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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Hartlötblechprodukt,
bei dem eine Schicht, die Nickel enthält, auf eine Oberfläche einer
Plattierschicht galvanisiert ist, die aus einer Al-tSi-Legierung,
die Si in dem Bereich von 2 bis 18 Gew.-% enthält, hergestellt ist. Die Erfindung
betrifft außerdem
eine hartgelötete
Anordnung, die wenigstens ein Bauteil, das aus dem Hartlötblechprodukt
hergestellt ist, umfasst, und ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung
aus hartgelöteten
Bauteilen.
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BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN
TECHNIK
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Für den Zweck
dieser Erfindung ist Hartlötblech
zu verstehen als ein Kernblech, zum Beispiel aus Aluminium oder
Aluminiumlegierung, das auf wenigstens einer Seite eine hartlötbare Aluminiumlegierung
aufweist. Typische hartlötbare
Aluminiumlegierungen, die als eine solche Plattierschicht nützlich sind,
sind die Legierungen der Serie 4xxx der Aluminium Association (AA),
die typischerweise Si in dem Bereich von 2 bis 18 Gew.-% aufweisen.
Die hartlötbaren
Aluminiumlegierungen können
auf verschiedene Weisen, die auf dem Gebiet bekannt sind, mit der
Kernlegierung verbunden werden, wie zum Beispiel mittels Walzplattieren,
Plattieren oder halbkontinuierlichem oder kontinuierlichem Gießen.
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Hartlöten in geregelter
Atmosphäre
und Vakuumhartlöten
sind die zwei Hauptprozesse, die zum Aluminiumhartlöten auf
indus trieller Ebene verwendet werden. Industrielles Vakuumhartlöten wird
seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts verwendet, während Hartlöten in geregelter
Atmosphäre
zu Beginn der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts nach der Einführung des
Hartlötflussmittels
Nocolok (Handelsmarke) populär
wurde. Vakuumhartlöten
ist ein im Wesentlichen diskontinuierlicher Prozess und stellt hohe
Anforderungen an die Materialreinheit. Die Unterbrechung der vorhandenen
Oxidschicht wird hauptsächlich
durch das Verdampfen von Magnesium aus der Plattierlegierung verursacht.
Es ist immer mehr Magnesium in der Plattierlegierung vorhanden als
notwendig. Das überschüssige Magnesium
kondensiert an den kalten Stellen in dem Ofen und muss häufig entfernt
werden. Die Kapitalinvestition für
geeignete Ausrüstung
ist relativ hoch.
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Hartlöten in geregelter
Atmosphäre
erfordert im Vergleich zum Vakuumhartlöten einen zusätzlichen Prozessschritt
vor dem Hartlöten,
da vor dem Hartlöten
ein Hartlötflussmittel
aufgetragen werden muss. Hartlöten
in geregelter Atmosphäre
ist im Wesentlichen ein kontinuierlicher Prozess, bei dem, wenn
das korrekte Hartlötflussmittel
verwendet wird, große
Mengen hartgelöteter
Anordnungen hergestellt werden können.
Das Hartlötflussmittel
löst die
Oxidschicht bei Hartlöttemperatur
auf, wobei der Plattierlegierung korrektes Fließen ermöglicht wird. Wenn das Flussmittel
Nocolok verwendet wird, muss die Oberfläche vor der Flussmittelauftragung
sorgfältig
gereinigt werden. Um gute Hartlötergebnisse
zu erzielen, muss das Hartlötflussmittel
auf die gesamte Oberfläche
der hartgelöteten
Anordnung aufgetragen werden. Dies kann bei bestimmten Arten von Anordnungen
auf Grund ihrer Konstruktion Schwierigkeiten verursachen. Zum Beispiel
können,
da Verdampfungs-Wärmetauscher
eine große
innere Oberfläche
aufweisen, Probleme auf Grund schlechten Zugangs zu dem Inneren
entstehen. Für
gute Hartlötergeb nisse
muss das Flussmittel vor dem Hartlöten an der Aluminiumoberfläche anhaften.
Leider kann das Hartlötflussmittel
nach dem Trocknen auf Grund kleiner mechanischer Schwingungen leicht
abfallen. Während
des Hartlötzyklus
werden korrodierende Dämpfe,
wie HF, erzeugt. Dies stellt eine hohe Anforderung an die Korrosionsbeständigkeit
der Materialien, die für
den Ofen angewendet werden.
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Idealerweise
sollte ein Material verfügbar
sein, dass für
Hartlöten
in geregelter Atmosphäre
verwendet werden kann, aber nicht die Erfordernisse und Mängel der
Hartlötflussmittelauftragung
aufweist. Ein solches Material kann einem Hersteller hartgelöteter Anordnungen
zugeführt
werden und steht zur direkten Verwendung nach dem Formen der Anordnungsteile
bereit. Es müssen
keine zusätzlichen
Hartlötflussmittelbehandlungsvorgänge durchgeführt werden.
Derzeit wird lediglich ein Prozess für flussmittelloses Hartlöten auf
industrieller Ebene verwendet. Das Material für diesen Prozess kann zum Beispiel
Standard-Hartlötblech
sein, das aus einer Kernlegierung der Serie AA3xxx hergestellt ist
und auf beiden Seiten mit einer Plattierung aus einer Legierung
der Serie AA4xxx plattiert ist. Bevor das Hartlötblech verwendet werden kann,
muss die Oberfläche so
modifiziert werden, dass die natürlich
auftretende Oxidschicht während
des Hartlötzyklus
nicht stört.
