DE2330080A1

DE2330080A1 - Loetvorbehandlung von aluminium-halbzeug

Info

Publication number: DE2330080A1
Application number: DE19732330080
Authority: DE
Inventors: Luc Dr Ing Geniets; Daniel Dr Ing Spreng
Original assignee: Alusuisse Holdings AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1972-06-14
Filing date: 1973-06-13
Publication date: 1973-12-20
Also published as: CH543923A; BR7304426D0; FR2187939A1; ATA513373A; GB1421958A; SE392736B; IT989101B; BE800833A; FR2187939B1; JPS4963635A; NL7308132A; AT328820B

Description

SCHWEIZERISCHE ALUMINIUM AG, Chippis/Schweiz

"Lötvorbehandlung von Aluminium-Halbzeug"

Priorität: 14. Juni 1972, Schweiz, Nr. 8885/72 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lötvorbehandlung von Aluminium-Halbzeug.

Eisen- und Kupfer-Legierungen haben ihre überragende Bedeutung in weiten Bereichen der Technik u. a. deswegen gewonnen, weil aus diesen Metallen hergestellte Teile relativ einfach, z. B. durch Löten, miteinander verbindbar bzw. für ein Massenlötverfahren vorzubehandeln sind. Zur Herstellung konstruktiver Gebilde gestatten geeignete, auf die Oxidschichten der Metalle abgestimmte Flussmittel eine problemlose Verbindung. Gleichermassen gestatten sie bei vorgesehenen simultanen Massenlötungen eine, den Lötungen vorangehende, einfache Vorbehandlung, die im Falle von Eisen zumeist aus einer Verzinnung des in Betracht kommenden Eisen-Halbzeuges besteht. Der aus einem anderen Metall bestehende Ueberzug gestattet dann eine ohne technische Schwierigkeiten durchzuführende Massenlötung.

Die heute technisch beherrschte Löttechnologie dieser Werkstoffe liegt in der relativen Instabilität ihrer Oxidüberzüge gegenüber Flussmitteln und einer guten Haftung der aus einem anderen Metall bestehender Ueberzüge.

Als in Verbindung mit Lötvorgängen zu verwendender Konstruktionsv/erkstoff hat Aluminium bisher, trotz seiner für manchen Anv/endungszweck gegenüber den genannten Schwer- und Buntmetallen überlegenen mechanisch-technologischen Eigenschaften, nicht einen entscheidenden Durchbruch erzielen können. Eisen hat für

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viele Anwendungsgebiete ζ. B. den Behälterbau verschiedene Mängel, trotzdem wird an ihm aus den vorstehend genannten Gründen festgehalten, obwohl im Endergebnis ein nicht im ganzen befriedigendes Erzeugnis zur Herstellung gelangt. Beispielsweise für den genannten Zweck stellt sich Aluminium oder eine Aluminium-Legierung als ein dem Eisen überlegener Werkstoff dar, das bzw. die aber Eisen - letztlich aufgrund der Stabilität der Aluminiumoxidsehicht gegenüber Plussmitteln und damit eines komplizierten Lötvorganges - in seiner Anwendung nicht einzuengen vermochten.

Für Einzellötvorgänge von Aluminium werden als Flussmittel zur Zerstörung der Aluminiumoxidsehicht anorganische Chlor- und Fluorverbindungen benutzt, die in ihrer Handhabe arbeitshygienisch jedoch nicht problemlos sind. Ferner wirkt man auf die Oxidschicht auch mit Ultraschall ein, was aber ein kompliziertes Werkzeug zur Durchführung der Lötung voraussetzt. Diese Mittel sind zwar zur Lötung von Aluminium geeignet, sie stellen aber im heutigen Stand der Technologie keine technische Lösung für Massenlötungen von aus Aluminium-Halbzeug herzustellender Gegenstände dar.

