DE60005258T2 - Konversionsschichten auf Aluminium, hergestellt mittels KF-Lösungen zum flussmittelfreien Hartlöten - Google Patents

Konversionsschichten auf Aluminium, hergestellt mittels KF-Lösungen zum flussmittelfreien Hartlöten Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft das Ersetzen der natürlichen Aluminium-Oberflächenoxide mit stabilen Umwandlungsbeschichtungen, die beim Hartlöten helfen. Spezieller wird die Umwandlungsbeschichtung gebildet indem man das Aluminium zuerst durch thermisches Entfetten oder wäßrig-alkalisches Entfetten behandelt, und das behandelte Aluminium dann einer wäßrigen KF-Lösung aussetzt.
  • Es wird auf GB-A-2340133 Bezug genommen, betitelt „Method of Simultaneous Cleaning and Fluxing of Aluminium Cylinder Block Bore Surfaces for Thermal Spray Coating Adhesion". Arbeiter auf diesem Gebiet verwenden oft das Hartlöten, um Aluminiumlegierungs-Komponenten zu verbinden, und speziell ist Hartlöten das bevorzugte Verfahren um Aluminium-Wärmetauscheraufbauten zu verbinden. Aluminium und Aluminiumlegierungen sind jedoch allgemein sehr reaktiv und bilden schnell einen Oberflächenoxidfilm (5–100 Nanometer stark), wenn sie der Atmosphäre bei Umgebungstemperatur ausgesetzt sind. Ein derartiger Oberflächenoxidfilm verhindert die Bildung einer starken, hochqualitativen, defektfreien Bindung zwischen den zu verbindenden Artikeln. Folglich wird es, um eine metallurgische, chemische oder intermetallische Bindung zwischen dem Aluminium oder den Aluminiumlegierungen zu bewirken, als notwendig erachtet einen derartigen Oxidfilm zu entfernen, aufzulösen oder zu unterbrechen. Zum Beispiel wird in U.S.-Patent Nr. 5,820,015 die Oxidschicht durch chemisches Ätzen unter Verwendung eines wäßrigen KF-Ätzmittels entfernt.
  • Die Konzentration von KF in dem Ätzmittel liegt im Bereich von 0,01 Gewichtsprozent bis 5,0 Gewichtsprozent. In dem in Tabelle 1 bereitgestellten Beispiel ist die Konzentration von KF jedoch 1 Gewichtsprozent. Es lehrt besonders daß die Kehlenbildungs-Fähigkeit von hartlötfähiger Aluminiumlegierung durch solche Ätzung verbessert werden kann. Der Entfettungsschritt vor Aufbringung des Ätzmittel ist ein Dampfentfettungsschritt. Ein anderer üblicher Weg die Oxidschicht zu unterbrechen ist mit einem Flußmittel wie NOCOLOKTM, das auf die Verbindungsoberfläche aufgebracht wird. Es ist eine wäßrige Suspension von KAlF4 + K3AlF6-Lösung, welche auf entfettete Aluminiumteile aufgesprüht werden kann; und nach der Entfettung können die Teile in einem Ofen hartgelötet werden. Das Flußmittel schmilzt bei 565–575°C und reagiert mit dem Oberflächen-Aluminiumoxid. Dies bewirkt daß die Oberfläche sowohl aufgelöst wie auch gleichzeitig vor weiterer Oxidation geschützt wird, während sie die Hartlöttemperatur zwischen 585–600°C erreicht. Ein Nachteil dieses Verfahrens der Verwendung eines Flußmittels ist jedoch die Ineffizienz der Flußmittelaufbringung. Das heißt das Flußmittelpulver muß in einem flüssigen Träger suspendiert, die Oberfläche vor und nach der Montage eingesprüht und dann getrocknet werden. Das Pulverflußmittel kann auch Reinigungsprobleme in der Fertigungseinrichtung verursachen. Um mit Flußmitteln in Zusammenhang stehende Probleme zu überwinden wurde flußmittelfreies Hartlöten entwickelt. In einer Art des flußmittelfreien Hartlötens wird eine Flußmittelschicht durch chemische Umwandlung auf der Oberfläche des hartzulötenden Aluminiums abgelagert. Ein derartiges Verfahren ist in EPO 0140 267 B1 offengelegt, wo gelehrt wird daß die gebildete Schicht aus Kalium-Pentafluoraluminat (K2AlF5) besteht. In den '267er-Verfahren schließt der Hartlötschritt es ein die Flußmittelschicht auf unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums, aber oberhalb des Schmelzpunktes der Hartlötlegierung zu erhitzen, um das Aluminium durch die Hartlötlegierung mit einem Gegenstück-Material zu verbinden. Mit diesem Prozeß ist es schwierig eine vollständig leckfreie Verbindung bereitzustellen, wie es in Anwendungen wie etwa Wärmetauschern notwendig ist.
