DE102020000717A1

DE102020000717A1 - Pastöse Zusammensetzung zum Aluminiumlöten

Info

Publication number: DE102020000717A1
Application number: DE102020000717.1A
Authority: DE
Inventors: Jörn Hill; Norbert Harasiuk
Original assignee: Firinit GmbH
Current assignee: Firinit GmbH
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Hartlöten von Aluminiumbauteilen ist bisher durch das Auftreten von Fehlstellen durch Verteilung, Dosierbarkeit und Rheologie der Flussmittel teilweise fehlerbehaftet.Die Erfindung betrifft eine pastöse Zusammensetzung zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumbauteilen, die eine thixotrope Konsistenz aufweist, mit Wasser verdünnbar ist, über längere Zeit stabil bleibt und abwaschbare Zersetzungsprodukte des Bindemittels nach dem Lötprozess aufweist.Diese thixotrope Lötmittelpasten, bestehend aus einem vorgefertigten Gemisch von Lotpulver, Fluss- und Bindemittel sind zum Aluminiumlöten für hohe Stückzahlen dosierfähig und enthalten wasserverdünnbare organische Bindemittel sowie rheologische Eigenschaften beeinflussendes Additiv.Die pastöse Zusammensetzung zum Aluminiumlöten besteht zu 40 bis 50 Gew.-% aus einem Aluminiumhartlot mit 10 bis 12 Gew.-% Silicium, einem Aluminiumflussmittel zu 60 bis 50 Gew.-% bestehend aus mit Wasser angerührtem Gemisch von Alkalichloriden, Alkalifluoriden mit Beimengungen von Zinkchloriden, -fluoriden und -Oxiden zu 85 bis 95 Gew.-%, sowie 15 bis 5 Gew.% an Bindemittel aliphatischer Glykole mit einer gesättigten Fettsäure zu 0,2 bis 0,4 Gew.-%.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine pastöse Zusammensetzung zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumbauteilen.
Hartlöten von Aluminiumbauteilen ist bisher durch das Auftreten von Fehlstellen durch Verteilung, Dosierbarkeit und Rheologie der Flussmittel teilweise fehlerbehaftet. Die Erfindung betrifft eine pastöse Zusammensetzung zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumbauteilen, die eine thixotrope Konsistenz aufweist, mit Wasser verdünnbar ist, über längere Zeit stabil bleibt und abwaschbare Zersetzungsprodukte des Bindemittels nach dem Lötprozess aufweist. Diese thixotrope Lötmittelpasten, bestehend aus einem vorgefertigten Gemisch von Lotpulver, Fluss- und Bindemittel sind zum Aluminiumlöten für hohe Stückzahlen dosierfähig und enthalten wasserverdünnbare organische Bindemittel sowie rheologische Eigenschaften beeinflussendes Additiv. Die pastöse Zusammensetzung zum Aluminiumlöten besteht zu 40 bis 50 Gew.-% aus einem Aluminiumhartlot mit 10 bis 12 Gew.-% Silizium, einem Aluminiumflussmittel zu 60 bis 50 Gew.-% bestehend aus mit Wasser angerührtem Gemisch von Alkalichloriden, Alkalifluoriden mit Beimengungen von Zinkchloriden, -fluoriden und -Oxiden zu 85 bis 95 Gew.-%, sowie 15 bis 5 Gew.% an Bindemittel aliphatischer Glykolen mit einer gesättigten Fettsäure zu 0,2 bis 0,4 Gew.-%.
Stand der Technik
Bauteile aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen oder in Kombination mit Teilen aus geeigneten anderen Materialien z. B. Kupfer, Eisen, Messing oder Edelstahl können durch Verlöten dieser Werkteile hergestellt werden. Die Bauteile werden dabei mit Hilfe eines Lotmetalls und eines Flussmittels unter Erhitzen miteinander verbunden.
Bekannt ist, dass beim Löten von Aluminium darf der Grundwerkstoff nicht angeschmolzen werden. Zum Löten benötigt man neben dem geeigneten Lot stets noch ein Medium, das die Oberflächenoxide vom Grundwerkstoff beseitigt und diesen während des Lötens metallisch blank hält. Zu diesen Medien gehören unter anderem auch Flussmittel. Um die Wirksamkeit zu verstehen muss die Besonderheit der Aluminiumoxidhaut berücksichtigt werden. Aluminium besitzt eine sehr hohe Affinität zum Sauerstoff. Daher ist Aluminium an Luft stets mit einer Oxidhaut überzogen. Diese ist gleichmäßig und porenarm, so dass sie das Aluminium gegen weitere Korrosion schützt. Zum Löten muss die Oxidhaut entfernt werden, entweder durch Auflösen der Oxidhaut, Reduzierung der Oxidhaut oder durch Abheben der Oxidhaut.