Um Aluminium-Halbzeug als Ausgangsmaterial für die Massenherstellung von durch Löten herzustellender Gegenstände attraktiv zu machen, hat man auf die in Verbindung mit den Schwer- und Buntmetallen bekannte Plattierung mit anderen leicht lötbaren Metallen zurückgegriffen. So ist es zur Erweiterung der Anwendbarkeit von Aluminiumdrahjt durch Verbesserung seiner Lötfähigkeit bekannt, den Aluminiumdraht mit einem anderen gut lötfähigen Metall zu überziehen. Als Ueberzugsmetalle sind Zink, Blei oder Zinn oder Legierungen dies;r Metalle zur Anwendung gekommen. Bei den Erzeugnissen dieses Lötvorbehandlungsverfahrens, insbesondere solchen mit Zink, wurde aber festgestellt, dass die Verbesserung der Lötfähigkeit nicht

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konstant bleibt, sondern innerhalb kurzer Frist, bei Lagerung der Erzeugnisse unter normalen ümgebungsbedingungen, abklingt. Innerhalb von 8-10 Tagen geht die verbesserte Lötfähigkeit zum grössten Teil verloren, was auf eine chemische Reaktion der Ueberzüge an der Luft zurückzuführen sein dürfte. Zu diesen sogenannten Heissverfahren tritt zur Lötvorbehandlung noch das Ueberziehen mit Nickel hinzu. Aber auch Nickel vermag keine unbegrenzt beständige Verbesserung der Lötfähigkeiten herbeizuführen.

Ferner sind zur Lötvorbehandlung Nassverfahren bekannt, mit denen z. B. elektrolytisch Silber oder chemisch Nickel auf dem Aluminiumdraht zum Auftrag gelangen. Diese Verfahren sind sehr aufwendig und lassen auch keine zeitlich unbegrenzte Verbesserung der Lötfähigkeit erkennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Lötvorbehandlung von Aluminium-Halbzeug, das dem Halbzeug gleichwertige Löteigenschaften wie einem aus . Schwer- oder Buntmetall erteilt und ferner sollen die einmal erreichten Löteigenschaften über lange Zeit erhalten bleiben, und die Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass das Halbzeug in ein Bad, bestehend aus einem Ueberzugsmetall und einem Galliumzusatz, eingebracht und eine Beeinträchtigung der Oxidschicht des Halbzeuges vorgenommen wird. Es hat sich gezeigt, dass durch eine erfindungsgemäss vorgenommene, sogenannte Lötplattierung einem Aluminium-Halbzeug gleichwertige Löteigenschaften wie Eisen- oder Buntmetall-HaIbzeug vermittelbar sind, und es hat sich herausgestellt, dass die erzielte Löteigenschaft bei Lagerung des Aluminium-Halbzeuges bei normalen Umgebungseinflüssen praktisch zeitlich unbegrenzt erhalten bleibt. Die Löteigenschaften gingen überraschenderweise auch nicht durch nachgeordnete Umformvorgänge, beispielsweise Walzen, verloren.

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Die Erfindung ist dahingehend vorteilhaft weitergebildet, dass das Halbzeug in ein aus Zink, Zinn, Blei, Cadmium oder aus Legierungen dieser Metalle bestehendes Bad eingebracht wird. Die mittels eines aus Zink, Zink und Cadmium oder Zink und Aluminium nebst einem geringen Galliumzusatz bestehenden Bades aufgebrachten Schichten eignen sich vorzüglich als Lötplattierung und Korrosionsschutz. Gleichermassen aufgebrachte Bleischichten sind für elektrochemische Zwecke geeignet. Zinn, Zinn/Blei und Zinn/Zink-Schichten eignen eich für die Verbesserung von Kontaktwiderständen, Lötbarkeit und Abriebsbeständigkeit.

Anfänglich bestanden gegen die Verwendung eines Zink/Gallium-Ueberzuges ale Lötplattierungsmaterial erhebliche Bedenken insofern, als Zink zur Versprödung neigt und Gallium unter Beeinträchtigung des Aluminium-Gefüges entlang den Korngrenzen wandert. Trotede» ergaben sich bei Wärmetauschern, t, B. Auto kühlern, überraschende Ergebnisse, Indem die geniss der Erfindung vorbehandelten, d. h. lötplattierten Aluminiumkühler härtesten Belastungsproben ohne Beeinträchtigung der Lötstellen standhielten.