Das Verfahren zum Erreichen guten Hartlötens besteht darin, eine spezifische
Menge von Nickel auf die Oberfläche der
Plattierlegierung aufzubringen. Bei korrektem Auftragen reagiert
das Nickel mit dem darunter liegenden Aluminium. Nickel kann unter
Verwendung einer Zwischenlage aus Nickel zwischen zwei zu verbindenden
Teilen aufgetragen werden oder kann durch Elektroplattieren aufgebracht
werden. Wenn Elektroplattieren verwendet wird, sollte das Anhaften
des Nickels ausreichend sein, um ty pischen Formvorgängen, die
zum Beispiel bei der Wärmetauscherherstellung
verwendet werden, zu widerstehen.
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Die
Prozesse zum Vernickeln von Aluminiumhartlötblech sind aus jedem von
US-A-3.970.237 ,
US-A-4.028.200 ,
US-A-4.164.454 und
dem SAE-Dokument Nr. 880446 von B. E. Cheadle und K. F. Dockus bekannt.
Nach jedem dieser Dokumente wird Nickel vorzugsweise in Verbindung
mit Blei aufgebracht. Alternativ wird Kobalt in Verbindung mit Blei
aufgebracht. Es ist auf dem Gebiet bekannt, dass an Stelle von Nickel, Kobalt
oder Verbindungen davon außerdem
Eisen verwendet werden kann. Das Hinzufügen von Blei wird verwendet,
um die Benetzbarkeit der Plattierlegierung während des Hartlötzyklus
zu verbessern. Eine wichtige Charakteristik dieser Galvanisierprozesse
besteht darin, dass Nickel vorzugsweise auf die Siliziumteilchen
der Plattierlegierung aufgebracht wird. Um ausreichend Nickel zum
Hartlöten
auf der Oberfläche
zu erhalten, sollte die Plattierlegierung eine relativ große Anzahl
von Siliziumteilchen enthalten, die als Kerne für die Nickelaufbringung wirken.
Es wird angenommen, dass, um ausreichend Kernbildungsstellen zu
erhalten, vor dem Galvanisieren ein Teil des Aluminiums, in den
die Siliziumteilchen eingebettet sind, durch chemische und/oder
mechanische Vorbehandlung entfernt werden sollte. Dies wird als
notwendige Bedingung erachtet, um eine ausreichende Nickelbedeckung
zu erhalten, die als Kerne für
den Benetzungsvorgang der Hartlöt-
oder Plattierlegierung dient. Auf einer mikroskopischen Ebene ist
die Oberfläche
der Si enthaltenden Plattierung des Hartlötblechs mit Nickelkügelchen
bedeckt.
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Im
Folgenden werden andere Offenlegungen von Vernickelung erwähnt, die
in der Literatur nach dem Stand der Technik zu finden sind.
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Allgemeines
Lehrbuch von Wernick und Pinner, „The Surface Treatment and
Finishing of Aluminium and its Alloys", 5. Ausgabe, Band 2, S. 1023 bis 1071.
Dieses Lehrbuch beschreibt allgemeine Tauchprozesse zum Galvanisieren
an Aluminium.
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Dokument
des Bureau of Mines Technology, „Aluminium Soft-Soldering", 2301 N.T.I.S. Tech
Notes (Manufacturing), 1985, Januar, Nr. 1G, Springfield, VA, USA,
S. 12 bis 13. Dieses Dokument beschreibt ein Verfahren zum Herstellen
von Aluminium zum Weichlöten,
bei dem die Aluminiumoberflächen
mit herkömmlichem
Zinn-Blei-Lot verbunden werden. Das Verfahren enthält erstens
sorgfältiges
Reinigen der Aluminiumoberfläche
vor der Zinkauftragung. Zweitens wird eine dünne Zinkbeschichtung aufgebracht
und nachfolgend mit einer Legierung aus Nickel-Kupfer elektroplattiert.
Nachdem das Nickel-Kupfer-Elektroplattieren vollzogen ist, kann
Löten unter
Verwendung normaler Abläufe
vollzogen werden.
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FR-A-2.617.868 beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen von Aluminiumprodukt mit einer hartlötbaren Oberflächenbeschichtung
aus Zinn oder einer Zinn-Wismut-Legierung, wobei das Produkt mit
einer Zwischenschicht versehen wird. Diese Zwischenschicht besteht
aus einer ersten Schicht aus Zink und einer zweiten Schicht aus
Nickel, wobei das Nickel durch Elektrolyse anhand eines neutralen
Elektrolyten aufgebracht wurde. Hier wird das darunter liegende
Aluminium oder die darunter liegende Aluminiumlegierung bei dem
Hartlötprozess
nicht geschmolzen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hartlötprodukt
mit einem Kernblech und einem während
des Hartlötens
zu schmelzenden Füllmaterial
bereitzustellen, wobei das Füll material
eine Plattierschicht aus einer Al-Si-Legierung und eine Nickelschicht
auf der Plattierschicht enthält,
wobei gute Anhaftung der Nickelschicht an der Plattierschicht besteht.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Hartlötblechprodukt bereitzustellen,
das bei einem Vakuumhartlötprozess
sowie bei einem Hartlötprozess
in geregelter Atmosphäre
ohne ein Hartlötflussmittel
verwendet werden kann, aber idealerweise für einen Hartlötprozess
in geregelter Atmosphäre
ohne ein Hartlötflussmittel geeignet
ist.
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Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen
einer Anordnung aus hartgelöteten
Bauteilen unter Verwendung des Hartlötblechprodukts dieser Erfindung
bereitzustellen.
