho­ den erzeugt werden. Üblicherweise setzt man Alkalilauge mit Hexafluorokieselsäure ein (Vorläufer sind auch brauchbar, z. B. Alkalicarbonat). Es ist allgemein bekannt, wie die Korngröße zu beeinflussen ist. Kleinere Kristalle entstehen bei niedriger Reaktionstemperatur, schneller Reaktion, schneller Trocknung und starker Bewegung der Reaktionsmi­ schung. Größere Kristalle entstehen bei höherer Temperatur, Stehenlassen über der Mutterlauge, geringer Bewegung der Reaktionsmischung und langsamer Vermischung der Reaktanten.

Hexafluorsilikat oder Gemische mit Hexafluorsilikat, die im wesentlichen Partikel in einer Korngröße von 8 bis unter 20 µm, z. B. bis zu 18 µm aufweisen, sind sehr gut zur Troc­ kenbefluxung brauchbar. So konnte K₂SiF₆ mit X_D10 = 2,04 µm, X_D50 = 6,94 µm und X_D90 = 12,35 µm und einem mittleren Korn­ durchmesser von 6,94 µm erzeugt werden. Ein anderes Produkt war noch feiner, mit einer X_D50 von 4,6 µm. Diese Korngrößen­ angabe bezieht sich auf den mittleren Korndurchmesser für 50% der Teilchen (X_D50), bestimmt durch Laserbeugung. Fluß­ mittel, welche im wesentlichen Partikel in einem Korngrößen­ bereich von 1 bis 12,5 µm aufweisen, sind als Aufschlämmung in Wasser oder organischen Flüssigkeiten besonders gut nach dem Naßbefluxungsverfahren aufbringbar.

Bevorzugt erhitzt man die Komponenten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung auf eine Temperatur im Bereich von 400 bis 610°C, vorzugsweise 540 bis 610°C, um die Aluminium-Sili­ cium-Legierung auszubilden. Bei Verwendung von Kaliumhexa­ fluorsilikat erhitzt man vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 570 bis 610°C.

Dabei kann man das Beschichten der Komponenten und das Verlöten zu Ensembles in einem Arbeitsgang durchführen. Dabei wird zunächst das Alkalimetallhexafluorsilikat beispielsweise als wäßrige Aufschlämmung auf die Komponente aufgebracht. Falls weitere Zusätze mit aufgebracht werden, wie Alkalime­ tallfluoraluminate, sind diese natürlich auch in der Be­ schichtung enthalten. Die Komponenten werden dann in ge­ wünschter Weise zusammengefügt und erhitzt. Zunächst bildet sich eine trockene Beschichtung aus, beim weiteren Erhitzen wandelt sich das Alkalimetallhexafluorsilikat unter Bildung einer Aluminium-Silicium-Legierung um. Wird die Temperatur noch weiter erhöht, kommt es zur Verlötung.

Beschichten der Komponenten und Verlöten kann auch zeit­ lich und räumlich getrennt werden. Gemäß einer Ausführungs­ form werden die unregelmäßigen Komponenten mit dem Alkalime­ tallhexafluorsilikat beschichtet, beispielsweise durch Be­ sprühen. Dann wird die Komponente nur soweit aufgeheizt, daß sich eine trockene Beschichtung mit Alkalimetallhexafluorsi­ likat (welche gewünschtenfalls weitere Komponenten wie Alka­ limetallfluoraluminat enthalten kann) bildet. Die Komponente läßt man dann abkühlen. Derart beschichtete Komponenten kön­ nen dann an einem anderen Ort und zu einem beliebigen späte­ ren Zeitpunkt weiterverarbeitet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden unregelmäßig geformte Komponenten zunächst mit Alkalimetallfluorsilikat beschichtet, beispielsweise durch Aufsprühen einer entspre­ chenden Aufschlämmung. Die beschichtete Komponente wird dann soweit erhitzt, daß sich das Alkalimetallfluorsilikat unter Bildung einer Aluminium-Silicium-Legierung umwandelt. Die derart mit der Legierung beschichtete Komponente kann dann wiederum abgekühlt werden und später gewünschtenfalls an einem anderen Ort zu Ensembles verlötet werden. Somit kann die Herstellung von Ensembles aus Komponenten mit unregelmä­ ßiger Oberfläche sehr flexibel gestaltet werden. Komponenten mit unregelmäßiger Oberflächenstruktur, die wie oben be­ schrieben mit einer trockenen Beschichtung enthaltend Alkali­ metallhexafluorsilikat und gegebenenfalls weitere Zusätze wie Alkalimetallfluoraluminat aufweisen sowie Komponenten mit unregelmäßiger Oberflächenstruktur, die mit einer Aluminium- Silicium-Legierung beschichtet sind sowie die Ensembles, die durch Verlöten von Komponenten mit unregelmäßiger Oberflä­ chenstruktur erhalten werde, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Es wurde festgestellt, daß Komponenten mit unregelmäßi­ gen Oberflächen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die durch Beschichten mit Alkalimetallhexafluorsilikat und Erhit­ zen unter Ausbilden einer mit einer Aluminium-Silicium-Legie­ rung erhalten wurden, ohne Lotzusatz verlötet werden können, beispielsweise nach der Methode des Flammlötens oder des Ofenlötens, sofern zwischen Aufbringen der Beschichtung und dem Verlöten nicht so viel Zeit vergangen ist, daß es zu einer Alterung der Oberfläche der zu verlötenden Teile oder Stellen gekommen ist. Ist zwischen dem Vorgang des Erzeugens der Aluminium-Silicium-Schicht und dem sich anschließenden Verlötungsverfahren eine solche Zeitspanne vergangen, daß es zu einer Alterung der Oberfläche gekommen ist, kann man ein Flußmittel, beispielsweise auf Basis von Kaliumfluoraluminat oder Cesiumfluoraluminat, verwenden. Der Vorteil ist, daß ge­ wünschtenfalls eine sehr niedrige Flächenbeladung mit dem Flußmittel, beispielsweise im Bereich von 2 bis 30 g/m², er­ folgen kann.

