DE69306888T2

DE69306888T2 - Aluminium Legierungen

Info

Publication number: DE69306888T2
Application number: DE1993606888
Authority: DE
Inventors: Giles Humpston; David Michael Jacobson; Surinder Pal Singh Sangha
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: Marconi Caswell Ltd
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2013-08-07
Also published as: DE69306888D1; EP0587307B1; GB2270086A; GB9218404D0; EP0587307A1

Description

Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen. die zum Löten von Aluminiumlegierungsbestandteilen oder ähnlichem verwendet werden können.
Aluminiumlegierungen und Verbundmaterialien mit einer Aluminiummetallmatrix werden verstärkt in einem weiten Anwendungsbereich, insbesondere in der Raumfahrt. der Elektromk und im Transport eingesetzt. Ein Anreiz zur Fortsetzung dieses Trends liegt in den attraktiven Eigenschaften der Konstruktionslegierungen, die ein gröberes Verhältnis von Festigkeit/Gewicht als Stahl und ein größeres Verhältnis von Leitfähigkeit/Gewicht als Kupfer haben, wohingegen ihr niedriger Schmelzpunkt die Herstellung von komplizierten und schwierigen Teilen unter Verwendung von netznahen Formgebungsverfahren erleichtern.
Der relativ niedrige Schmelzpunkt dieser Legierungen macht die meisten von ilmen jedoch unlötbar mittels vorhandener Technologien. Die bekannten Aluminium-Silicium und Aluminium-Silicium-Kupfer-Hartlötungen können nur dazu verwendet werden, Aluminiumlegierungskomponenten bei Löttemperaturen in dem Bereich von ungefähr 575º-600ºC hartzulöten. Niedrigere Löttemperaturen ergeben eine schlechte Benetzung und Verteilung der geschmolzenen Zusatzwerkstoffe. während höhere Temperaturen zu emem übermäßigen Verschleiß (einer Auflösung) der Ausgangsmaterialien führen. Beide Phänomene verursachen Verbindungen minderwertiger Qualität.
Alternative Verbindungsverfahren zur mechanischen Befestigung und Verklebung bedingen ernstliche Einschränkungen hinsichtlich Geometrie, Bereichsdicke und haben den Nachteil innewohnender Ungenauigkeiten in bezug auf die Unversehrtheit der Grenzfläche zwischen den aufeinandergehörenden Komponenten.
Die Möglichkeit. Komponenten aus Aluminiumlegierungen durch Hartlöten mit einer Aluminiumlegierung zu verbinden, welche bei einer Temperatur von weniger als 575ºC eingesetzt werden kann, bedeutet einen technischen Erfolg in höchstem Maße und ermöglicht die Herstellung besserer Ausführungen mit gröberer Zuverlässigkeit. Gegenwärtig ist die Wahl hartzulöten ernsthaft eingeschränkt: binäre Legierungen, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen&sub9; haben die einen oder anderen bedeutenden Nachteile. die ihren Einsatz einschränken. Sie sind zum Beispiel entweder spröde, flüchtig, haben schlechte Dauerwechselfestigkeiten oder sind insbesondere aufgrund eines hohen Goldgehaltes teuer. GB 766368 und EP-A-0381411 offenbaren Aluminiumhartlötlegierungen. die Germanium enthalten. Diese Legierungen schmelzen bei so niedrigen Temperaturen wie 400ºC. Diese Aluminium-Germanium-Legierungen smd jedoch außerordentlich spröde. Weder JP-A-3 248 777 noch JP-A-4 105 787 offenbaren eine Hartlötlegierung, die Zink beinhaltet. um die Schmeiztemperatur der Legierung zu verringern.
Daher besteht ein allgemeiner Bedarf an neuen Lötlegierungen, die diese Nachteile vermeiden und die bei einer Temperatur von weniger als 575ºC vollständig geschmolzen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aluminiumlegierung bereitzustellen. die dazu verwendet werden kann. Komponenten aus Aluminium. Aluminiumlegierungen oder ähnlichen Materialien zu löten. und die unterhalb von 575ºC vollständig geschmolzen ist.
Erfindungsgemäß wird eine Aluminiumlegierung, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist, bereitgestellt.
Legierungen in diesem Zusammensetzungsbereich schmelzen bei mindestens so niedrigen Temperaturen wie 490ºC.
Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können zum Löten von Komponenten verwendet werden. indem eine Druckspannung auf das Lötmaterial ausgeübt wird. während es in dem Fugenraum geschmolzen wird.