  • Wir haben nun unerwartet herausgefunden daß eine flußmittelfrei hartlötfähige Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Oberfläche hergestellt werden kann, welche die Nachteile von Prozessen der bisherigen Technik überwindet. Speziell beinhaltet dies eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Oberfläche , welche mit thermischer Entfettung oder wäßrig-alkalischer Entfettung behandelt wurde. Dieser Schritte wurde – in Kombination mit dem Umwandlungsbeschichtungs-Schritt – unerwartet als kritisch gefunden, um einwandfreie Hartlotverbindungen bereitzustellen. Diese und andere Aspekte der Erfindung werden unten genau besprochen.
  • Die Erfindung ist ein Verfahren zur Bereitstellung einer hartlötfähigen Umwandlungsbeschichtung auf einer Aluminiumoberfläche (dies meint auch Aluminiumlegierungen). Das Verfahren erfordert die Bereitstellung einer Aluminiumoberfläche, welche durch thermisches Entfetten oder wäßrig alkalisches Entfetten behandelt wurde; derart daß die behandelte Oberfläche im Wesentlichen frei von Fett und Ölen ist. Es ist für das Verfahren kritisch daß eine dieser beiden speziellen Behandlungen verwendet wird. Nachfolgend wird die behandelte Oberfläche mit einer wäßrigen Lösung von 2,0–25,0 Gewichtsprozent KF bei einer Temperatur von 32°C–100°C (90°F-212°F) für mindestens 5 Sekunden in Berührung gebracht, um eine hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung bereitzustellen, die im Wesentlichen aus mindestens K3AlF6 und optional KAlF4 auf der behandelten Oberfläche besteht. Dieses Verfahren läßt vorteilhaft zu daß die umwandlungsbeschichtete Aluminiumoberfläche ohne die Verwendung eines Flußmittels hartgelötet wird.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden, in welchen:
  • 1 eine Legierung 3003/4045 1 cm × 1 cm ist, behandelt mit 0,5% KF bei 60°C (140°F)/45 Sekunden, wobei die KF-Konzentration außerhalb der vorliegenden Erfindung liegt;
  • 2 eine Legierung 3003/4045 1 cm × 1 cm ist, behandelt mit 1,5% KF bei 60°C (140°F)/45 Sekunden, wobei die KF-Konzentration außerhalb der vorliegenden Erfindung liegt;
  • 3 eine Legierung 3003/4045 1 cm × 1 cm ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung behandelt mit 3,0% KF bei 60°C (140°F)/45 Sekunden;
  • 4 eine Legierung 3003/4045 1 cm × 1 cm ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung behandelt mit 4,0% KF bei 60°C (140°F)/45 Sekunden;
  • 5 ein Röntgen-Beugungsmuster für die Beschichtung von 3 ist, verglichen mit einem Standard-Beugungsmuster für K3AlF6; und
  • 6 ein Schema eines in Beispiel 2 hergestellten Miniaturkern-Heizkernaufbaus ist.
  • Die Erfindung beinhaltet es allgemein eine behandelte Aluminiumoberfläche (was hierin auch „Aluminiumlegierung" meint) mit einer wäßrigen Lösung von 2,0 bis 25 Gewichtsprozent KF in Berührung zu bringen; um eine hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung zu bilden, die im Wesentlichen aus mindestens K3AlF6 und optional KAlF4 auf der Aluminiumoberfläche besteht.