Gemäß einer Ausführungsform verwendet man reines Alkali­ metallhexafluorsilikat. Dabei kann es sich um ein Gemisch von Alkalimetallhexafluorsilikaten handeln.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann ein Flußmittel auf Fluoraluminatbasis und/oder Fluorstannatbasis, beispiels­ weise Kaliumfluoraluminat und/oder Cesiumfluoraluminat gleichzeitig mit dem Alkalimetallhexafluorsilikat oder nach Erzeugen der Legierungsbeschichtung aufgebracht werden. Das Fluoraluminat bzw. Fluorstannat liegt höchstens in einer sol­ chen Menge vor, daß noch eine zufriedenstellende Lötung er­ folgt. Die maximal zulässige Menge kann durch Handversuche und Beurteilung der Lötung leicht ermittelt werden. Bei­ spielsweise kann bis zu 50 Gew.-% des Alkalialuminats und/oder Alkalimetallfluorstannats enthalten sein.

Der Begriff "Komponenten aus Aluminium oder Aluminiumle­ gierung" steht im Rahmen der vorliegenden Erfindung für sol­ che Bauteile, die, wenn sie nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren beschichtet sind, insbesondere durch Verlöten zu Ensembeln (Baugruppen) zusammengesetzt werden. Zu den Kompo­ nenten gehören auch Vorfabrikate mit unregelmäßiger Struktur, beispielsweise Aluminiumbleche, Aluminiumprofile, Aluminium­ rohre, Aluminiumschäume oder andere Formen, beispielsweise waben- oder wellenartiger Struktur, die nach weiterer Bear­ beitung zu Bauteilen weiterverarbeitet werden, die ihrerseits dann zu Ensembeln verlötet werden können. Beispielsweise han­ delt es sich um Komponenten, die für die Herstellung von Küh­ lern, Wärmetauschern oder Verdampfern verwendet werden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen können, ge­ gebenenfalls unter Zusatz eines Lötflußmittels wie Kalium­ fluoraluminat, Cesiumfluoraluminat oder deren Gemischen, ver­ lötet werden. Dies erfolgt in an sich bekannter Weise, bei­ spielsweise in einem Lötofen oder durch Flammenlöten bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 610°C je nach Fluß­ mittel.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß die Komponenten trotz ihrer unregelmäßigen Oberfläche und/oder geringen Dicke, z. B. von nur 25 µm ohne Zusatz eines Flußmittels ver­ lötet werden können. Sofern man ein Flußmittel für später auszuführende Verlötungen zusetzt, kann man dieses mit einem niedrigen Flächengewicht aufbringen. Die neben der Legie­ rungsschicht sich ausbildende Alkalifluoraluminatschicht schützt wirksam vor Reoxidation.

Beispiel 1 Verlöten eines Aluminiumschaumes 1.1. Herstellen des mit K₂SiF₆ beschichteten Schaumes

Zwei Aluminiumschaum-Coupons der Bemaßung von 1 cm² bei 1 mm Dicke wurden mit je 10 g/m² K₂SiF₆-Isopropanol-Sus­ pension bestrichen. Dann wurde Isopropanol abgedampft.