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Bereitgestellt
wird erfindungsgemäß bei einem
Aspekt ein Hartlötblechprodukt
mit einem Kernblech
1, das aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt ist, wobei wenigstens eine der Oberflächen des
Kernbleches mit einer Aluminiumplattierschicht
2 plattiert
ist, und einer Schicht
3, die Nickel enthält, auf
der Außenfläche von einer
oder beiden der Aluminiumplattierschicht oder -schichten
2,
und wobei eine Schicht
4, die Zink oder Zinn enthält, als
eine Verbindungsschicht zwischen der Außenfläche der Aluminiumplattierschicht
oder -schichten und der Schicht
3, die Nickel enthält, besteht,
und wobei des Weiteren die Aluminiumplattier-Legierungsschicht,
in Gew.-%, enthält:
Si | 2
bis 18 |
Mg | bis
zu 8,0 |
Zn | bis
zu 5,0 |
Cu | bis
zu 5,0 |
Mn | bis
zu 0,30 |
In | bis
zu 0,30 |
Fe | bis
zu 0,8 |
Sr | bisz
u 0,20 |
wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus:
Bi | 0,01
bis 1,0 |
Pb | 0,01
bis 1,0 |
Sb | 0,01
bis 1,0 |
Mg | 0,2
bis 2,0 |
Andere/Verunreinigungen jeweils bis zu 0,05, insgesamt
bis zu 0,20
Rest Aluminium.
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Durch
die Zink oder Zinn enthaltende Verbindungsschicht wird eine sehr
wirksame Verbindung zwischen der Aluminiumlegierungs-Plattierschicht
und der Schicht, die Nickel enthält,
ausgebildet, wobei die Verbindung während der nachfolgenden Verformung
des Hartlötblechs,
zum Beispiel durch Biegen, wirksam bleibt. Der Überzug aus der Nickelschicht
ist nicht mehr von den Oberflächencharakteristiken
der bloßen
Plattierschicht abhängig.
Das erzielte Hartlötblechprodukt
ist für
flussmittelloses Hartlöten
unter Bedingungen geregelter Atmosphäre geeignet.
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Die
Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass, um eine gut
verbundene Nickelschicht auf der Si enthaltenden Aluminiumplattierschicht
des Hartlötblechprodukts
so zu erzielen, dass die Verbindung unter starker Verformung wirksam
bleibt, Vorbehandlung der Plattierschicht extrem wichtig ist. Die
Prozesse nach dem Stand der Technik verfolgten offenbar das Ziel,
Nickel in einer verteilten Form hauptsächlich auf die Siliziumteilchen
an der Oberfläche
der Plattierschicht aufzutragen, statt zu versuchen, eine einheitliche
Nickelschicht zu errei chen. Bei der vorliegenden Erfindung wird
die Oberfläche
der Si enthaltenden Plattierlegierung so verändert, dass der Nickelüberzug von
den Siliziumteilchen an ihrer Oberfläche unabhängig ist. Die Vernickelung
findet nicht an den Siliziumteilchen statt sondern an der aufgetragenen
Verbindungsschicht, die Zink oder Zinn enthält. Da das Nickel somit auf
die gesamte Oberfläche
der Aluminiumplattierschicht aufgebracht wird, kann die notwendige
Reaktion vor dem Hartlöten
im Vergleich zu dem Prozess nach dem Stand der Technik viel leichter
stattfinden. Das aufgetragene Zink oder Zinn stört während des Hartlötprozesses überhaupt nicht
und kann einen Bestandteil enthalten, um bei dem Hartlöten zu unterstützen, wie
im Folgenden beschrieben. Da das Nickel gleichmäßig und einheitlich auf die
Oberfläche
aufgebracht wird, kann die Verwendung von Blei zur Förderung
der Benetzung während
des Hartlötens
verringert oder vermieden werden, oder es können andere Elemente, wie Wismut,
für diesen
Zweck verwendet werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil davon, dass das
Nickel oder Nickel-Blei gleichmäßig und
einheitlich auf die Oberfläche
aufgebracht wird, besteht darin, dass die Gesamtmenge von Nickel,
die zum Erreichen guten flussmittellosen Hartlötens aufzutragen ist, verringert
werden kann. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die vollständige Oberflächenbedeckung
eine Schwierigkeit vermeidet, die durch Aluminiumoxid an der Oberfläche der
Plattierschicht verursacht wird.
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Des
Weiteren basiert die Erfindung zum Teil auf der Erkenntnis, dass
die Aluminiumplattierschicht wenigstens ein oder mehrere Elemente,
die aus der Gruppe bestehend aus Wismut, Blei, Antimon ausgewählt sind,
jeweils in einem Bereich von 0,01 bis 1,0 % enthält und die Verbindung von zwei
oder mehr Elementen vorzugsweise 1,0 % nicht überschreitet und dass Magnesium
in einem Bereich von 0,2 bis 2,0 % vorhanden sein kann.
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Die
Verbindung von Magnesium mit einem oder mehreren anderen Elementen
aus dieser Gruppe überschreitet
vorzugsweise nicht 2,5 %. Folglich kann Magnesium mit bis zu 8,0
% in der Aluminiumplattierschicht vorhanden sein, wobei bevorzugte
Bereiche im Folgenden dargelegt werden, um unter anderem die mechanischen
Eigenschaften der Aluminiumplattierschicht zu verbessern, wobei
außerdem
festgestellt wurde, dass Magnesium in einem Bereich von 0,2 bis
2,0 % außerdem
auf eine ähnliche
Weise wirken kann wie Elemente, die aus der Gruppe von Wismut, Blei,
Lithium und Antimon ausgewählt
wurden. Vorzugsweise überschreitet
der Magnesiumanteil in der Plattierschicht nicht 2,0 %, wenn es
im Wesentlichen lediglich vorhanden ist, um die Benetzungswirkung
der Hartlötlegierung
in Verbindung mit der bleifreien Nickelschicht zu fördern. Weitere
Legierungselemente können
hinzugefügt
werden, um spezifische Eigenschaften der Plattierschicht zu verbessern.