  • Vorteilhaft wird das Aluminium verwendet um besondere Kristalle in einer Oberflächenschicht zu züchten, während die Oxidbeschichtung entfernt wird. Dies heißt dieser Prozeß bildet eine in-situ-Schicht, die mindestens aus K3AlF6 und optional aus KAlF4 besteht. Es wird geglaubt daß die Bildung dieser Umwandlungs-Beschichtungsschicht die Oxidschicht auflöst und gleichzeitig die Aluminiumoberfläche vor weiterer Oxidation schützt, wenn sie während des Hartlötprozesses erhitzt wird, z.B. während Temperaturen zwischen 585 und 600°C. Während geglaubt wird daß die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf dem Aluminium ablagert, die in der Zusammensetzung Fluorid-Flußmitteln ähnlich ist, so verhält sich die Umwandlungsbeschichtungs-Zusammensetzung der Erfindung wesentlich anders als herkömmliches Flußmittel. Das heißt es wird geglaubt – ohne an die folgende Theorie gebunden sein zu wollen – daß die hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung, anders als NOCOLOKTM, nicht vor der Plattierungsschicht schmilzt, wenn das Aluminium eine Plattierungsschicht trägt, wie es beim Hartlöten oft der Fall ist. Die Umwandlungsbeschichtung dient dazu das Aluminiumoxid zu ersetzen und erlaubt es der Plattierungsschicht – da es nicht zäh ist – zu fließen, wenn sie ihre Schmelztemperatur erreicht. Es wird geglaubt daß dieser bedeutende Temperaturunterschied überlegene hartgelötete Aluminiumverbindungen bereitstellt – gegenüber solchen, die mit herkömmlichem Kaliumaluminat-Flußmittel zwischen den durch Hartlöten zu verbindenden Aluminiumoberflächen hergestellt sind. Wir haben jedoch herausgefunden daß es keine kommerziell nützliche, hartlötfähige Oberfläche bereitstellt eine Aluminiumoberfläche lediglich der KF-Lösung auszusetzen. Vielmehr haben wir herausgefunden daß es für die vorliegende Erfindung kritisch ist daß die Aluminiumoberfläche zuerst durch thermisches Entfetten behandelt wird, z.B. mit Verdunstungsölen, oder durch wäßrig-alkalisches Entfetten, z.B. mit mild alkalischen Lösungen wie Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid. Derartige Entfettungstechniken sind den Fachleuten wohlbekannt. Noch andere Materialien und Behandlungsbedingungen innerhalb der oben beschriebenen werden den Fachleuten mit Blick auf die vorliegende Offenlegung offensichtlich sein. Der spezielle thermische Entfettungs- oder wäßrig alkalische Entfettungsbehandlungs-Schritt kann in Material, Zeit und Temperatur variieren, solange es das Ergebnis ist daß die Oberfläche entfettet ist. Die Verwendung einer alkalischen Lösung ist bevorzugt. Ein nützliches Beispiel zur Entfettung ist eine Lösung von 1% KOH (pH 11,0), welcher erlaubt wird die Aluminiumoberfläche für 45 Sekunden bei 60°C (140°F) zu reinigen. Nach Aussetzen gegen den Reiniger wird die behandelte Oberfläche gewöhnlich gespült. Wie oben besprochen ist Verwendung dieser speziellen Weisen zur Entfettung für die Erfindung kritisch. Wir haben unerwartet herausgefunden daß extrem schlechte Kehlenbildung (nicht von kommerzieller Nützlichkeit) wie in Beispielen 6 und 7 beschrieben resultierte, wenn dieser spezielle Behandlungsschritt nicht und statt dessen eine andere, herkömmliche Entfettungsbehandlung verwendet wurde, wie zum Beispiel mit Aceton.
  • In dieser Erfindung kann die Aluminiumoberfläche, auf welche die Umwandlungsbeschichtung der vorliegenden Erfindung aufgebracht wird, auf einem anderen Material wie Stahl getragen werden oder einen gesamten Aluminiumartikel ausmachen. Und das Aluminium kann in der Gestalt eines Blechs vorliegen oder ein dreidimensionaler Artikel sein. Zum Beispiel kann die durch die Erfindung bereitgestellte, hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung auf einer Oberfläche eines Aluminiumblechs aufgebracht werden, welches später – etwa durch Kaltwalzen – auf ein Kernmaterial plattiert wird; wobei in derartigen Situationen entweder eine oder beide Seiten der Plattierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit Umwandlungsbeschichtung behandelt sein können. Ein Verfahren der Herstellung eines Hartlöt-Bleches durch Aufbringen eines Flußmittels auf das Blech und dann des mechanischen Einbettens in einer Oberfläche des Bleches wird in EP-A-1004390 offenbart. Die Technik das Flußmittel mechanisch einzubetten könnte in der vorliegenden Erfindung mit der Modifikation verwendet werden, daß ein umwandlungsbeschichtetes Aluminiumblech der vorliegenden Erfindung das Flußmittelblech der erwähnten '364er-Anmeldung ersetzt. Wie oben offenbart bedeutet das Aluminiummaterial, auf welchem die hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung der Erfindung bereitgestellt wird, hierin ein Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Material. Beispiele des Aluminiumlegierungs-Materials schließen Legierungen ein die hauptsächlich Aluminium und mindestens ein solches Metall wie Silizium, Kupfer, Mangan, Zink, Titan, Eisen, Chrom, Zirkon, Magnesium usw. enthalten. Spezifische Beispiele davon sind Aluminiumlegierungs-Materialien wie etwa Aluminiumlegierungen der Serien Alunnium Association 1XXX, 3XXX, 4XXX, 5XXX und 6XXX. Optimal wäre das Aluminium für Anwendungen zur Herstellung von Wärmetauschern entweder Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung wie etwa 3003, oder 3003 plattiert mit 4045, 4047 oder 4343.
