DE2148034A1

DE2148034A1 - Flußmittelfreies Hartlot

Info

Publication number: DE2148034A1
Application number: DE19712148034
Authority: DE
Inventors: William James Clinton Tenn Werner (V St A)
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-10-02
Filing date: 1971-09-25
Publication date: 1972-04-06
Also published as: CA940341A; CH568121A5; AU3404571A; GB1331528A; AU449017B2; FR2110926A5; US3697259A; IT939239B

Description

Flußmittelfreies Hartlot

Die Erfindung betrifft eine Legierung zum flußmittelfreien Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Eine zum Hartlöten als Füllmittel geeignete Legierung muß mindestens zwei Anforderungen genügen. Sie muß einmal die Oberflächen der zu verlötenden Teile benetzen, d.h. die Fähigkeit besitzen, als Schmelze sich der Form der Metallflächen anzupassen und durch Abkühlen unter die Solidus-Temperatur mit dem Metall eine feste Bindung einzugehen. Die Fließfähigkeit der Lotlegierung bestimmt die im geschmolzenen Zustand unter dem Einfluß von Kapillar kr äf ten von der Ausgangslage aus zurückgelegte Entfernung. Um gut zu fließen darf selbst bei Veränderung der Zusammensetzung durch Auflösung von Metall der zu lötenden Teile die Liquidustemperatur nicht nennenswert steigen. Das ist besonders beim Kaltlöten von Aluminiumteilen wichtig, weil hier sehr dicht an der

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Liquidustemperatur gearbeitet wird.

Benetzungs- und Fließfähigkeit hängen sowohl von der Hartlotlegierung selbst als auch von dem Material der zu vereinigenden Teile ab. Besondere Schwierigkeiten bereiten die seit langem als ein Hindernis für das Hartlöten erkannten, zäh haftenden Oxydfilme auf Aluminiumlegierungen. Die bisher bekannten Maßnahmen erfordern die chemische Reinigung der zu verlötenden Teile zur Entfernung der dicken Oxydschichten sowie * die Verwendung eines gesonderten, korrodierenden Flußmittels bei der

Lötbindung, damit die Lotlegierung zur Bildung der Lötverbindung mit einer oxydfreien Fläche in Kontakt gelangt. Das Flußmittel fördert zwar die Benetzungs- und Fließwirkung, ist aber anschließend nur sehr schwer oder gar nicht mehr entfernbar. Das in der Lötverbindung eingeschlossene Flußmittel beeinträchtigt die Festigkeit und kann korrodierend wirken.

Aufgabe der Erfindung ist eine Hartlotlegierung, die ohne korrodierendes k Flußmittel auch zum Verbinden von Aluminium oder dessen Legierungen

geeignet ist.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß bestimmte Legierungen eine gute Lötverbindung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen ohne ein korrodierendes Flußmittel bilden. Diese Legierungen bestehen, in Gew. %, aus einem der folgenden Dreiphasensysteme mit den jeweils in Gew. % angegebenen Zusammensetzungsbereichen!

a) Aluminium - Silizium - Germaniumj 35 - 55% Aluminium, 10 - 20% Silizium, 25 - 60% Germanium; Fließtemperatur 549 - 590 ⁰C.

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b) Aluminium - Silizium- Indium; 65 - 88% Aluminium, 2 - 20% Silizium, 2 - 18% Indium; Fließtemperatur 579 - 590 ° C.

c) Aluminium - Silizium - Yttrium; 65 - 80% Aluminium, 15 - 25% Silizium, 5 - 15% Yttrium; Fließtemperatur 590 - 616 °C.

Diese Legierungen bilden eine gute Lötverbindung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wenn in der weiter unten erläuterten Weise vorgegangen wird.

Die Lötfüllstofflegierungen werden nach bekannten, wolfram-trägen Gas-Schmelzverfahren zu Legierungspastillen oder -abschnitten geformt, zu Stücken geeigneter Größe geschnitten und auf die Paßflächen gelegt. Sie können, besonders für die Massenverarbeitung, auch zu Drähten, Platten oder Folien geformt werden.