Im Zuge dieser spezifischen Entwicklungen wurde der Einfluss von Gallium auf die Festigkeit einer Zink/Gallium-Lötverbindung untersucht. Dabei wurde festgestellt» dass die Festigkeit der Lötverbindung rapide abnimmt, wenn der Galliumgehalt über 0,2f% ansteigt. Zwischen 0,05 % und 0,2 % verändern sich die Festigkeitseigenschaften nicht merklich. Sie können in diesem Bereich praktisch als konstant angesehen werden. Bei Galliumgehalten zwischen 0,005 % und 0,05 % steigen die Festigkeitswerte bei Lötstellen von ca 2 cm von ungefähr 160 bis auf etwa 300 kg fast linear an, so dass ein Galliumgehalt von 0,05 % als ein Optimum zu betrachten ist. Demgemäss ist die Erfindung dahingehend vorteilhaft ausgestaltet, dass das Halbzeug einem Bad mit einem Galliumzusatz bis 0,05 % ausgesetzt

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wird. Der Bereich von 0,05 % bis 0,2 % Gallium hat wie bereits erwähnt keinerlei Einfluss auf die Festigkeit, so dase ein Arbeiten in diesem Bereich lediglich teurer wäre.

Für den mit dem erfindungsgemässen Verfahren angestrebten technischen Erfolg ist es unumgänglich, dass die Oberflächen-Oxidschicht des Halbzeuges eine Beeinträchtigung durcl/ Beschädigung, d. h. Äufreissen oder inselartigem Aufbrechen erfährt. Diese Beeinträchtigung kann kurz vor Einbringen des Aluminiumgegenstandes in das erfindungsgemässe Bad beispielsweise durch Reiben, Bürsten oder Recken erfolgen. Da sich Aluminium jedoch sehr rasch wieder mit einer sehr beständigen Aluminium-Oxidschicht überzieht, ist die erfindungsgemässe Weiterbildung bevorzugt, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Beeinträchtigung der Oxidschicht durch eine mechanische Einwirkung im Bad vorgenommen"Wird. Durch diese Massnahme ist eine erneute Oxidschichtbildung unterdrückt. Ohne eine lokale Verletzung der natürlichen Aluminiumoxidschicht auf dem Halbzeug würde das in dem Lötplattierwerkstoff enthaltene Gallium keine Beschichtung des Aluminiums mit der anderen Komponente des Lötplattierwerkstoffes begünstigen. Das Gallium diffundiert sehr rasch entlang den Korngrenzen und entlang der Oxidhaut, woraufhin die Haftung der ansonsten zähen Oxidhaut herabgesetzt und eine Verbindung des Aluminiums mit der anderen Lötplattierwerkstoff-Komponente erreicht wird. Aufgrund des geringen Galliumzusatzes erschöpft sich die Wanderung entlang den Korngrenzen sehr rasch, so dass keine Festigkeitsbeeinträchtigungen zu befürchten stehen. Die Wirkung des Galliums im Zink-Lötmaterial ist nicht nur auf die Auflösung der Aluminiumoxidschicht beschränkt, sondern das Gallium begünstigt auch ein sehr schnelles Eindringen einer Ueberzugswerkstoff-Gallium-Legierung in festes Aluminium.

Im übrigen wurden die vorstehend erwähnten Wärmetauscher ohne

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Verwendung eines Plussmittels in Luft bei einer Temperatur von ca 500 ⁰C durch mechanischen Kontakt hartgelötet. Gemäss der Erfindung vorbehandelte Drähte waren durch Weichlöten gut verbindbar, was auf eine hervorragende Haftung des Weichlotes auf der so erstellten äusseren Schicht zurückzuführen ist. Ferner wurden Versuche unternommen, inwieweit nachgeschaltete Umformvorgänge die Lötfähigkeit gemäss der Erfindung behandelter Halbzeuge beeinträchtigen könnten. Und dabei wurde festgestellt, dass Walzen, Stauchen, Biegen und andere Umformvorgänge keinerlei abträglichen Einfluss auf die erzielten Eigenschaften auszuüben vermochten. Aehnlich günstige Eigenschaften wurden auch für die anderen niederschmelzenden Metalle, Zinn, Cadmium, Blei und Al-Si-EutektiKum erzielt.