  • Die Aluminiumoberfläche, welche wie oben besprochen eine anfänglich auf einen Kern plattiert bereitgestellte Schicht sein kann, wird zuerst wie oben beschrieben behandelt, um im Wesentlichen frei von Ölen oder Fett zu sein. Dann wird sie einer verdünnten, wäßrigen KF-Lösung ausgesetzt, welche eine Konzentration von 2,0–25 Gewichtsprozent KF in Wasser aufweisen muß. Diese Lösung, wie für diese Erfindung optimal beabsichtigt, besteht im Wesentlichen aus KF in Wasser. Die KF-Lösung kann z.B. durch Auflösen von Kaliumfluorid (KF) in Wasser oder durch Herunterverdünnen einer kommerziell verfügbaren Lösung, z.B. eine 40%ige Lösung, hergestellt werden, um es zu vermeiden Pulver in die Fertigungseinrichtung einzubringen. Stärker bevorzugt beträgt das KF des Umwandlungsbeschichtungs-Bades 2,5% bis 4,0%, und beträgt am stärksten bevorzugt 2,5% bis 3,5%. Optimal kann in den bevorzugten Bereichen eine Hartlötung hoher Qualität in einer preisgünstigen und umweltfreundlichen Art und Weise erhalten werden.
  • Wir haben überraschend gefunden daß die hierin beschriebene, hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung nicht gebildet wird, wenn die KF-Badkonzentration niedriger ist als die minimal benötigten 2,0 Gewichtsprozent KF. Vielmehr wird das Aluminium nur geätzt wie in dem oben besprochenen '015er-Patent offenbart. Zum Beispiel zeigen 1 und 2 geätzte Oberflächen, die aus dem Eintauchen von mit 4045-Aluminium plattiertem 3003 in KF-Lösung mit Konzentrationen von entsprechend 0,5 und 1,5 Gewichtsprozent resultieren. Obgleich auf der in 1 und 2 gezeigten Aluminiumoberfläche stabförmige Gestalten vorliegen, bildet sich kein kristallines K3AlF6 und erzeugt eine kommerziell nützliche, hartlötfähige Oberfläche. Wir glauben dies liegt an der niedrigen KF-Konzentration. Im Gegensatz zeigen die 3 und 4 das Umwandlungsbeschichtungen gebildet werden, wenn statt dessen wäßrige KF-Lösungen von entsprechend 3,0 und 4,0 Gewichtsprozent gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt wurden. Der Unterschied in den gebildeten Oberflächen ist leicht ersichtlich. Die Entfettungsbehandlung der Aluminiumoberfläche war für alle obigen die gleiche. Wir glauben die umwandlungsbeschichteten Aluminiumoberflächen der Erfindungs-Ausführungsform (3,0 und 4,0 Gewichtsprozent KF) erlauben ein Hartlöten ohne Flußmittel, während die lediglich geätzten eine Oberflächen-Umwandlungsbeschichtung aus K3AlF6 bilden (0,5 und 1,5 Gewichtsprozent KF), und einfach eine Aluminiumoberfläche bereitstellen bei der das Oxid vermindert wurde. Es wurde gefunden daß die Umwandlungsbeschichtung der Erfindung fest an dem Aluminium haftete und entweder vollständig aus K3AlF6 oder einer Mischung davon mit einer geringen Menge an KAlF4 bestand. Diese Beschichtung ist in der Zusammensetzung Flußmitteln ähnlich, wird aber in der folgenden An und Weise für verschieden gehalten. Wenn das Aluminium eine plattierte Schicht trägt, wie es beim Hartlöten oft der Fall ist, so schmilzt die Umwandlungsbeschichtung – anders als NOCOLOKTM – nicht vor der Plattierungsschicht. Die Umwandlungsbeschichtung dient um das Aluminiumoxid zu ersetzen und erlaubt es der Plattierungsschicht – da sie nicht zäh ist – zu fließen wenn sie ihre Schmelztemperatur erreicht. Es wird geglaubt daß dieser bedeutende Unterschied überlegene, hartgelötete Artikel gegenüber jenen mit herkömmlichem Kaliumaluminat-Flußmittel bereitstellt.