	Tabelle	I	6061 «MUMMM	.40-	Legierung	2219*	.8
			Zusammensetzung	.7			,40
			.15-	in Gew. %	.20
		.15	.8	.30
Si		.8-1		5.8- 6
Fe		.04-	.40	.20- .	10
Cu		.25		.02	643
Mn		.15	.2	-
Mg		582 -	.35	.10
Cr				.02- .
Zn	Schmelzbereich ( C)		543 -
Ti	693

Vanadium 0.05-0.15; Zirkon 0.10-0.25.

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Im folgenden wird die Hartverlötung der in der Tabelle I verzeichneten Legierungen beschrieben. Hierbei sind eine Reihe wichtiger Maßregeln zu beobachten. Die zu vereinigenden Flächen müssen sauber sein. Aluminium oder seine Legierungen bilden selbst bei Zimmertemperatur oder im Vakuum einen zäh haftenden Oxydfilm auf der Oberfläche. Obwohl Aluminium und Aluminiumlegierungen auch im Vakuum oder in träger Atmosphäre oxydieren, ist überraschenderweise eine erfolgreiche Hartlötung möglich, wenn die zu vereinigenden Flächen nur soweit chemisch gereinigt werden, daß ein lötbar dünner Oxydfilm zurückbleibt. Darunter wird ein Oxydfilm an der Oberfläche verstanden, der so dünn ist, daß das erfindungs gemäße Lot durch ihn hindurchdringen kann und die erforderliche Netz- und Fließwirkung erzeugt. Im Einzelfall hängt die Art der hierzu erforderlichen chemischen Reinigung von der Zusammensetzung des Lots und der zu lötenden Teile ab. So können die Legierungen 6061 und 2219 bis zur Entstehung einer brauchbaren Fläche ausreichend durch Eintauchen in eine wässerige Lösung von 20 Vol. % Salpetersäure und 2 Vol. % HF bei Zimmertemperatux· während 1-3 Min. gereinigt werden. Sofort nach der Reinigung wird erst mit kaltem Wasser und dann mit Azeton gespült.

Da die chemisch gereinigten Teile ihre brauchbaren Flächen für eine begrenzte Zeit behalten, sollten sie ziemlich bald nach der Reinigung gelötet werden, und zwar am besten im Vakuum bei weniger als 1 χ 10" Torr bei der entsprechenden Löttemperatur. Sobald das Lot geschmolzen und über die Paßflächen geflossen ist, kann das gelötete Werkstück in träger Atmosphäre, wie Helium oder Argon, gekühlt werden, womit der

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Lötvorgang abgeschlossen ist. Die Erhitzung auf die Löttemperatur darf nicht zu lange dauern, -weil sonst die durch die chemische Reinigung geschaffene lötbare Fläche wieder zerstört wird. Die Ermittlung der für eine jeweilige Legierung optimalen E rhitzungs zeiten kann routinemäßig im voraus festgelegt werden.

Fließ- und Benetzungsfähigkeit des er findung s gemäßen Lots wurden
am Beispiel von Werkstücken der Legierungen der Tabelle I geprüft.
Sowohl die zu lötenden Werkstücke wie auch die Lotlegierungen wurden vor der zur Messung der Schmelztemperatur und Benetzbarkeit vorgenommenen Erhitzung gereinigt. Die Tabelle II zeigt erfindungsgemäße Hartlote des Systems Aluminium - Silizium - Germanium.

	Tabelle	II	•Si	in Gew. %	Si - Ge Legierungen
Fließtemperatur	und Zusammensetzung der Al -	5	Ge	Fließtemp. in ⁰C
Legierungs-Nr.	Zusammensetzung	10	40
	Al	15	35	549
1	55	20	30	571
2	55	5	25	571
3	55	10	50	574
4	55	15	45	549
5	45	20	40	571
6	45	5	35	574
7	45	10	60	590
8	45	15	55	549
9	35	20	50	574
10	35	45	579
11	35		579
12	35

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AlIe Legierungen der Tabelle II wurden bei 549 - 590 C geschmolzen und zeigten auf der Aluminiumlegierung 6061 ausgezeichneten Fluß. In der Regel stieg die Fließtemperatur mit zunehmendemSiliziumgehalt. Alle 5 Gew. % Silizium enthaltenden Legierungen besaßen eine Fließtemperatur von 549 C. Bei 20 Gew. % Silizium stieg diese bis auf 590 ⁰C.