Stand der Technik sind verschiedenen Verfahren zum Verlöten von Werkstücken sind Flammlöten, Induktionslöten und Ofenlöten und bei den Techniken sind es Löten mit korrosivem Flussmittel oder mit nicht korrosivem Flussmittel. Für alle einzusetzenden Flussmittel ist die Anforderung gleich, sie müssen oxidfreie Lötflächen sichern oder Oxidfreiheit herbeiführen. Flussmittel sind in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich, wobei diese von der Art der zu verlötenden Teile und von der Temperatur des verwendeten Lotes abhängt. Für das Weich- wie das Hartlöten gibt es jeweils spezielle Flussmittel, die in Zusammensetzung und Konzentration den Schmelzpunkt des Lotes berücksichtigen. Nur ohne Flussmittel erfolgt das Löten durch Vakuum mit Verdampfen von Magnesium. Für Arbeiten an oxidierten Fügepartnern werden säurehaltige Flussmittel wie Lötwasser auf Basis von Salzsäure oder Salicylsäure verwendet. Rückstände säurehaltiger Flussmittel sind zu entfernen, da sie langfristig zu Korrosion der Lötstelle führen. Zum Verbessern des Legierungsprozesses werden Aktivatoren wie Zinkchlorid, Ammoniumchlorid oder organische Salze eingesetzt. Für die Lotverbindung erzeugen die Aktivatoren eine höhere Konzentration beweglicher Ionen im Flussmittelfilm an der Werkstückoberfläche.
Derzeit werden meist Flussmittel auf Basis nichtkorrosiver komplexer Alkalialuminiumfluoride eingesetzt. Hierbei entfallen zusätzliche kostenintensive Reinigungsschritte um nach dem Lötvorgang das Flussmittel bzw. dessen Reaktionsprodukte von den Werkstückoberflächen zu entfernen. Der Nachteil ist, dass in der Serienproduktion beim Hartlöten hoher Stückzahlen viele sehr fehlerbehaftet sind da die eingesetzten Flussmittel nichtkorrosiver komplexer Alkalialuminiumfluoride auf den Lötstellen Risse und Fehlstellen zum Grundwerkstoff aufweisen können.
Die Grenze zwischen Weich- und Hartlöten wird definiert bei der Flüssigtemperatur des Lotes von 450°C. Während die konventionellen Aluminium-Silizium-Lote damit eindeutig dem Hartlötbereich zuzuordnen sind, liegen andere Legierungssysteme, wie Zink-Aluminium oder Aluminium-Germanium, an der Grenze, so dass diese Lote je nach Zusammensetzung sowohl für das Weich- als auch für das Hartlöten verwendet werden können.
Ferner ist bekannt, dass Rein- und Reinstaluminium, AI, sich ohne besondere Schwierigkeiten hartlöten lassen. Da die Löttemperatur die Rekristallisationstemperatur übersteigt, sinkt die Festigkeit von kaltverformtem Grundwerkstoff im Bereich der Lötstelle auf die Festigkeitswerte von weichgeglühtem Aluminium ab. Hartgelötet werden neben Reinaluminium sowie einige Aluminiumlegierungen mit härtenden Zusätzen von Kupfer, Cu, Magnesium, Mg, Silizium, Si, Mangan, Mn, Zink, Zn. Die Legierungen haben höhere Festigkeitswerte als Reinaluminium und können zum Teil zusätzlich ausgehärtet werden. Werkstoffe mit Zusätzen von mehr als 2% Mg sind nur schlecht benetzbar und damit nicht lötgeeignet. Als Grenze für die Lötbarkeit wird ein Magnesiumgehalt von ca. 3% angesehen. Zum Hartlöten von Al werden bisher hauptsächlich Lote auf der Basis Al-Si-Legierungen verwendet mit Si-Gehalten von 7 bis 13 %. Diese Legierungen haben Schmelzintervalle im Temperaturbereich von 530 bis 600 °C.
Das Weichlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie von Werkstoffkombinationen dieser Leichtmetalle wird vergleichsweise selten angewendet. Die Gründe hierfür liegen in der relativ schlechten Weichlöteignung der Leichtmetalle wegen ihrer stabilen Oxidhaut und in der geringen Korrosionsbeständigkeit der weichgelöteten Verbindung. Die Weichlötverfahren arbeiten bei Temperaturen unter 500 °C. Bei diesen niedrigen Temperaturen ist die Entfernung der Oberflächenoxide von Aluminium und AI-Legierungen schwieriger als beim Hartlöten.
Bei den Lötverfahren von Aluminium unter Anwendung von Flussmitteln unterscheidet man zwei Flussmitteltypen. Flussmittel mit hygroskopischen Chloriden und Fluoriden der Alkali- und Erdalkalimetalle bei denen die Rückstände korrosiv sind und durch Waschen oder Beizen entfernt werden müssen oder Flussmittel auf Basis komplexer Alkalialuminiumfluoride die nichtkorrosiv sind bei denen die nachfolgende Reinigung entfällt.