  • In dem Verfahren der Bereitstellung der Umwandlungsbeschichtung kann das gereinigte Aluminium mit dem wäßrigen KF durch Eintauchen, Beschichten, Sprühen usw. in Berührung gebracht werden, um die Beschichtungsschicht zu bilden. Eintauchen ist kommerziell besonders nützlich. Die KF-Lösung enthält Kalium und Fluor, welche, wenn sie das Aluminium berühren, chemisch damit reagieren und die oben beschriebene Beschichtung bilden, die fest an die Aluminiumoberfläche anbindet. Die verdünnte KF-Lösung wird bei einer Temperatur von 32°C bis 100°C (90°F bis 212°F) verwendet; bevorzugt beträgt sie 49°C bis 66°C (120°F bis 150°F), stärker bevorzugt beträgt sie von 54°C (130°F) bis weniger als 66°C (150°C) Dies kann optimal 54°C (130°F)–63°C (145°F) sein. Um die Beschichtung zu entwickeln wird das Aluminium für mindestens 5 Sekunden und optimal bis zu ungefähr 4 Minuten kontaktiert; bevorzugt für 15 bis 60 Sekunden, und am stärksten bevorzugt für 30 bis 60 Sekunden. Die Auswahl der optimalen Parameter zur Bereitstellung der Umwandlungsbeschichtung würde einem Fachmann mit Blick auf die vorliegende Offenlegung offensichtlich sein. Wie offensichtlich sein wird, steigt die Stärke der hartlötfähigen Umwandlungsbeschichtung wenn sich die Kontaktzeit des Aluminiums mit der Umwandlungsbeschichtungs-Badlösung verlängert. Ähnlich verkürzt sich die notwendige Zeit zur Bildung einer Umwandlungsbeschichtung gegebener Stärke wenn die Temperatur steigt. Wir haben herausgefunden daß diese Beschichtung extrem stabil ist, und daß das umwandlungsbeschichtete Aluminium vor dem Hartlöten ohne irgendeinen Eigenschaftsverlust für mindestens zwei Wochen gelagert werden kann.
  • Eine Verwendung des Prozesses der Erfindung kann zur Montage eines Wärmetauscher-Aufbaus sein, wie etwa eines Kondensators für ein Klimaanlagen-System, wie es in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Ein derartiger Wärmetauscher-Aufbau schließt allgemein mindestens eine, vorzugsweise eine Mehrzahl von aus Aluminium-Legierungsmaterial – wie jenen oben offenbarten – hergestellten Röhren ein. Um eine hartlötfähige Oberfläche optimaler Qualität bereitzustellen schließt das Kernmaterial Magnesium auf einem Niveau bei oder unterhalb 0,2% ein. Jedes Rohr besitzt eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche. Die innere Rohroberfläche und äußere Rohroberfläche weisen jede eine Aluminiumlegierungs-Plattierung auf. Eine derartige Plattierung für einen Wärmetauscher-Aufbau ist in U.S.-Patent 5,771,962 offengelegt, welches hiermit durch Bezugnahme ausdrücklich für derartige Lehren eingeschlossen wird. Wie darin offenbart umfaßt die Plattierung, basierend auf Gewichtsprozenten, 0,01–0,3 Gewichtsprozent Lithium; 0,2 bis 0,7 Gewichtsprozent Magnesium; 0,01–0,1 Natrium, 4–13 Gewichtsprozent Silizium; 0–1 Gewichtsprozent Mangan; 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent Kupfer; 0–0,3 Gewichtsprozent Zink; 0,01–0,7 Gewichtsprozent Beryllium; und Verunreinigungen, die eine Gesamtheit von 1% nicht übersteigen, wobei der Rest Aluminium ist. Allgemein besitzt die Aluminiumplattierung einen Schmelzpunkt von 10–100°C niedriger als das Aluminium, auf welchem sie plattiert ist, z.B. eine eutektische Al-Si-Legierung, die an der Oberfläche 7–12 Gewichtsprozent Si enthält.