In
US-A-3.970.237 wird
erwähnt,
dass die Aluminiumplattierschicht vorzugsweise mit einer Schicht
aus Nickel, Nickel-Blei, Kobalt, Kobalt-Blei oder Verbindungen davon
beschichtet ist. Von den Zusätzen
von Blei wird angenommen, dass sie die Benetzbarkeit während des
Hartlötens
verbessern. Jedoch wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass die Nickel-
und/oder Kobaltschicht selbst das Blei nicht als Legierungszusatz
enthalten muss. Überraschend
wurde festgestellt, dass ein gleiches oder sogar bessere Ergebnisse
erzielt werden können,
wenn ein oder mehrere Elemente der Gruppe Bi, Pb, Sb und Mg in den
vorgegebenen Bereichen zu der Aluminiumplattierschicht selbst hinzugefügt werden.
Das Hinzufügen
von einem oder mehreren dieser Legierungselemente zu der Aluminiumplattierschicht
hat den Vorteil, dass die Zusammensetzung des Galvanisierbades weniger
komplex wird, wobei dies in sich selbst eine wichtige Errungenschaft
ist, wobei der Legierungszusatz zu der Plattierung beim Herstellen
der Plattierschicht sehr einfach ist. Als Folge kann die aufgetragene
e lektroplattierte Nickelschicht im Wesentlichen aus Nickel und unvermeidbaren
Verunreinigungen bestehen. Aus Sicht des Prozesses ist Wismut das
bevorzugteste Legierungselement für die Aluminiumplattierschicht.
Des Weiteren wurde festgestellt, dass das Element Wismut das bevorzugteste
Legierungselement zum Fördern
von Benetzung ist, und folglich ist weniger von diesem Element erforderlich,
um eine ähnliche
Wirkung zu erreichen wie bei dem Bleizusatz in der Nickelschicht.
Auch wenn Blei als Legierungselement in der Plattierschicht in dem
vorgegebenen Bereich zu der gewünschten
Wirkung führt,
wird das Hinzufügen dieses
Elementes vorzugsweise vermieden, da es aus Sicht der Umwelt ein
in hohem Maße
unerwünschtes Element
ist.
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Zwar
ist das Auftragen einer Zinkschicht vor dem Vernickeln von Erzeugnissen
bekannt, aber es wird angenommen, dass dies bisher nicht bei einem
vernickelten aluminiumlegierungsplattierten Hartlötblechprodukt
durchgeführt
wurde, bei dem, wie oben besprochen, bisher angenommen wurde, dass
das Nickel direkt auf die Si enthaltende Plattierschicht galvanisiert
werden muss.
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Sehr
gute Ergebnisse des erfindungsgemäßen Hartlötblechs können erzielt werden, wenn die
Verbindungsschicht mit einer Zinkat-Tauchbehandlung oder Stannat-Tauchbehandlung,
die oft außerdem
als Verschiebungsgalvanisieren bezeichnet wird, aufgetragen wird.
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Bei
einer Ausführung
des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
weist die aufgetragene Schicht, die Zink oder Zinn enthält, eine
Dicke von lediglich bis zu 0,5 μm
auf, wobei eine Dicke bis zu 0,3 μm
(300 nm) stärker
zu bevorzugen ist und eine Dicke in dem Bereich von 0,01 bis 0,15
um (10 bis 150 nm) am stärksten zu
bevorzugen ist. Bei den besten Ergebnissen, die bisher erzielt wurden,
wurde eine Dicke von ungefähr
30 nm verwendet. Eine Beschichtungsdicke von mehr als 0,5 μm erfordert
eine verlängerte
Behandlungszeit, z. B. für
Verdrängungsgalvanisieren,
und es wird angenommen, dass dies keine weiteren Vorteile zur Verbesserung
der Haftung hat.
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Die
bei dem Hartlötblechprodukt
der Erfindung aufgetragene Zink- oder Zinnschicht kann im Wesentlichen
eine reine Zink- oder
Zinnschicht sein oder kann vorwiegend Zink oder Zinn (z. B. wenigstens
50 Gew.-%) sein. Geringfügige
Mengen von Verunreinigungselementen oder absichtlich hinzugefügten Elementen
können
vorhanden sein, wie im Folgenden ausführlicher besprochen. Typischerweise
sind Verunreinigungselemente in der Zink- oder Zinnschicht mit weniger als 10
Gew.-% vorhanden, wobei ein Anteil von weniger als 5 Gew.-% üblicher
ist.
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Die
Schicht, die Nickel enthält,
ist vorzugsweise eine elektroplattierte Schicht. Das Hinzufügen der Schicht,
die Nickel enthält
und auf die Schicht, die Zink oder Zinn enthält, aufgetragen ist, ist ausgezeichnet und
kann relativ starken Formvorgängen
ohne das Auftreten von Delaminierung widerstehen.
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Vorzugsweise
weist bei diesem Hartlötblechprodukt
die Schicht, die Nickel enthält,
eine Dicke von bis zu 2,0 μm
auf, wobei eine Dicke von bis zu 1,0 μm zu bevorzugen ist und eine
Dicke von bis zu 0,5 μm
starker zu bevorzugen ist. Eine Beschichtungsdicke von mehr als
2,0 μm erfordert
eine verlängerte
Behandlungszeit für
das Galvanisieren und kann zur Faltenbildung des geschmolzenen Füllmaterials
während
des Hartlötens führen. Eine
bevorzugte Mindestdicke für
diese Ni enthaltende Schicht ist 0,3 μm. Es können jedoch andere Techniken,
wie Walzplattieren, thermisches Spritzen, chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) und
physikalisches Dampfabscheiden (PVD-Verfahren), verwendet werden.
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Vorzugsweise
weist bei diesem Hartlötblechprodukt
jede Aluminiumplattierschicht eine Dicke in dem Bereich von ungefähr 2 bis
20 % der Gesamtdicke der Hartlötblechprodukt-Gesamtdicke
auf.
