DE2341084B2 - Verwendung einer zink als hauptbestandteil enthaltenden legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Zink als Hauptbestandteil enthaltenden Legierung.

Werkstücke bzw. Teile aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden im allgemeinen nach mehreren Verfahren, bei denen Lötlegierungen verwendet werden, die im allgemeinen verschiedene Mengen Blei, Zinn, Antimon, Zink und Aluminium enthalten, bei Temperaturen in der Nähe von 430° C oder darunter, und zwar gewöhnlich darunter, miteinander verlötet. Eine derartige Lötlegierung enthält Zink als Hauptbestandteil und bis zu etwa 10Gew.-% Aluminium. Chemische Flußmittel werden häufig beim Löten benutzt, um den zähen Oberflächenoxidfilm auf den zu verlötenden Aluminiumwerkstücken zu entfernen und eine saubere Metalloberfläche zu schaffen, die von der geschmolzenen Lötlegierung benetzt werden kann und an der die Lötlegierung haften kann. Andere Mittel zum Entfernen des Oxidfilms sind ebenfalls angewendet worden, zu denen beispielsweise das mechanische Abscheuern und die Anwendung von Ultraschallenergie gehören, wobei durch letztere auf einigen Anwendungsgebieten in einem gewissen Maße ein geeignetes Ergebnis erreicht wird.

Bei einer geeigneten Löttechnik werden die zu verbindenden Werkstücke getrennt oder in zusammengesetzter Form in der zum Löten geeigneten gegenseitigen Anordnung in ein Bad aus geschmolzenem Lötmittel eingesenkt oder eingetaucht, um die einzelnen Werkstücke für das nachfolgende Verbinden zu überziehen oder vorzuverzinnen oder das Löten eines zusammengesetzten Werkstücks in situ zu bewirken. Wenn das Lötmittelbad Aluminium enthält, besteht eine erhebliche Neigung zur Bildung eines zähflüssigen Schaums, der Oxide und eingeschlossene Lötlegierung enthält und sich auf der Oberfläche des Bads befindet, und dieser Lötmittelschaum haftet auf den eingetauchten Oberflächen wie eine zähflüssige bzw. gummiartige Masse, wenn die Werkstücke mit den betreffenden Flächen aus dem Bad herausgezogen werden. Als Ergebnis wird eine sehr ungleichmäßige und manchmal überreichliche Verteilung von Lötmitteln erhalten. Dieser Zustand ist erfahrungsgemäß auf zahlreichen Tauchlötanwendungsgebieten, einschließlich des Tauchlötens unter Einwirkung von Ultraschall, erhalten worden. Im allgemeinen wird versucht, den überreichlichen Lötmittelschaum durch kräftiges Schütteln des zusammengesetzten Werkstücks oder der einzelnen vorverzinnten Teile von den Lötnähten bzw. den Verbindungsstellen zu entfernen. Diese Verfahrensweise ist nicht nur umständlich, sondern etwas von dem Lötmittelschaummaterial bleibt in der gegebenenfalls gelöteten Verbindungsstelle zurück und kann zu Hohlräumen in der Verbindungsstelle bzw. der Lötnaht führen. Das Problem scheint in dem Maße ernsthafter zu werden, in dem der Aluminiumgehalt des Bads zunimmt. Aluminium ist jedoch in der Lötlegierung erwünscht, weil es den Schmelzpunkt des Zinks erniedrigt und dadurch ein Löten bei niedrigeren Temperaturen erlaubt. Sogar bei Verwendung von praktisch reinem Zink wird das Problem nicht entschärft, weil geschmolzenes Zink Metall von den Aluminium- oder Aluminiumlegierungswerkstücken während des Eintauchens löst und folglich das Lötmittellegierungsbad mit Zink als Hauptbestandteil während des Lötvorgangs an Aluminium angereichert wird.