Das erfindungsgemässe 'Lötvorbehandlungsverfahren eignet sich für einen diskontinuierlichen Betrieb, der mit Einschränkung für Drähte und Rohre kleineren Querschnittes für Strangpressprodukte in Betracht kommt. Ein Grossteil der Halbzeuge fallen als Walzprodukte in Form von Bändern, Folien, Blechen usw. an und zur Behandlung dieser Produkte ist das erfindungsgemässe Verfahren vorzugsweise verwendbar, indem das Halbzeug kontinuierlich durch das Bad geleitet und eine Beeinträchtigung der Oberflächenoxidschicht vorgenommen wird. Die Beeinträchtigung der Oxidschicht kann kurz vor Eintauchen einer laufenden Metallbahn in das Bad vorgenommen werden. Bevorzugt ist aber die Einwirkung auf die Oberflächenoxidschicht zur Unterdrückung einer neuen Oxidbildung im Bad selbst vorzunehmen. So sind auch Drähte und wickelbare Rohre geringen Querschnittes behandelbar, wobei bei Drähten ein nachträgliches V/eiterziehen ohne Beeinträchtigung der problemlosen Lötbarkeit, und zwar sowohl hart als auch weich, möglich ist.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden anhand einer zur Durchführung des kontinuierlichen Verfahrens geeigneten Vorrichtung näher erläutert.

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Die Vorrichtung zur Lötvorbehandlung besteht aus einem Rahmen 10, der eine Reihe von Rollen bzw. Walzen zur Führung der laufenden Aluminiumbahn stützt. An einem Ende ist die Abwickelrolle 11, d. h. die Vorratsrolle drehbar gelagert. Von dieser' Rolle 11 läuft die Aluminiumbahn 17 um eine Umlenkrolle 12 in einen Behälter 13» der ein Bad bestehend aus Zink und Gallium enthält. Im Bad sind zwei Umlenkstangen 1*1 und 15 vorgesehen, die über eine Stützeinrichtung 16 am Rahmen 10 angeordnet sind. Die Umlenkstangen 1Ί und 15 sind im Gegensatκ cur Umlenkrolle 12 nicht drehbar gelagert. Man kann die Umlenkstangen auch drehbar lagern unter der Voraus set sung, dass Ihre Umfangsgeschwindigkeit *ur Bandgeschwindigkeit unterschiedlich ist, so dass d«r Reibeffekt erhalten bleibt. Sowohl die untere Umlenketange 1% als auch die ober* Umlenketange 15 sind heie* bar. Die Heilbarkeit der Umlenketangen 1* und 15 hat sich als sehr Bweckmässig erwiesen. Einmal wird dadurch bei Inbetriebnahme der Vorrichtung vermieden, da»« der Behälterinhalt an den ürclenkstangen klebt· !um anderen reicht die Heizung der Umlenkstangen aus, um die War«« in das Bad einzutragen, die durch die laufende Metallbahn aus de» Bad abgeführt wird. Nur bei sehr hohen Bandgeschwindigkeiten könnte eine Zusateheieung sun Ausgleich der aus den Bad ausgetragenen Wärme notwendig werden. Von den Umlenksttngen 111 und 15 läuft die Aluminium* bahn 17 auf eine welter« Ümlenkrolle Il auf, von der sie tu einen Antrieb 19 gelangt. Der Antrieb 19 l»t aus einem Walten* paar gebildet* Die U«lenkrolle 18 ist gekühlt, vorsugsweise innen gekühlt, und «war mit Druckluft, damit der auf der Aluminiumbahn 17 aufgebrachte Ueberzug rasch zur Abkühlung gebracht und damit eine Benetzung der Walzen des Antriebes 19 vermieden wird. Von dem Antrieb 19 läuft die Aluminiumbahn 17 schliesslich auf die Aufwickelrolle 20 auf.