1.2. Verlöten der beschichteten Coupons

Die beschichteten Coupons aus Beispiel 1.1. wurden auf­ einandergelegt und in einen Glasofen eingebracht. Das aus den beiden Komponenten zusammengesetzte Ensemble wurde im Glasofen unter N₂-Atmosphäre auf 600°C erhitzt (CAB-Verfahren = Controlled Atmosphere Brazing). Dann wurde das Ensemble nach dem Abkühlen aus dem Ofen genom­ men. Zwischen beiden Coupons hatte sich eine feste Ver­ lötung durch Lotmetallbildung gebildet, die keine mecha­ nische, zerstörungsfreie Trennung des Bauteils in die einzelnen Coupons mehr ermöglichte.

Beispiel 2 Folienverlöten 2.1. Herstellen der beschichteten Folien

Zwei Aluminiumfolien (Größe: 25 × 25 mm, Dicke je 25 µm) wurden mit je 1 g/m² K₂SiF₆-Isopropanol-Suspension be­ strichen. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels wurden die beschichteten Folien erhalten.

2.2. Verlöten der Folien

Die in 2.1. erhaltenen Folien wurden aufeinander gelegt und zwischen zwei Aluminiumcoupons (Größe: 25 × 25 mm) gepackt und aneinander gedrückt, um einen guten Kontakt zwischen beiden Folienflächen zu gewährleisten, und in den Glasofen gebracht. Nach dem obenbeschriebenen Tempe­ raturzyklus wurde das Ensemble nach dem Abkühlen aus dem Ofen genommen. Zwischen beiden Folien hatte sich eine feste Lötverklebung durch Lotmetallbildung gebildet, die keine mechanische, zerstörungsfreie Trennung in die ein­ zelnen Folien mehr ermöglichte.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Verlö­ ten von Komponenten auf Basis von Aluminium oder Aluminiumle­ gierungen, wobei man Komponenten einsetzt, von denen minde­ stens eine Komponente eine unregelmäßige Oberfläche und/oder eine sehr dünne Oberfläche aufweist und man die Komponenten unter Verwendung von Alkalimetallfluorsilikat als Lot- und Flußmittelvorstufe lotfrei verlötet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Alkalimetallfluorsilikat mit einem Flächengewicht von 5 bis 60 g/m² aufbringt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man von Komponenten ausgeht, die mit Alkalimetallhexaflu­ orsilikat beschichtet sind, und diese beschichteten Komponen­ ten unter Erhitzen verlötet, wobei sich in situ eine Be­ schichtung auf den Komponenten ausbildet, die eine Aluminium- Silicium-Legierung umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man von Komponenten ausgeht, die eine Beschichtung auf­ weisen, die eine Aluminium-Silicium-Legierung umfaßt, welche durch Erhitzen der mit Alkalimetallfluorsilikat beschichteten Bauteile erzeugt wurde.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Kaliumhexafluorsilikat, Cesiumhexafluorsilikat, deren Gemische oder deren Gemische mit Kaliumfluoraluminat, Cesium­ fluoraluminat, Kaliumfluorzinkat, Cesiumfluorzinkat, Kalium­ fluorstannat und/oder Cesiumfluorstannat verwendet.

6. Zur Herstellung von Bauteilen durch Verlöten geeig­ nete Komponenten, die auf Aluminium oder Aluminiumlegierung basieren und eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen, be­ schichtet mit einem Alkalimetallhexafluorsilikat.

7. Zur Herstellung von Bauteilen durch Verlöten geeig­ nete Komponenten, die auf Aluminium oder Aluminiumlegierung basieren und eine unregelmäßige Oberfläche haben, beschichtet mit einer Aluminium-Silicium-Legierung, die durch Erhitzen einer Alkalimetallhexafluorsilikat-Beschichtung erhalten wurde.

8. Komponenten nach Anspruch 6 oder 7, erhalten durch Verwendung von Kaliumhexafluorsilikat zur Erzeugung der Be­ schichtung.

9. Komponenten nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Beschichtung zusätzlich Alkalime­ tallfluoraluminat, Alkalimetallfluorzinkat und/oder Alkalime­ tallfluorstannat enthalten ist, wobei Alkalimetall vorzugs­ weise für Kalium und Cesium steht.

10. Bauteile, erhalten durch Verlöten von Komponenten der Ansprüche 6 bis 9.