Die deutsche Offenlegungsschrift 19 66 027 beschreibt die Verwendung eines überwiegend aus Zink bestehenden Werkstoffs mit Gehalten an Wismut und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Antimon in Mengen von je 0,01 bis 10 %, sowie Aluminium zum flußmittellosen Löten von Aluminiumwerkstoffen unter nicht oxidierender Atmosphäre bzw. einer Atmosphäre mit nur geringem Sauerstoffanteil an der Lötstelle.

Das deutsche Patent (Patentanmeldung P 21 43 966.7) betrifft eine Weiterbildung des Gegenstandes der deutschen Offenlegungsschrift 19 66 027, und zwar kann nach diesem .Patent anstelle oder zusammen mit Wismut, Strontium, Barium und/oder Antimon ein Gehalt an Beryllium in Mengen von 0,00001 bis 1,0 % vorhanden sein.

Nach diesem Patent und der genannten Offenlegungsschrift werden die Werkstoffe zum Löten aneinandergefügt und findet ein flußmittelloses Löten in einer nicht oxidierenden Atmosphäre bzw. in einer Atmosphäre mit nur geringem Sauerstoffanteil an der Lötstelle statt. Für das flußmittellose Schutzgaslöten kann eine beliebige Anzahl von Legierungen anwendbar sein, die jedoch nicht ohne weiteres für ein Tauchlöten in einem Lötbad geeignet sind. Beim Tauchlöten müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein, um eine gut aussehende und feste Lötstelle bei geringstmöglichem Lötverbrauch zu erreichen.

Die US-PS 34 80 465 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung mittels Tauchlöten, wobei ein Lötbad verwendet wird, welches 0,001 bis 0,01 % Beryllium, 0,2 bis 2 % Aluminium und als Rest Zink enthält. Nach dieser Patentschrift sollen nicht Teile aus Aluminium miteinander verbunden werden. Die Tauchbehandlung betrifft eine eisenhaltige Legierung, insbesondere Kohlenstoffstahl und Gußeisen. Das Eisenteil wird aus dem Bad herausgenommen und gekühlt, und der Legierungsüberzug wird dann mit geschmolzenem Aluminium bzw. einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in Berührung gebracht, um eine chemisch gebundene Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungsschicht auszubilden. Es wird dort also kein Tauchen von Aluminium- oder Aluminiumlegierungsteilen in ein Lötbad vorgenommen, sondern es wird das geschmolzene Aluminium durch Aufgießen desselben auf das Teil außerhalb des Lötbads aufgebracht. Diese Patentschrift betrifft daher nicht das Tauchlöten eines Teils aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem anderen solchen Teil. Außerdem befaßt sich diese Patentschrift nicht mit der Lösung des Problems, wie die Bildung von überreichlichem Lötmittelschaum verhindert werden kann.

Aus der US-PS 26 71 958 ist das Tauchhartlöten von Teilen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bekannt, doch wird dort eine völlig andere Art eines Legierungsbads verwendet, als es nach der Erfindung in Betracht kommen soll. Die britische Patentschrift

6 46 233 beschreibt schließlich eine Legierung, die als Zink-Druckgußlegierung verwendet werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung zum Tauchlöten von Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungsteilen zur Verfügung zu stellen, die ein Lötbad ergibt, durch das eine gut aussehende und feste Lötstelle bei geringstmöglichem Lotverbrauch erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Verwendung "iner Legierung mit 3 bis 7 % Aluminium, 0,01 bis 0,1 % Beryllium und Rest im wesentlichen Zink zum Tauchlöten von Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungsteilen vor.

Durch Verwendung einer solchen Legierung zum Tauchlöten von Aluminium- bzw. Aluminiumlegierungsteilen wird eine gut aussehende feste Lötstelle bei geringem Lotverbrauch erzielt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung enthält die zum Tauchlöten verwendete Legierung 0,01 bis 0,03 % Beryllium. So entspricht eine bevorzugte Zusammensetzung des Lötmittelbads 4 bis 6 Gew.-°/o Aluminium und 0,01 bis 0,03 Gew.-% Beryllium, Rest im wesentlichen Zink, und zwar im Hinblick auf einen niedrigen Schmelzpunkt der Legierung und deren Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit.