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Vorzugsweise
enthält
bei dem Hartlötblechprodukt
das Material, das beim Hartlöten
geschmolzen wird und üblicherweise
als das Füllmaterial
bekannt ist, im Besonderen die Nickelschicht und/oder die Zink-
oder Zinnschicht, ein oder mehrere Elemen te, um die Oberflächenspannung
der geschmolzenen Hartlötlegierung während des
Hartlötens
zu verringern. Beider Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass
es im Gegensatz zu der Lehre nach dem Stand der Technik nicht notwendig
ist, Blei als ein Legierungselement zu der Ni-Schicht hinzuzufügen, um
die Benetzungswirkung der Hartlötlegierung
zu fördern.
Dennoch können
Blei und andere geeignete Elemente, bei denen Wismut den meisten
vorgezogen wird, zu der Nickelschicht oder der Zink- oder Zinnschicht
oder zu beiden hinzugefügt
werden. Dies hat aus Sicht der Herstellung des Hartlötblechs
verschiedene Vorteile.
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In
dem Füllmaterial
insgesamt kann daher wenigstens eines von, dem Folgenden, in Gew.-%,
vorhanden sein:
Bi | 0,01 bis
0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 |
Mg | 0,2 bis 2,0 |
Sb | 0,01 bis
0,5, vorzugsweise 0,05 bis 0,5 |
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Die
Zink- oder Zinnschicht selbst kann somit ein oder mehrere zusätzliche
Elemente enthalten, die aus der Gruppe bestehend aus Wismut, Blei,
Lithium und Antimon ausgewählt
werden. Die Menge des zusätzlichen
Elements oder der zusätzlichen
Elemente kann insgesamt bis zu 50 % betragen, ist jedoch vorzugsweise geringer
als 25 %, wie z. B. in dem Bereich von 1 bis 25 %.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
hat der Wismutzusatz in der Aluminiumplattierschicht eine Obergrenze
von 0,5 %. Eine geeignete Untergrenze für den Wismutzusatz ist 0,01
%, wobei eine Untergrenze von 0,05 % stärker zu bevorzugen ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung
des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
hat der Antimonzusatz in der Aluminiumplattierschicht eine Obergrenze
von 0,5 %. Ein geeigneter Bereich. für den Antimonzusatz ist 0,01
bis 0,3 %.
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Bei
einer Ausführung
enthält
die Aluminiumplattierschicht, in Gew.-%, Si in dem Bereich von 2
bis 18 %, und vorzugsweise 7 bis 18 %, als Legierungselement und
des Weiteren Magnesium in dem Bereich von bis zu 8,0 % und vorzugsweise
bis zu 5,0 %. Vorzugsweise liegt das Magnesium in dem Bereich von
0,5 bis 5 %, wobei ein Bereich von 0,5 bis 2,5 % stärker zu
bevorzugen ist. Weitere Legierungselemente, wie Cu, Zn und Sr, ohne
jedoch darauf beschränkt
zu sein, können
in geeigneten Bereichen hinzugefügt
werden. Es wurde festgestellt, dass bei Gebrauch des Hartlötblechprodukts
das Vorhandensein von Magnesium in der Plattierschicht keine nachteiligen
Auswirkungen während
des Hartlötens
hat. Dies ist eine wichtige Verbesserung gegenüber bekannten Hartlötblechprodukten.
Es ermöglicht
die Konstruktion von Aluminiumplattierschichten, die zu der Festigkeit
des gesamten Hartlötblechprodukts
beitragen können,
oder alternativ, dass die Hartlötblechprodukte
dünnere
Plattierschichten aufweisen. Des Weiteren ermöglicht es, dass Mg enthaltendes
Hartlötblech
sowohl beim Vakuumhartlöten
als auch bei flussmittellosem Hartlöten in geregelter Atmosphäre angewendet
werden kann. Die letztgenannte Möglichkeit
hat viele wirtschaftliche und technische Vorteile. Zusätzlich wurde
festgestellt, dass auf Grund des Hinzufügens sowohl von Wismut als
auch von Magnesium als Legierungselemente die zwingende Notwendigkeit
des Zusatzes von benetzungs- oder verbindungsfördernden Legierungselementen
zu der sequenziell elektroplattierten Nickelschicht überwunden
wird. Das erfindungsgemäße Hartlötblechprodukt
kann gut bei den bestehenden industriellen Hartlötlinien verwendet werden.
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Bei
einer anderen Ausführung
enthält
die Aluminiumplattierschicht, in Gew.-%, Si in dem Bereich von 2
bis 18 %, und vorzugsweise 7 bis 18 %, als Legierungselement und
des Weiteren Zink in dem Bereich von bis zu 5 %. Vorzugsweise liegt
das Zink in dem Bereich von 0,5 bis 3 %. Weitere Legierungselemente,
wie Mg und Cu, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, können in
geeigneten Bereichen hinzugefügt
werden. Erfindungsgemäß wurde
festgestellt, dass bei Verwendung dieses Hartlötblechprodukts das Vorhandensein
von Zink in der Plattierung keine nachteiligen Auswirkungen während des
Hartlötens
hat. Dies ist eine wichtige Verbesserung gegenüber bekannten Hartlötblechprodukten.
Es ermöglicht
die Konstruktion einer Plattierung, die zu der Festigkeit des gesamten
Hartlötblechprodukts
beitragen kann. Des Weiteren kann das Hartlötblechprodukt, bei dem die
Plattierung Zink als absichtliches Legierungselement enthält, sowohl
beim Vakuumhartlöten als
auch bei flussmittellosem Hartlöten
in geregelter Atmosphäre
angewendet werden, wobei beide Prozesse auf einer industriellen
Ebene verwendet werden.