Wahlweise enthält die erfindungsgemäße Legierung Benetzungs- und Verteilungsmittel. Die Konzentration jedes dieser Benetzungs- und Verteilungsmittel in der Legierung kann bis zu 0.25 Gew.-% betragen. Wahlweise ist das Benetzungsmittel Berylhum und das Verteilungsmittel Wismuth.
Ferner kann die erfindungsgemaße Legierung einen Kornverfeinerer wie Strontium enthalten, um die Kornstruktur der festgewordenen Legierung zu verfeinern. Die Konzentration eines derartigen Kornverfeinerers kann, wenn er in der Legierung vorliegt, bis zu 0.25 Gew.-% betragen.
Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Legierung bereitgestellt, bestehend aus:
a) von 50 bis 85 Gew.-% Aluminium.
b) von 0 bis 10 Gew.-% Zink:
c) von 17 bis 40 Gew.-% Kupfer:
d) von 0,25 bis 5 Gew.-% Nickel.
e) von 1 bis 8 Gew.-% Silicium.
f) von 0.001 bis 0.25 Gew.-% Wismuth,
g) von 0.001 bis 0.25 Gew.-% Beryllium und
h) von 0.001 bis 0,25 Gew.- Strontium.
wobei die Summe der obigen Elemente (a) bis (h) in der Legierung 100 Gew.-% entspricht.
In der vorliegenden Erfindung sind die Anteile an Al, Zn, Cu, Ni und Si derart gewählt. daß sie einen vernünftigen Kompromiß zwischen Kosten, Schmelzbereich, der Temperatur. bei der die Legierung vollständig geschmolzen ist, und der Leitfähigkeit bilden. Die resultierende Legierung der vorliegenden Erfindung hat einen niedrigen Schmelzpunkt, ist ausreichend leitfahig und kann mechanisch bearbeitet werden, ohne daß unnötige Brüche verursacht werden.
In der vorliegenden Erfindung werden Konzentrationen von mehr als 50% Aluminium ausgewählt, da dies die mechanischen Eigenschaften der Hartlötvorformlinge verbessert, die elektrochemische Kompatibilität mit Substraten aus Aluminiumlegierungen beibehält und das Risiko einer bimetallischen Korrosion minimiert. Die obere Grenze von 85 % ist durch die Notwendigkeit, den Schmelzbereich der Hartlötungen zu begrenzen. bestimmt, wenn sie unterhalb von 575ºC verwendbar sein sollen. Der teilweise Austausch von Aluminium durch bis zu 10% Zink wird verwendet. um den Schmelzpunkt der Legierung zu erniedrigen. Höhere Anteile an Zink sind aufgrund der Flüchtigkeit dieses Elementes ungeeignet zum Hartlöten mittels Ofen.
Hohe Kupferkonzentrationen sind bevorzugt, da dieses Element den Schmelzbereich der Hartlötungen erniedrigt. Die obere Grenze von 40 % wird durch den Versprödungseffekt bestimmt, der durch dieses Element hervorgerufen wird, wenn es eine Legierung mit Aluminium bildet. Da Kupfer in Abwesenheit von Aluminium und Silicium leitfähig ist, sind Mehrschichtfolien des Al-Si-Zn/Cu-Ni/Al-Si-Zn-Typs und folgende schon an sich leitfähig, ungeachtet der effektiven Kupferkonzentration. Pasten, die Pulver dieser Legierungen beinhalten, können mit jeglicher Kupferkonzentration hergestellt werden. Ferner wird die obere Grenze an Kupfer durch die Notwendigkeit bestimmt, die elektrochemische Kompatibilität zwischen der festgewordenen Lötstelle und den Aluminiumlegierungskomponenten beizubehalten. welche nach und nach verloren geht, wenn die Kupferkonzentration über einen Wert von 40% ansteigt. Die untere Grenze von 17% Kupfer wird durch die Notwendigkeit bestimmt, den Schmelzbereich der Legierungen unter 50ºC zu halten, eine Eigenschaft. die in einer Hartlötstelle vorteilhaft ist.
In der vorliegenden Erfindung wird Nickel zum Austausch von Kupfer verwendet. Eine Zugabe von 1% Nickel hat denselben Effekt, den Schmelzbereich zu erniedrigen, wie ungefähr 5% Kupfer. Es gibt eine obere Grenze von ungefähr 5% Nickel, welches im Austausch von Kupfer zugegeben wird. Die obere Grenze von 5% Nickel wird durch die heftige Versprödung der Lötlegierungen bestimmt, die aufgrund eines hohen Nickelanteils auftritt.