Die zu verbindenden Teile oder Werkstücke, manchmal Grundteile genannt, können aus irgendeinem der Aluminiummaterialien bestehen, die üblicherweise für gelötete Teile verwendet werden. Sie können aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen, und eine Lötnaht kann Werkstücke aus verschiedenen aluminiumhaltigen Materialien enthalten bzw. verbinden. Zu typischen Legierungen gehören solche, die mindestens 75 % Aluminium und 1 oder mehr bis zu 10 % oder 12 % Zink, Magnesium, Kupfer oder Silicium und bis zu 1 oder 2 % von solchen Elementen, wie Eisen, Mangan, Nickel oder Chrom, enthalten. Die Aluminiumwerkstücke können entweder Gußwerkstücke oder Knetwerkstücke sein, und ein Aluminiumwerkstück kann mit einem Nichtaluminiumwerkstück verbunden werden. Zum Beispiel kann bei Durchführung der Erfindung ein Aluminiumwerkstück mit einem Kupferoder Messingwerkstück verbunden werden.

Die zu verbindenden Werkstücke werden in das Lötmittelbad getrennt oder gemeinsam in aneinandergelagerter Anordnung eingetaucht. Im ersteren Fall wird ein Aluminiumwerkstück oder werden mehrere Aluminiumwerkstücke in das Lötmittelbad gesondert eingetaucht, um einen Lötmittelüberzug auf dem Aluminiumwerkstück bzw. den Aluminiumwerkstücken aufzubringen. Dann werden die vorverzinnten Werkstücke zu dem gewünschten zusammengefügten Gebilde zusammengesetzt und erneut erwärmt, um das Lötmittel zu verflüssigen und dann nach dem Festwerden des Lötmittels ein einheitliches Gebilde aus den Werkstücken zu erhalten. Eine relative Bewegung zwischen den Werkstücken in der aneinander angeordneten Stellung und während der Zeitspanne, in der das Lötmittel geschmolzen ist, unterstützt die Bildung einer dichten Lötnaht.

Im letzteren Fall werden die Werkstücke zu einem aneinandergelagerten Gebilde vor dem Eintauchen zusammengesetzt, d. h. in einer solchen Stellung zueinander und in einem so geringen Abstand, daß das geschmolzene Lötmittel beim Eintauchen des Gebildes die betreffenden Oberflächen erreichen und unter Bildung einer Verbindung oder Brücke zwischen den Oberflächen benetzen kann, die dann nach dem Verfestigen die Lötnaht bildet.

Die Temperaturen des Lötmittelbads reichen im allgemeinen von 385 bis 454° C, vorzugsweise von 400 bis 440° C, wobei die optimale Temperatur von der Zusammensetzung der Lötlegierung abhängt, weil der Schmelzbereich der Legierung von deren Zusammensetzung abhängt. Die Badtemperatur wird vorzugsweise bei einem Stand gehalten, der gerade über der Schmelztemperatur des Lötmittels und nicht übermäßig hoch über dieser Schmelztemperatur liegt, weil sonst aus den zu verlötenden Teilen Aluminium in zu großem Maße gelöst werden würde.