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Bei
einer anderen Ausführung
enthält
die Aluminiumplattierschicht, in Gew.-%, Si in dem Bereich von 2
bis 18 %, und vor zugsweise 7 bis 18 %, als Legierungselement und
des Weiteren Kupfer in dem Bereich von bis zu 5 %. Vorzugsweise
liegt das Kupfer in dem Bereich von 3,2 bis 4,5 %. Weitere Legierungselemente,
wie Mg und Zn, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, können in
geeigneten Bereichen hinzugefügt
werden. Erfindungsgemäß wurde
festgestellt, dass bei Verwendung dieses Hartlötblechprodukts das Vorhandensein
von Kupfer in der Plattierung keine nachteiligen Auswirkungen während des
Hartlötens
hat. Dies ist eine wichtige Verbesserung gegenüber bekannten Hartlötblechprodukten.
Es ermöglicht
die Konstruktion einer Plattierung, die zu der Festigkeit des gesamten
Hartlötblechprodukts
beitragen kann. Des Weiteren kann das Hartlötblechprodukt, bei dem die
Plattierung Kupfer als absichtliches Legierungselement enthält, sowohl
beim Vakuumhartlöten
als auch bei flussmittellosem Hartlöten in geregelter Atmosphäre angewendet
werden, wobei beide Prozesse auf einer industriellen Ebene verwendet
werden.
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Bei
allen Ausführungen
der Aluminiumplattierschicht kann Indium („In") in einem Bereich von bis zu 0,30 %
als ein Legierungselement vorhanden sein, um im Vergleich zu der
Aluminiumkernlegierung ein elektronegativeres Korrosionspotenzial
der Aluminiumplattierschicht zu erreichen. Es wurde festgestellt,
dass Indium im Vergleich zu Zinkzusätzen bei der Verringerung des
Korrosionspotenzials der Legierung viel wirksamer ist. Typischerweise
sind 0,1 % In ebenso wirksam wie 2,5 % Zn.
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Bei
allen Ausführungen
der Aluminiumplattierschicht können
in der Aluminiumplattierschicht Mangan und Zirkonium jeweils als
ein Verunreinigungselement in einem Bereich von bis zu 0,30 % vorhanden
sein und sind vorzugsweise bis zu lediglich 0,10 % vorhanden, wobei
bis zu 0,05 % starker zu bevorzugen ist.
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Bei
allen Ausführungen
der Aluminiumplattierschicht kann in der Plattierschicht Eisen als
ein typisches Verunreinigungselement in Aluminiumlegierungen in
einem Bereich von bis zu 0,8 % und vorzugsweise in einem Bereich
von bis zu 0,4 % vorhanden sein.
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Bei
allen Ausführungen
der Aluminiumplattierschicht kann Strontium in einem Bereich von
bis zu 0,20 % hinzugefügt
werden, um beim Gießen
der Plattierlegierung das in der Plattierschicht vorhandene Silizium während der
Verfestigung zu modifizieren. Ein stärker bevorzugter Höchstwert
für den
Strontiumzusatz ist ein Bereich von bis zu 0,05 %.
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Bei
einer Ausführung
des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
ist das Kernblech eine Aluminiumlegierung, die Magnesium in einem
Bereich von bis zu 8,0 % enthält.
Bei einer bevorzugten Ausführung
liegt Magnesium in einem Bereich von 0,5 bis 5,0 %. Weitere Legierungselemente,
wie Cu, Zn, Bi, V, Fe, Zr, Ag, Si, Ni, Co und Mn, ohne jedoch darauf
beschränkt
zu sein, können
in geeigneten Bereichen hinzugefügt
werden. Es wurde festgestellt, dass bei Verwendung des Hartlötblechprodukts
der Erfindung das Vorhandensein von Magnesium in der Aluminiumplattierschicht
keine nachteiligen Auswirkungen während des Hartlötens hat.
Dies ist eine wichtige Verbesserung gegenüber den bekannten Hartlötblechen.
Die Diffusion von Mg von dem Kern zu der Plattierung während der
Herstellung des Hartlötblechprodukts
selbst und seiner Anwendung bei einem nachfolgenden Hartlötprozess
scheint keine nachteiligen Auswirkungen auf die Hartlötbarkeit
des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
zu haben. Dies ermöglicht
die Konstruktion hochfester Hartlötblechprodukte mit einem Aluminiumkernblech,
das Magnesium in dem vorgegebenen Bereich als ein Verfestigungselement aufweist.
Das Produkt kann sowohl beim Vakuumhartlöten als auch bei flussmittellosem
Hartlöten
in geregelter Atmosphäre
angewendet werden, wobei beide Prozesse auf einer industriellen
Ebene ausgiebig verwendet werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukt
kann das Kernblech über
eine Zwischenschicht mit der Aluminiumplattierschicht zusammengefügt werden.
Die Vorteile davon, über
eine solche Zwischenschicht oder Trennschicht zu verfügen, werden
zum Beispiel in
US-A-2.821.014 beschrieben,
dessen Inhalte hierin als Bezug aufgenommen werden.