Nickel wird gewöhnlich Aluminiumlegierungen zugegeben, um ihre Härte zu vergrößern und Ihre Verschleißbeständigkeit zu verbessern, insbesondere in Gießlegierungen. Bei der vorliegenden Erfindung ist herausgefunden worden, daß der Austausch von Kupfer durch Nickel bei höheren Kupferanteilen nicht nur den Schmelzbereich der Legierungen erniedrigt, sondern sie ebenfalls welch macht, vorausgesetzt die Nickelzugabe liegt unterhalb von 5%. Weichheit und Leitfähigkeit sind in hohem Maße vorteilhafte Eigenschaften für das Löten von Legierungen, da sie die einfache Herstellung von Folien und anderen Geometrien der Vorformlinge durch mechanische Bearbeitungsmethoden ermöglichen. Der Austausch von 7% Kupfer in einer Legierung mit der Zusammensetzung 68Al 27Cu 5Si mit 2% Nickel ändert den Schmelzbereich nicht wesentlich, erniedrigt jedoch die Härte der Legierung um 50Hv.
Hohe Siliciumkonzentrationen werden bevorzugt, da dieses Element den Schmelzpunkt von Aluminium erniedrigt, jedoch ohne das elektrochemische Potential oder die mechanischen Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Die obere Grenze wird durch die Notwendigkeit bestimmt, die Bildung von signifikanten Mengen an primären Siliciumphasen in der Legierung zu vermeiden, welche sie spröde machen würden. Die obere Grenze fur Legierungen, die durch herkömmliche Verfahren mechanisch bearbeitet werden können, beträgt ungefähr 5% Silicium und für andere Herstellungstechniken, einschließlich Mehrschichtfolien, ungefähr 8% Silicium. Die untere Grenze für Silicium wird durch die Notwendigkeit bestimmt, den Schmelzbereich von Lötstellen unterhalb von 50ºC zu halten.
Bevorzugt stellt die Erfindung ebenfalls eine Legierung (B) bereit, bestehend aus:
a) 62,485 Gew.-% Aluminium,
b) 5 Gew.-% Zink,
c) 27 Gew.-% Kupfer.
d) 1 Gew.-% Nickel,
e) 4 Gew.-% Silicium,
f) 0,25 Gew.-% Wismuth.
g) 0,25 Gew.-% Berylhum,
h) 0.015 Gew.-% Strontium.
Der Schmelzbereich der Legierung B ist 485-513ºC.
In dem obigen Beispiel für eine erfindungsgemäße Legierung sind Wismuth, Beryllium und Strontium als optimale Kombination aus einer Reihe gut bekannter Elemente ausgewählt, die die Benetzung und Verteilung von Aluminiumlegierungen fördern und ebenfalls die Mikrostruktur der festgewordenen Legierungen verfeinern. Die erfindungsgemäße Legierung kann jedoch aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Zink und Silicium bestehen, in einem derartigen Fall werden diese Nebenbestandteile der Legierung nicht zugegeben.
Um nicht aus Aluminium bestehende Komponenten, die gegenüber Verschleiß durch geschmolzenes Aluminium nicht anfällig sind, wie Molybdän, zu verbinden, werden gelegentlich Löttemperaturen von bis zu 720ºC verwendet, um eine Benetzung zu erzielen. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung können, wenn notwendig, gleichermaßen bei diesen hohen Temperaturen eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt behalten die elektrochemische Kompatibilität zwischen der festgewordenen Hartlötung und den Aluminiumkomponenten bei. Ferner sind die erfindungsgemäßen Legierungen ausreichend leitfähig und können ohne Verursachung von Briichen und unnötigen Versprödungen mechanisch bearbeitet werden.
Homogene Schmelzlinge aus erfindungsgemäßen Legierungen können ohne weiteres hergestellt werden und in eine herkömmliche Geometrie, wie Blech, Folie, Stab, Draht, Pulver und Pasten, umgewandelt werden, welche erforderlich ist, um Lötverbindungen herzustellen,
Erfindungsgemäße Legierungen mit Kupfer- und Siliciumgehalten in Richtung des unteren Endes des spezifizierten Bereichs sind leitfähiger und können mechanisch in den meisten gewünschten Geometrien warmgefertlgt werden. Wenn sie kalt sind, weisen die Legierungen eine begrenzte Leitfähigkeit auf. Daher ist zwischen den Walzstrichen eine Wärme-Glühbehandlung notwendig.
Erfindungsgemaße Legierungszusammensetzungen können sowohl als Folie als auch als Draht durch schnell verfestigende Giebverfahren hergestellt werden. Das resultierende Material ist relativ spröde, seine Leitfähigkeit kann jedoch beibehalten werden, indem es bei einer Temperatur nahe der Verfestigungstemperatur der Legierung in einer inerten Atmosphäre ungefähr 24 h lang wärmebehandelt wird.