Die eigentliche erfindungsgemässe Vorbehandlung findet in dem Bad, und zwar ausgehend von dem untersten Umkehrpunkt der

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Umlenkstange 14 bis zum Austritt der Aluminiumbahn 17 aus der im Behälter 13 enthaltenen Schmelze statt. Im vorliegenden Falle handelt es sich um eine zweiseitige Vorplattierung der Aluminiumbahn 17 mit Zink. Dies ist daraus ersichtlich, dass beide Urnlenkstangen 14 und 15 von der Aluminiuinbahn 19 umlaufen werden. An den Umlenkstaugen lh und 15 findet die Beeinträchtigung der Oberflächenoxidschicht statt, indem durch geeignete Hemmung der Abwickelrolle 11 die Aluminiumbahn 17 an den Urnlenlcstangen l^l\ und 15 einer Dehnung ausgesetzt wird, die ihrerseits ein Aufreissen der an sich spröden Oberflächenoxidschicht zur Folge hat. Die Umlenkstange l^l\ liegt reibend en der Oberseite und-die. Umlenkstange 15 reibend an -der - Unterseite der laufenden Aluminiumbahn _17 an. .,-Dadurch wird jungr-' frauliches Aluminium ' ' ''

der 'Schmelze zur Anlagerung und Diffusion angeboten, wobei das Gallium einen weiteren Abtrag der Oxidschicht und eine beschleunigte Diffusion des Zinks in das Aluminium bewerkstelligt. Ist nur eine einseitige Beschichtung der Bahn 17 erwünscht, so kann beispielsweise die Umlenkstange 15 weggelassen werden. Es wird sich bei einer einseitigen Beschichtung natürlich auch Zink auf der anderen Seite, die keiner Beeinträchtigung der Oxidschicht ausgesetzt war, ablagern. Aufgrund mangelhafter Haftung können auf dieser Seite aus dem Bad ausgetragene Schmelzrückstände beispielsweise vor Auflaufen der Aluminiumbahn auf die gekühlte Rolle 18 durch eine geeignete Einrichtung zum Abtrag gebracht werden.

Insbesondere für den Wärmetauscherbau hat sich eine Badzusammensetzung aus Zink mit 0,05 % Gallium als besonders zweckmässig erwiesen. Bei zu verbindenden Wärmetauscherteilen mit engen Toleranzen konnte mit ausgezeichneten Ergebnissen eine Direktverlötung vorgenommen v/erden. Bei Wärmetauscherteilen mit grösseren Toleranzen wurde zu ihrer Verbindung mit einem aus Blei und Zinn bestehenden Weichlot gearbeitet. In diesem Fall erwies sich die erfindungsgernäss ausgebildete Vorplat-

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tierung als eine ausgezeichnete Haft- bzw. Benetzungsgrundlage.

Die Badtemperatur wird zweckmässigerweise zwischen ΗβΟ bis ^80 ⁰C gehalten. Aufgrund der Löslichkeit von Aluminium in Zink ist eine möglichst grosse Bandgeschwindigkeit anzustreben. Eine Bandgeschwindigkeit von max. 300 mm/sec bei jiner Durchlaufzeit von etwa 1 see. durch das Bad ergibt eine für die meisten technischen Bestimmungen ausreichende Schichtdicke von 20 μτα.

Mit 21 ist eine Abstreifvorrichtung bezeichnet, die zwei teilweise im Bad eingetauchte Rollen umfasst, und mit der die Schichtdicke mechanisch auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, indem die Rollen jeweils eine zur Bahnbewegungsrichtung entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen.

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Claims

Ansprüche

.)Verfahren zur Lötvorbehandlung von Aluminium-Halbzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beeinträchtigung der Oberflächenoxidschicht des Halbzeuges vorgenommen v/ird und dass das Halbzeug in ein Bad* das ein Überzugsmetall und einen Galliuir.zusatz aufv.-eist, eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug in ein aus Zink, Zinn, Blei, Cadmium oder aus Legierungen dieser Metalle bestehendes Bad eingebracht wird.
3. Verfc-hren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug einem Bad mit einem Galliumzusatz Mc 0,05 ^ ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinträchtigung der Oxidschicht durch eine mechanische Einwirkung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Aluminium-Halbzeug kontinuierlich durch das Bad geleitet und eine Beeinträchtigung der Oberflächenoxidschicht im Bad vorgenommen wird.

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