  • Die Umwandlungsbeschichtung der Erfindung kann bei jedem einer Anzahl von Schritten vor dem Hartlöten auf die Aluminiumoberfläche aufgebracht werden. Zum Beispiel kann sie in der Fertigungseinrichtung auf den montierten oder unmontierten Artikel – wie einen Wärmetauscher – aufgebracht werden. Alternativ kann die Beschichtung entweder vor oder nach einer Stanzoperation auf eine Aluminium-Hartlottafel aufgebracht werden. Weiterhin kann die Umwandlungsbeschichtung, wie oben besprochen, während einer Kaltwalzoperation auf ein Substrat aufgebracht werden, um eine hartlötfähige Schicht entweder vor (gemäß der oben erwähnten '365er-Anmeldung) oder nach einer abschließenden Walzoperation unter Verwendung verdampfender Formgebungsöle und thermischem Entfetten bereitzustellen. Alle diese und andere Aspekte innerhalb der Idee der hierin offenbarten Erfindung zur Bereitstellung einer hartlötfähigen Umwandlungsbeschichtung auf Aluminium sind innerhalb der vorliegenden Erfindung eingeschlossen.
  • Beispiel 1
  • Als Aluminiumbleche (10) wurden für zehn Probeläufe von Blech/Rohr-Hartlötevaluierungen Bleche von 3003 plattiert mit 4045 einer Größe von 3 cm × 3 cm hergestellt, ebenso wie 2,0 cm breite 3003-Röhren (10). Neun Probenpaare dieser Bleche und Röhren wurden zuerst einzeln durch Reinigung in einer verdünnten Lösung von KOH gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung behandelt. Alle zehn Proben wurden dann in Kalium und Fluor enthaltende Behandlungslösungen eingetaucht, im Versuch einen chemischen Umwandlungsbeschichtungsschritt bereitzustellen. Die KF-Bedingungen sind in Tabelle 1 angegeben. Die Proben wurden nach Eintauchen in den Reiniger und das KF mit Umkehrosmose-Wasser gespült. Die Proben wurden dann bei 49°C (120°F) getrocknet und eine Hartlötung versucht. Probe 10 ist die einzige Probe nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, weil sie nicht alkalisch gereinigt wurde. Die Evaluierung der Rohr/Blech-Verbindungen dieser zehn Proben basiert auf einer Skala von 1–5, wobei 1 die höchste Einstufung ist, und ist in Tabelle 1 aufgelistet. Aus dieser Tabelle kann gesehen werden daß Versuch 8 nicht so gut war wie manche andere Versuche der Erfindung, und das Versuch 10 (nicht erfindungsgemäß) schlechte Rohr/Blech-Verbindungen aufwies. Während Versuch 8 gemäß der vorliegenden Erfindung ist, liegen die Behandlungsbedingungen geringfügig außerhalb des optimalen Bereiches. Und Versuch 10 ist nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt, weil keine Reinigungsbehandlung ausgeführt wurde. Weiterhin wurde für die Oberfläche jedes Materials das Röntgen-Beugungsmuster erhalten, um zu bestätigen daß K3AlF6 gebildet wurde. Es wurde als in allen der Proben gebildet gefunden, einschließlich Nr. 10. Obwohl in Versuch 10, nicht gemäß der Erfindung, K3AlF6 vorlag, ergab das umwandlungsbeschichtete Material keine gute Hartlötung. Das von dem Aluminiummaterial in Versuchslauf Nr. 1 erhaltene Röntgen-Beugungsmuster ist in 5 gezeigt. Weiterhin ist die Oberflächenmorphologie von Versuchslauf Nr. 1 in 3 gezeigt.