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Die
Erfindung stellt des Weiteren eine hartgelötete Anordnung bereit, die
wenigstens ein Bauteil enthält,
das aus dem Hartlötblechprodukt,
das nach der oben und in den Ansprüchen beschriebenen Erfindung produziert
wurde, hergestellt ist.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
einer hartgelöteten
Anordnung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts bereitgestellt,
das die folgenden aufeinanderfolgenden Prozessschritte umfasst:
- (a) Formen von Teilen, von denen wenigstens
eines aus dem Hartlötblechprodukt
der oben dargelegten Erfindung hergestellt ist;
- (b) Zusammensetzen der Teile zu einer Anordnung;
- (c) Hartlöten
der Anordnung unter einem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre ohne
ein Hartlötflussmittel
bei erhöhter
Temperatur über
einen ausreichend langen Zeitraum, um die Fülllegierung zu schmelzen und
zu verteilen, wobei die Fülllegierung
durch wenigstens die Plattierlegierung 2, die Verbindungsschicht 4 und
die Ni-Schicht 3 ausgebildet wird;
- (d) Abkühlen
der hartgelöteten
Anordnung. Die Abkühlgeschwindigkeit
kann in dem Bereich typischer Hartlötofen-Abkühlgeschwindigkeiten
liegen. Typische Abkühlgeschwindigkeiten
sind Abkühlgeschwindigkeiten von
wenigstens 10 °C/Min.
oder mehr, typischerweise von 40°C/Min.
oder mehr.
-
In
Abhängigkeit
von der Aluminiumlegierung des Kernblechs kann der Prozess den weiteren
Verarbeitungsschritt (e) des Alterns der hartgelöteten und abgekühlten Anordnung
zum Optimieren der mechanischen Eigenschaften und/oder Korrosionseigenschaften
der resultierenden Anordnung enthalten.
-
Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts
wurde festgestellt, dass dies zu einer um ungefähr 10°C niedrigeren Hartlöttemperatur
führt.
Diese verringerte Hartlöttemperatur
ermöglicht
eine signifikante Verringerung der Verarbeitungszeit auf industrieller
Ebene für
einen vollständigen
Hartlötzyklus, wobei
typischerweise eine Zeitverringerung von 20 % oder mehr festgestellt
wurde.
-
Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verwenden
der oben dargelegten und in den Ansprüchen ausgewiesenen Aluminiumplattierlegierung
bei einem Hartlötblechprodukt
bereitgestellt.
-
Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Verwenden
der oben dargelegten und in den Ansprüchen ausgewiesenen Aluminiumplattierlegierung
bei einem Hartlötblechprodukt
in einem Verfahren zum Herstellen einer hartgelöteten Anordnung in einem Schutzgas-Hartlötprozess
ohne Hartlötflussmittel
bereitgestellt.
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KURZE EINFÜHRUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun durch mehrere nichtbeschränkende Beispiele dargestellt,
wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird, bei denen:
-
1 eine
schematische Längsschnittdarstellung
ist, die die Struktur von Hartlötblechprodukt
nach dem Stand der Technik zeigt;
-
2 eine
schematische Längsschnittdarstellung
ist, die die Struktur erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts zeigt;
-
3 eine
schematische Längsschnittdarstellung
ist, die die Struktur erfindungsgemäßen Hartlötblechprodukts zeigt.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
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1 zeigt
schematisch Hartlötblech
nach dem Stand der Technik, wie es durch den Prozess zum Beispiel
gemäß
US-A-3.970.237 erzielt werden würde. Das
Hartlötblechprodukt
besteht aus einem Kernblech
1, das auf einer oder beiden
Seiten mit einer Aluminiumplattierschicht
6, die eine Al-Si-Legierung
enthält,
plattiert ist. Oben auf der Plattierschicht
6 wird mit
Hilfe von Elektroplattierung eine dünne Nickelschicht
3,
vorzugsweise eine Nickel-Blei-Schicht, aufgetragen.
-
2 zeigt
schematisch Hartlötblech
nach der vorliegenden Erfindung, bei dem zwischen der Plattierschicht 2,
die eine Al-Si-Bi-Legierung enthält,
und der Ni-Schicht 3 eine weitere Schicht 4 aus
Zink oder Zinn aufgetragen ist, deren Vorteile oben dargelegt werden.
In 2 wurden die Schichten 4 und 3 auf
lediglich einer Seite des Hartlötblechs
gezeigt, aber für
die Fachperson ist sofort ersichtlich, dass sie außerdem auf
beide Seiten des Hartlötblechprodukts
aufgetragen werden können.
Die Zusammensetzung der verschiedenen Schichten und ihre Vorteile
wurden oben dargelegt.
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3 zeigt
schematisch ein weiteres Hartlötblech
nach der vorliegenden Erfindung, das die Schichten von 2 und
eine weitere Zwischenschicht 5 zwischen dem Kernblech 1 und
der Plattierschicht 2 auf beiden Seiten aufweist. In 3 wurden
die Schichten 4 und 3 auf lediglich einer Seite
des Hartlötblechs
gezeigt, aber für
die Fachperson ist sofort ersichtlich, dass sie außerdem auf
beide Seiten des Hartlötblechprodukts
ausgetragen werden können.
Zusätzlich
kann die Zwischenschicht 5 außerdem auf eine Seite des Hartlötblechs,
vorzugsweise auf die Seite, die außerdem die Schichten 4 und 3 enthält, aufgetragen
werden. Die möglichen
Zusammensetzungen der verschiedenen Schichten und ihre Vorteile
wurden oben dargelegt.
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BEISPIEL
-
Auf
einer Laborversuchsebene wurden Aluminiumhartlötbleche, die aus einer Aluminium-Association-(AA)3003-Kernlegierung,
die auf einer Seite mit Aluminiumplattierlegierungen der Serie AA4000
aus vier verschiedenen Zusammensetzungen (siehe Tabelle 1) plattiert
war, hergestellt waren und eine Gesamtdicke von 0,5 mm und eine
Plattierschichtdicke von ungefähr
50 μm aufwiesen,
so behandelt, wie in Tabelle 2 dargelegt.
