DE2341084B2 - Verwendung einer zink als hauptbestandteil enthaltenden legierung - Google Patents
Verwendung einer zink als hauptbestandteil enthaltenden legierungInfo
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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)
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.
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