Durch wiederholtes Tauchlöten wird das Bad an Lötmetall erschöpft und außerdem wird die Zusammensetzung des zurückbleibenden Metalls geändert, weil, wie oben angegeben ist, eine Lötlegierung mit Zink als Grundbestandteil Aluminium angreift und einen gewissen Teil davon löst, wodurch sich das Bad an Aluminium anreichert. So besteht die Tendenz, daß das Bad an Zink und Beryllium verarmt und mit Aluminium angereichert wird. Daher wird das Bad von Zeit zu Zeit ergänzt, um das entfernte Metall zu kompensieren und die Zusammensetzung des Bads innerhalb der gewünschten Grenzen einzustellen. So kann eine Lötlegierung periodisch zugegeben werden, die im wesentlichen aus Zink als Hauptbestandteil sowie aus den oben angegebenen Berylliummengen besteht und weniger Aluminium enthält, als in dem Bad vorhanden sein soll, um so die Verarmung der Badzusammensetzung an Zink und Beryllium bzw. die Anreicherung an Aluminium zu kompensieren. Im allgemeinen können periodische Zugaben einer Legierung, die 0,01 bis 0,1 % Beryllium und als Rest im wesentlichen Zink enthält, zu dem Bad vorgenommen werden. Es kann auch eine Lötlegierung periodisch zugegeben werden, deren Aluminiumgehalt geringer ist als der in der Schmelze gewünschte Aluminiumgehalt. Wenn daher ein Bad einen Gehalt an Aluminium von 5 % beibehalten soll, wird das Bad geeigneterweise durch Zugabe einer Legierung ergänzt, die 0,5 bis 4 % Aluminium, 0,01 bis 0,1 % Beryllium und als Rest im wesentlichen Zink enthält. Die aluminiumhaltige Legierung schmilzt, wie festzustellen ist, bei niedrigeren Temperaturen, was in einigen Fällen vorteilhaft ist. Das zur Aufbereitung verwendete Lötmittel kann in irgendeiner geeigneten Form, wie z. B. in Form von Gußblöcken oder -stäben, Drähten oder auch anderen Formen, zugegeben werden.

Während des Eintauchens kann Ultraschallenergie angewendet werden, weil dadurch die Notwendigkeit der Zugabe eines chemischen Flußmittels verringert wird. Die Ultraschallenergie kann unter Benutzung bekannter Mittel zur Anwendung gelangen, wozu das Eintauchen von Ultraschall erregender Vorrichtungen in das Bad oder die Anwendung äußerer Vorrichtungen gehören, die das Bad durch die Wandungen des Badbehälters oder -gefäßes erregen. Wie oben angegeben ist, hat man bisher bereits unter Anwendung von Ultraschall die einzelnen zu verlötenden Teile durch Eintauchen derselben in ein Bad aus geschmolzenem Lötmittel vorverzinnt. Nach dem Herausnehmen aus dem Bad werden die Teile heftig geschüttelt, um so viel wie möglich von dem auf den Oberflächen der Teile befindlichen überschüssigen Lötmittel zu entfernen. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verwendung der Legierung zum Tauchlöten unter Anwendung von Ultraschall ermöglicht, daß die Notwendigkeit, die Teile heftig zu schütteln, entfällt oder sehr verringert wird

und daß die vorverzinnten Teile im allgemeinen praktisch in dem Zustand, in dem sie sich beim Herausnehmen aus dem Bad befinden, verlötet werden können.

Gleichfalls ist die Tatsache wesentlich, daß die zum Tauchlöten verwendete Legierung auf einigen Gebieten das flußmittellose Löten von zuvor zusammengesetzten zu verlötenden Werkstücken erleichtert, ohne daß zunächst gesondert vorverzinnt wird, und zwar weil das Beryllium die Bildung von übermäßig koalesziertem Lötmittel und Schaum an den Lötstellen auf ein Kleinstmaß zurückführt, wodurch das freie Fließen des geschmolzenen Lötmittels um die zu verbindenden Flächen herum sichergestellt ist. Außerdem verbessert das Beryllium praktisch auch die Fließeigenschaften der Lötlegierung, wodurch ein besseres Fließen in die Ritzen und Kapillaren der Lötstelle ermöglicht wird. Durch flußmittelloses Tauchlöten unter Anwendung von Ultraschall erhaltene Lötnähte haben ein erhebliches Maß an Gleichmäßigkeit hinsichtlich der Dicke der Lötnaht und des Fehlens von Poren oder Hohlräumen in dem Füllmetall der Lötnaht gezeigt, wenn sie nach dem verbesserten Verfahren unter Verwendung des verbesserten Lötmittels gebildet worden sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung mit 3 bis 7% Aluminium, 0,01 bis 0,1 % Beryllium und Rest im wesentlichen Zink zum Tauchlöten von Aluminiumbzw. Aluminiumlegierungsteilen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 zum Zwecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 0,01 bis 0,03 % Beryllium enthält.