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Die
Behandlung bestand aus den folgenden aufeinanderfolgenden Prozessschritten:
- – Reinigen
durch Eintauchen für
180 Sekunden in ChemTec 30014 (ein im Handel erhältliches Entfettungsmittel
und basisches Ätzreinigungsmittel),
gefolgt von Spülen;
- – basisches Ätzen für 20 Sekunden
in ChemTec 30203 (ein im Handel erhältliches basisches Ätzreinigungsmittel)
bei Umgebungstemperatur, gefolgt von Spülen;
- – wahlweise
Nachbeizen für
4 Sekunden in einem sauren Oxidationsbad, typischerweise 25 bis
50 Vol.-% Salpetersäure,
die ChemTec 11093 (ein im Handel erhältlicher Beizaktivator) enthält, bei
Umgebungstemperatur, gefolgt von Spülen;
- – Zinkat-Tauchen
für 12
Sekunden unter Verwendung von ChemTec 024202 bei Raumtemperatur,
gefolgt von Spülen;
- – galvanisches
Vernickeln und Spülen.
-
Für das galvanische
Vernickeln wurde ein basisches Bad ohne Blei verwendet, wobei dies
durch „L-" in Tabelle 2 angezeigt
wird. Das bleifreie basische Bad enthielt 50 g/l Nickelsulfat, 50
g/l Nickelchlorid, 30 g/l Natriumcitrat und 75 ml/l Ammoniumhydroxid
(30 %). Die Galvanisierbedingungen bei 26°C waren so, dass eine Galvanisierzeit
von 50 Sekunden unter Verwendung einer Stromdichte von 3 A/dm2 zu einer vernickelten Schicht von 0,5 μm Dicke führte.
-
Die
vernickelten Prüfkörper wurden
unter Verwendung des Erichsen-Einbeulversuchs (5 mm) und des T-Biegeversuchs
auf Anhaftung geprüft.
Es wurde dann eine Bewertung für
die Anhaftung vergeben, wobei: (–) = schlecht, (±) = annehmbar
und (+) = gut. Die Hartlötbarkeit
wurde wie folgt beurteilt. Auf einer Laborversuchsebene wurden die
Hartlötversuche
in einem kleinen Quarzofen durchgeführt. Kleine Abschnitte von
25 mm × 25
mm wurden von den vernickelten Blechen abgeschnitten. Ein kleiner
Streifen aus einer AA3003-Legierung mit den Maßen 30 mm × 7 mm × 1 mm wurde in der Mitte zu
einem Winkel von 45° gebogen
und auf die Abschnitte gelegt. Der Streifen auf den Abschnittproben
wurde unter strömendem
Stickstoff erwärmt,
wobei Erwärmung
in ungefähr
10 Minuten von Raumtemperatur auf 580°C erfolgte, die Verweildauer
bei 580°C
1 Minute betrug und Abkühlung
von 580°C
auf Raumtemperatur erfolgte. Der Hartlötprozess wurde nach möglicher Faltenbildung,
Kapillardepression und Fullstoffbildung beurteilt. Eine Gesamtbeurteilung
wurde vergeben, wobei: (–)
= schlechte Hartlötbarkeit,
(–/±) = annehmbare
Hartlötbarkeit,
(±) =
gute Hartlötbarkeit
und (+) = ausgezeichnete Hartlötbarkeit.
Die erzielten Ergebnisse werden in Tabelle 2 zusammengefasst.
-
Aus
den Ergebnissen von Tabelle 2 ist ersichtlich, dass das Anwenden
einer Zinkat-Behandlung für ein
gutes Anhaften der vernickelten Schicht von wesentlicher Bedeutung
ist. Aus den Ergebnissen der Plattierlegierung Nr. 1 ist ersichtlich,
dass das Weglassen des Nachbeizschrittes immer noch zu einem guten
Anhaften der vernickelten Schicht führt. Die Ergebnisse der Plattierschicht
Nr. 2 demonstrieren, dass das Hinzufügen von Bi zu der Plattierung
zu einer ausgezeichneten Hartlötbarkeit
führt.
Folglich kann das Hinzufügen
von Blei zu der Nickelschicht erfindungsgemäß weggelassen werden. Die Ergebnisse
der Plattierschicht Nr. 3 demonstrieren, dass das Hinzufügen von
Bi zu der Plattierung in Verbindung mit Magnesium immer noch zu
einer ausgezeichneten Hartlötbarkeit
führt.
Die Ergebnisse der Plattierschicht Nr. 4 demonstrieren, dass das
Hinzufügen von
Bi zu der Plattierung in Verbindung mit Zink immer noch zu einer
ausgezeichneten Hartlötbarkeit
führt. Wenn
dagegen weder Wismut noch Blei in der Plattierschicht vorhanden
ist, noch Blei in der Nickelschicht vorhanden ist, führt dies
zu einer schlechten Hartlötbarkeit
(siehe Plattierlegierung Nr. 1). Tabelle 1. Zusammensetzung der Aluminiumplattierlegierung,
in Gew.-%. Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen (jeweils < 0,05 %, insgesamt < 0,20 %).
Legierung | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Bi |
1 | 10,0 | 0,3 | <0,01 | <0,02 | <0,02 | <0,02 | 0,003 | – |
2 | 8,5 | 0,2 | <0,01 | <0,02 | <0,02 | <0,02 | 0,003 | 0,09 |
3 | 9,6 | 0,25 | <0,01 | <0,02 | 1,35 | <0,02 | 0,003 | 0,13 |
4 | 7,6 | 0,35 | <0,01 | <0,02 | <0,02 | 1,02 | 0,003 | 0,11 |
Tabelle 2. Angewendete Vorbehandlung und
Prüfungsergebnisse.
Plattierlegierung
Nr. | Reini
gen | Ätzen | Nach
bei zen | Zin
kat | Verni ckeln | Haf
tung | Hart
löt bar
keit |
1 | ja | ja | ja | ja | L | + | – |
1 | ja | ja | nein | ja | L | + | – |
2/3/4 | ja | ja | ja | ja | L | + | + |