  • Tabelle l
    Figure 00080001
  • Figure 00090001
  • Beispiel 2
  • Zehn Miniatur-Heizkerne (10) wurden wie in 6 montiert. Aus 3003 mit 4045 plattierte Aluminiumröhren (2) von 1,5 × 4,0 cm (4); ein aus 3003 mit 4045 plattierter Heizerkern (4) von 5,0 × 2,0 cm (2); und ein 11 cm langes Stück von Lamellenmaterial aus 3003 (6) wurde gemäß 6 montiert. Zehn Miniaturkerne wurden wie in Beispiel 1 gemäß den Versuchen 1–10 behandelt und dann einer Hartlötung unterzogen. Die Miniaturkern-Verbindungsevaluierung ist in der letzten Spalte von Tabelle 1 oben gegeben. Aus dieser Tabelle ist ersichtlich daß die optimalen Hartlöt-Ergebnisse für einen Produktionsprozeß mit der Verwendung eines alkalischen Reinigers bei 1% Konzentration auftreten, der für eine Zeitdauer von 45 Sekunden bei 60°C (l40°F) gehalten wird, und mit Verwendung von KF bei einem von 2,5–3,5% reichenden Konzentrationsniveau, das für eine Zeitdauer von 30–60 Sekunden bei einem Temperaturbereich zwischen 55–66°C (130–150°F) gehalten wird. Zusätzlich zeigen die Tabellenergebnisse an daß außerhalb des optimalen Parameterbereiches die Qualität der Hartlötung in einer Art und Weise dramatisch abfällt, welche die Produktionsverwendung unannehmbar macht. Weiterhin zeigt die Tabelle an daß die Verwendung von KF zur Schaffung einer hartlötfähigen Beschichtung ohne einen genauen Vorreinigungsschritt unter Verwendung eines alkalischen Reinigers keinen Hartlötprozeß in Produktionsqualität bereitstellt.
  • Beispiel 3
  • Es wurde eine mit 4045 plattierte Aluminiumlegierung 3003 3 cm × 3 cm hergestellt. Die Legierung wurde mit Verdunstungsöl beschichtet und dann bei 177°C (350°F) thermisch entfettet. Die Legierung wurde dann für 30 Sekunden in 3 Gewichtsprozent KF bei 60°C (140°F) eingetaucht und mit Umkehrosmose-Wasser gespült, getrocknet, und die Röntgenbeugung zeigte die Anwesenheit von K3AlF6.
  • Beispiel 4
  • Ein Miniatur-Heizkern wurde wie in Beispiel 2 montiert und gemäß Beispiel 3 behandelt, und es wurden vollständige Hartlöt-Verbindungen guter Qualität erzielt.
  • Beispiel 5
  • Zwei mit 4045 plattierte Aluminiumlegierungen 3003 3 cm × 3 cm wurden wäßrig entfettet (1% KOH, 60°C (140°F), 45 s) und gespült. Die Probe wurde dann für 30 Sekunden in 3% KF-Lösung bei 60°C (140°F) eingetaucht. Nach Beschichtung mit Verdunstungsöl in Vorbereitung einer Stanzung wurde die Probe in Tassen von 2,0 cm × 2,0 cm (2) gestanzt, montiert und gelötet. Das Verdunstungsöl wurde während des Hartlötzyklus abgebrannt. Es wurde eine vollständige Hartlöt-Verbindung guter Qualität erzielt.
  • Beispiel 5 demonstriert daß die Umwandlungsbeschichtung auch eine hartlötfähige Oberfläche auf Aluminium bereitstellt, wenn sie vor Stanzung oder Formgebung aufgebracht wird.
  • Beispiel 6
  • Dies ist eine vergleichende Probe die nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Ein Miniaturkern-Aufbau wie in 2 wurde mit Aceton für 20 Sekunden entfettet, in Luft getrocknet, dann für 15 Sekunden in 5% KF-Lösung bei 90°C (200°F) eingetaucht. Aceton liegt nicht innerhalb der in der vorliegenden Erfindung benötigten thermischen Entfettungs- oder wäßrig-alkalischen Entfettungs-Behandlung. Nach der Montage wurde mit Umkehrosmose-Wasser gewaschen und getrocknet. Der Aufbau wurde dann in einem transparenten CAB-Laborofen plaziert und für 3 Minuten auf die Hartlöttemperatur von 600–605°C gebracht. Beobachtung nach dem Hartlöten zeigte höchstens 50% Kehlenbildung, und das meiste der Plattierung sammelte sich am Boden des Teils. Wir beobachteten daß sich wie in einer Umwandlungsbeschichtung auf der Oberfläche K3AlF6-Kristalle bildeten, diese Beschichtung resultierte jedoch in Hartlötung schlechter Qualität, die in kommerziellen Anwendungen nicht nützlich ist.