Eine Lösung von Zink in konzentrierter Salzsäure, welche ebenso viel Salmiak und Zink enthält, bekannt als Lötwasser, beseitigt die Oxide von einem Metallstück wie von Kupfer oder Eisen ehe es verlötet wird. Als Lötsalz wird (NH₄)₂[ZnCl₄] bezeichnet.
In der WO 2019/110781 A1 werden Zusammensetzungen zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumlegierungen beschrieben, die ein Flussmittel auf Fluoridsalzbasis, ein Lotmetall, eine Lotlegierung oder eine Lotlegierungsvorstufe, ein Binder und ein Diester als Lösungsmittel umfassen. Diese Zusammensetzungen enthalten keine chloridischen Bestandteile und sie zeigen kein pastöses Verhalten.
Die EP 2 985 112 B1 umfasst mit der wässrigen Zusammensetzung zum Aluminiumlöten ein Bindemittelharz, das ein wasserlösliches oder wasserdispergierbares Polyurethanharz und ein Flussmittel enthält. Die wässrige Aluminiumlötzusammensetzung weist eine gute Lötbarkeit und Stabilität nach Lagerung auf, weist aber keinen Hinweis auf pastöses Verhalten dar.
In der EP 2 072 178 A1wird eine Zusammensetzung zum Aluminiumlöten beschrieben die sich in einem pastösen Zustand befindet. Sie enthält in der Zusammensetzung als Hauptbestandteil ein Metallpulver zum Löten, ein fluoridisches Flussmittel, Methacrylsäureester-Polymer und ein organischen Lösungsmittel ohne aromatischen Ring und ohne Hydroxylgruppe. Der Paste wird eine dementsprechende Lagerstabilität und Anwendbarkeit guter Löteigenschaft zugeschrieben. Die Pastenzusammensetzung enthält in der Masse das Hartlot und das Flussmittel, so dass die Beschichtungsarbeit schnell und einfach ausgeführt werden kann. Die Bindemittel dieser Pasten zeigen jedoch kein thixotropes Verhalten, sodass die andosierten Pastendepots vor dem eigentlichen Lernprozess vom Bauteil ablaufen können. Weiterhin sind diese Lotpasten unvollständig mit Wasser abzuwaschen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine pastöse Zusammensetzung zum Hartlöten von Aluminium und Aluminiumbauteilen zu entwickeln, die eine thixotrope Konsistenz aufweist, mit Wasser verdünnbar ist, über längere Zeit stabil bleibt und abwaschbare Zersetzungsprodukte des Bindemittels nach dem Lötprozess aufweist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anforderungen an die Aluminiumhartlotpaste zum offenen Ofenlöten oder Flammenlöten erfüllt wird, indem sie ein Aluminiumhartlot mit 40 bis 50 Gew.-% darin enthaltend 10 bis 12 Gew.-% Silicium, ein Aluminiumflussmittel aus 60 bis 50 Gew.-% bestehend aus einem mit Wasser angerührten Gemisch von Alkalichloriden, Alkalifluoriden mit Beimengungen von Zinkchloriden, -fluoriden und -Oxiden zu 85 bis 95 Gew.-%, sowie 15 bis 5 Gew.% an Bindemittel aliphatischer Glykole mit einer gesättigten Fettsäure zu 0,2 bis 0,4 Gew.-% enthält. Die Erfindung hat damit den Gegenstand der dargestellten Aluminiumhortlotpaste.
Erfindungsgemäß enthält das Flussmittel der pastösen Zusammensetzung zum Aluminiumlöten sowohl Alkalichloride als auch Alkalifluoride und wirkt damit korrosiv als auch nicht korrosiv, was zum erleichterten Entfernen der Aluminiumoxidhäute führt.
In der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass durch Zugabe und Verwendung geringer Mengen höhermolekularer gesättigter Carbonsäuren zu einer Aluminiumhartlotpaste eine Thixotropie und eine höhere Strukturviskosität erzielt werden.
Bei dem erfindungsgemäß einzubeziehenden Bindemittel wurden die besten Ergebnisse an wassermischbaren organischen Lösungsmitteln mit aliphatischen Glykolen erzielt.
Für das Einbeziehen in die erfindungsgemäße pastösen Zusammensetzung hat sich gezeigt, dass das Bindemittelsystem der Lotpaste schon vor Erreichen der Löttemperatur vollständig abgedampft oder ausgebrannt wird, damit die Wirksamkeit des Flussmittels nicht beeinträchtigt und der Lotfluss nicht gehindert wird.
Es konnte erfindungsmäßig festgestellt werden, dass die Rückstände der Lotpasten nach dem Lötvorgang vollständig mit Wasser abzuwaschen sind.
Die erfindungsgemäße pastöse Zusammensetzung weist neben einer guten Lötbarkeit auch eine gute Stabilität nach längerer Lagerung auf.
Beispiel:

Die Salze Gewerbesiedesalz 450,0 kg, Kaliumchlorid 525,0 kg, Lithiumchlorid 450,0 kg, Kryolith-synthetisch 50,0 kg, Lithiumfluorid 8,5 kg, Natriumfluorid 9,0 kg, Kaliumfluorid 45,0 kg, Kaliumkryolith 100,0 kg, Zinkchlorid-Pulver 17,5 kg, Zinkfluorid 85,0 kg, Zinkoxid 5,0 kg, Methylorange 0,006 kg mit dem Ansatz von 1.745 kg werden in einer Kugelmühle zur Partikelgröße auf < 100 µm fein vermahlen.

Danach erfolgt ein zweiter Nassmahlvorgang in einer Kugelmühle der 1745 kg Salzpulver mit 325 kg Wasser über die Zeit von ca. 15 Std. zu einer Paste mit dem Feststoffgehalt von ca. 85%.
In einem Parallelansatz werden 175 g Palmitinsäure bei ca. 80 C in 500 ml Propylenglykol gelöst und die Lösung in ein Lösungsmittelgemisch von 11 kg Dipropylenglykol und 4 kg Propylenglykol eingebracht. Im weiteren Verfahrensschritt wird die Paste mit dem Feststoffgehalt von ca. 85% Salzmischgehalt im Verhältnis von 85% zu 15% des Lösungsmittelgemisches vermischt. Diese rosarote Paste weist eine Dichte von 1,6 L/kg auf.
Zu dieser Pastenmischung erfolgt unter Rühren im Dissolver der Eintrag vom Aluminiumhartlot mit ca. 50 Gew.-%, darin enthaltend 10 bis 12 Gew.-% Silizium.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2019/110781 A1 [0012]
EP 2985112 B1 [0013]
EP 2072178 [0014]

Claims

Aluminiumhartlotpaste zum Aluminiumlöten, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus a) einem Aluminiumhartlot mit 40 bis 50 Gew.-% darin enthaltend 10 bis 12 Gew.-% Silizium, b) einem Aluminiumflussmittel mit 60 bis 50 Gew.-%, c) dem Aluminiumflussmittel enthaltenden ein mit Wasser angerührtem aufgemahlenem Gemisch mit 85 bis 95 Gew.-% an Alkalichloriden, Alkalifluoriden mit Beimengungen von Zinkchloriden, -fluoriden und -Oxiden, d) dem mit Wasser angerührtem aufgemahlenem Gemisch mit 15 bis 5 Gew.% an Bindemitteln aliphatischer Glykole, e) dem Bindemittel mit einer gesättigten Fettsäure mit 0,2 bis 0,4 Gew.-% besteht.
Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit Wasser angerührte aufgemahlene Gemisch von Pulvern im Flussmittel aus 70 bis 85 Gew.-% aus Alkalichloriden, 10 bis 13 Gew.-% aus Alkalifluoriden, 5 bis 7 Gew.-% aus Zinkchloriden und Zinkfluoriden und 0,2 bis 0,5 Gew.-% aus Zinkoxid besteht.
Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem mit Wasser angerührtem aufgemahlenem Gemisch von Pulvern im Flussmittel 15 bis 5 Gew.% an Bindemitteln der aliphatischen Glykole von Dipropylenglykol und Propylenglykol im Verhältnis 3 zu 1 enthält.
Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel eine gesättigte Fettsäure mit 0,2 bis 0,4 Gew.-% an Palmitinsäure enthält.
Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste thixotrope Eigenschaft und eine über Monate andauernde Stabilität aufweist und mit Wasser verdünnbar ist.
Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Lötvorgang Rückstände leicht mit Wasser zu entfernen sind.
Verwendung der Aluminiumhartlotpaste nach Anspruch 1 bis 4 zum Löten von Reinaluminium und Aluminiumlegierungen mit härtenden Zusätzen von Kupfer, Magnesium, Silizium, Mangan, Zink.