Aus der Legierung No. 9 wurden T-Stücke gefertigt, indem die Hartlot legierung auf das eine Ende der Verbindungsstelle gebracht wurde, worauf es durch Kapillarwirkung entlang der gesamten Länge der Verbindung floß. Sodann wurde die Stelle durch Halten einer Temperatur von 549 °C während 2 1/2 Min. im Vakuum verlötet. Die Lötverbindung zeigte eine gute, saubere Glättung über die gesamte Länge ohne Anzeichen von Porosität. Alle Legierungen der Tabelle II zeigten ausgezeichnete Netz- und Fließmerkmale. Umfangreiche Versuche ergaben die Notwendigkeit einer möglichst kurzen Lötdauer, um eine übermäßige Reaktion mit der Legierung des Werkstücks zu vermeiden. So verursachte z.B. eine Lötdauer von 10 Min. bei 549 C mit der Legierung No. 5 bereits eine zu starke Reaktion mit dem Werkstück. Demgegenüber ergab eine Lötdauer unter 3 Min. eine ausgezeichnete Lötverbindung ohne Anzeichen übermäßiger Reaktion. Als Regel gilt also, die Lötdauer möglichst kurz zu halten, um eine zu starke Reaktion zu vermeiden.

Die Tabelle III zeigt die Fließtemperatur und Zusammensetzung der Hartlotlegierungen des Systems Aluminium - Silizium - Indium.

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	Tabelle	in	_Si	In	Si - In Legierungen
Fließtemperatur	und Zusammensetzung der Al -	10	2	Fließtemp. in C
Legierungs-Nr.	Zusammensetzung in Gew. %	18	2
	Al	23	2	590
1	88	7	10	590
2	80	15	10	590
3	75	20	10	590
4	83	2	18	585
5	75	10	18	585
6	70	17	18	590
7	80		579
8	72	585
9	65

Durch Vakuumlöten der Legierungen der Tabelle III mit den Legierungen der Tabelle I hergestellte T-Stücke zeigten bei weniger als 5 Min. Lötdauer ausgezeichnete Glättung ohne übermäßige Reaktion zwischen Lot und Werkstückmaterial.

Die Tabelle IV zeigt einige als Hartlot geeignete Legierungen des
Systems Aluminium - Silizium - Yttrium.

	Tabelle	IV	Si	Y	Si-Y Legierungen
Fließtemperatur	und Zusammensetzung der Al -	10	5	Fließtemp. in °C
Legierungs- Nr.	Zusammensetzung in Gew. %	15	5
	Al	15	10	604
1	85	20	(Jl	616
2	80	20	10	699
3	75	20	15	610
4	75	25	5	616
5	70		616
6	65	590
7	70

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Die Brauchbarkeit dieser Legierungen ist auf die Lötung höher schmelzender Alurniniumlegierungen, wie des Systems 6061, beschränkte Bei Lötversuchen mit dieser Legierung konnte für jede der Legierungen der Tabelle IY eine ausgezeichnete Netz- und Fließwirkung gezeigt werden. Auch hier muß die Erhitzungsdauer sorgfältig kontrolliert werden, um eine zu starke Durchdringung des Werkstückmetalls infolge einer Wechselwirkung zwischen der Werkstücklegierung und dem Lot zu vermeiden. Infolge der höheren Fließtemperatur ist dieses Lotsystem in seiner Verwendung im Vergleich zu den Germanium und. Indium enthaltenden Lotsystemen etwas beschränkt. Jedoch läßt sicli die Fließtemperatur durch Zugabe geringer Mengen, bis zu etwa 5%, von Elementen wie Kupfer, Zinn, Zink herabsetzen, wodurch die Lötdauer großzügiger gehandhabt werden kaiin, ohne eine übermäßige Reaktion von Lot und Werkstücklegierung hervorzurufen.

Die angegebenen und beanspruchten Zusammensetzungsbereiche können neben den aufgeführten Komponenten noch die bei Herstellung und Verarbeitung üblichen Verunreinigungen enthalten.

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Claims

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Patentanspruch

Legierung zum flußmittelfreien Hartlöten von Aluminium oder Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese im wesentlichen, in Gew. %, aus 35 - 55% Aluminium» 10 - 2G% Silizium, 25 - 60% Germanium oder 25 - 88% Aluminium, 2 - 20% Silizium, 2 - 18% Indium oder 65 - 80% Aluminium, 15 - 25% Silizium, 5 « 15% Yttrium besteht.

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