  • Beispiel 7
  • Diese ist ein vergleichendes Beispiel, das nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Ein Miniaturkern-Aufbau wie in Beispiel 2 wurde für 20 Sekunden in Aceton eingetaucht, in Luft getrocknet, für 20 Sekunden in 1,1,1-Trichlorethan eingetaucht, in Luft getrocknet und für 30 Sekunden in 3% KF-Lösung bei 60°C (140°F) eingetaucht. Diese Behandlung mit Aceton und Trichlorethan liegt nicht innerhalb der in der vorliegenden Erfindung benötigten Behandlung. Beobachtung nach dem Hartlöten zeigte Kehlenbildung von höchstens 50%, und daß das meiste der Plattierung sich am Boden des Teiles gesammelt hatte. Somit ist dies in kommerziellen Anwendungen nicht nützlich.
  • Beispiel 8
  • Dies ist ein vergleichendes Beispiel bei einem Konzentrationsbereich niedriger als in dieser Erfindung spezifiziert. Ein Miniaturkern-Aufbau wie in Beispiel 2 wurde in einer verdünnten Lösung von KOH gemäß einer Entfettungs-Ausführung der vorliegenden Erfindung gereinigt, gespült und dann für 60 Sekunden in eine wäßrige Lösung von 1,5% KF (niedriger als das in der vorliegenden Erfindung benötigte Minimum) bei 60°C (140°F) eingetaucht. Nach Spülung mit Umkehrosmose-Wasser und Trocknung bei 49°C (l20°F) wurde eine Hartlötung versucht. Beobachtung nach dem Hartlöten zeigte Kehlenbildung von höchstens 20%, und das meiste der Plattierung sammelte sich am Boden des Teils.
  • Röntgenbeugung einer wie oben behandelten, nicht hartgelöteten Probe zeigte nicht die Anwesenheit von K3AlF6. Die Oberflächenmorphologie ist in 1 gezeigt. Die KF-Konzentration ist unzureichend um durch Eintauchen kristallines K3AlF6 zu erzeugen.
  • Beispiel 9
  • Dies ist ein vergleichendes Beispiel bei einem Konzentrationsbereich niedriger als in der vorliegenden Erfindung spezifiziert. Ein Miniaturkern-Aufbau wie in Beispiel 2 wurde in einer verdünnten Lösung von KOH gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gereinigt, gespült und dann für 30 Sekunden in eine wäßrige Lösung von 0,5% KF (niedriger als in der vorliegenden Erfindung erforderlich) bei 60°C (140°F) eingetaucht. Nach Spülung mit Umkehrosmose-Wasser und Trocknung bei 49°C (120°F) wurde eine Hartlötung versucht. Beobachtung nach dem Haltlöten zeigte höchstens 20% Kehlenbildung, und das meiste der Plattierung sammelte sich am Boden des Teils.
  • Röntgenbeugung einer wie oben behandelten, nicht hartgelöteten Probe zeigte nicht die Anwesenheit von K3AlF6. Die Oberflächenmorphologie ist in 2 gezeigt. Wie zu sehen ist liegt das reine Aluminium frei, und es liegt kein kristallines K3AlF6 vor.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zur Bereitstellung einer Umwandlungsbeschichtung auf einer Aluminiumoberfläche, um ein flußmittelfreies Hartlöten davon zu erlauben, das die Schritte umfaßt: (a) Bereitstellen einer Alunniumoberfläche, durch thermisches Entfetten oder wäßrig-alkalisches Entfetten behandelt um im Wesentlichen frei von Fett und Ölen zu sein; (b) in Kontakt bringen der behandelten Oberfläche mit einer wäßrigen Lösung von 2,0–25,0 Gewichtsprozent KF bei einer Temperatur von 32°C –100°C (90°F-2l2°F) für mindestens 5 Sekunden, um eine hartlötfähige Umwandlungsbeschichtung zu schaffen, die im Wesentlichen aus mindestens K3AlF6 und optional KAlF4 auf dieser behandelten Oberfläche besteht.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem es diese wäßrig-alkalische Oberflächen-Entfettung umfaßt diese Oberfläche einer wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid auszusetzen.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem es dieses thermische Entfetten umfaßt diese Oberfläche einem verdampften Verdunstungsöl auszusetzen.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem diese KF-Konzentration 2,5–4% beträgt.
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem diese KF-Konzentration 2,5–3,5% beträgt.
  6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem diese Temperatur 49–66°C (120–150°F) beträgt.
  7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem diese Temperatur 54–63°C (130–145°F) beträgt.
  8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem dieses Aluminium eine Aluminiumlegierungs-Vakuum-Hartlotfolie umfaßt.
  9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem das Aluminium einen Kühler umfaßt.
  10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem das Aluminium ein Bauglied eines Aluminiumlegierungs-Wärmetauschers umfaßt.
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