Ein alternatives Herstellungsverfahren, das zur Herstellung leitfahiger Vorformlinge eingesetzt werden kann, besteht darin, die Legierung in Kombinationen von Bestandteilen aufzuteilen, die leitfähig sind. Zum Beispiel sind sowohl Al-Zn-Si und Cu-Ni-Legierungen in den spezifizierten Bereichen leitfähig Demzufolge ist es möglich, eine Schichtstruktur herzustellen, die die erforderlichen Bestandteile in den gewiinschten Verhältnissen enthält und die ausreichend leitfahig ist, so daß sie ohne Glühen bei Zimmertemperatur mechanisch bearbeitet werden kann. Bei der Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen diffundieren die Komponenten wechselseitig, so daß insitu eine Zusammensetzung mit einem niedrigen Schmelzpunkt gebildet wird. Diese Wärmebehandlung kann leicht den Lötvorgang beinhalten.
Die erfindungsgemäßen Legierungen werden behandelt, um Oberflächenfilme, die sich während der Herstellung der Lötstelle ansammeln, zu entfernen oder zu destabilisieren, um Verbindungen hoher Qualität zu erzeugen. Die Legierungen können durch eines der folgenden Verfahren oberflächenbehandelt werden.
a) mechanisches Abschleifen von Oberflächenfilmen: Eine dünne Legierungsschicht wird von der Oberfläche des Lötvorformlings abgezogen. Es kann jedes herkömmliche Mittel, wie Reiben mit getränkten SiC-Papieren eingesetzt werden um dieses zu erzielen. obwohl Vorsicht geboten ist, daß wäßrige oder andere Medien, die mit der frisch offenliegenden Aluminiumoberfläche reagieren werden, vermieden werden.
b) chemisches Ätzen: Die Oberflächenschicht der Lötstelle kann chemisch entfernt werden, indem Fachleuten bekannte Reagentien verwendet werden. Die mehrschichtigen Vorformlinge können mit warmer NaOH gereinigt werden, und anschließend mit verdünnter HNO&sub3;, wenn es sich bei den Oberflächenschichten um Al-Si handelt. oder einfach mit HNO&sub3;, wenn es sich bei den Oberflächen um Cu-Ni handelt.
c) Dampfphasenreinigung: Herkömmliche Dampfphasenreinigungsverfahren, wie Gegenfeldzerstäubung und Atomschnellbeschuß können eingesetzt werden, um vergleichbare Effekte zu erzielen.
Ungeachtet des Reinigungsverfahrens wird sich ein dünner Oberflächenfilm bilden. wenn die Lötstelle der Luft ausgesetzt ist. Der Film wird einen Fluß des geschmolzenen Lots verhindern. Dies kann verhindert werden, indem entweder eine Druckspannung auf die Lötstelle ausgeübt wird, während sie in dem Fugenraum geschmolzen ist, oder indem die gereinigte Lötstelle mit einer metallischen Lötschicht überzogen wird, die schon an sich nicht direkt im Anschluß an den Reinigungsvorgang oxidiert. Nickel, Silber und Kupfer sind für diesen Zweck geeignete Metalle und können leicht aufgebracht werden, indem sowohl chemische als auch Dampfphasenprozesse eingesetzt werden können. Es ist notwendig, daß die Metalischicht ausreichend dick ist, um sicherzustellen, daß sie frei von Poren ist, um eine Korrosion der Lötstelie wahrend der Aufbewahrung vor der Verwendung zu vermeiden.
Der Lötvorgang kann sowohl in einem inerten Gas als auch in einer Umgebung eines Hochvakuums durchgeführt werden und beinhaltet, die Lötstelle auf eine Temperatur nahe seiner Flüssigtemperatur aufzuheizen, so daß genug Zeit bleibt, um das notwendige Ausmaß an Fluß des geschmolzenen Füllmaterials und eine Reaktionstiefe mit den Substraten zu erhalten. Es ist im allgemeinen vorteilhaft, die möglichst wenig Zeit für den Lötzyklus zu benötigen, um einen Abbau der Ausgangsmateriaiien zu minimieren.

Beispiel

62,485Al 27Cu 1Ni 4Si 5Zn 0,25Bi 0,25 Be 0.015 Sr Schmelzbereich 485-513ºC
Diese Legierung hat aufgrund der Gegenwart von Zink den Vorteil eines engeren Schmelzbereichs und eines niedrigeren Schmelzpunkts. Eine Zugabe von 5% dieses Elementes ist ausreichend gering, um nicht aufgrund seines relativ niedrigen Dampfdruckes die Öfen zu verunreinigen.

Claims

1. Legierung, bestehend aus:

a) von 50 zu 85 Gew.-% Aluminium,

b) von 17 bis 40 Gew.-% Kupfer;

c) Von 0,25 bis 5 Gew.-% Nickel,

d) von 1 bis 8 Gew.-X Silicium, und

e) 10 Gew.-% oder weniger als 10 Gew.-% Zink, um den Schmelzpunkt der Legierung zu erniedrigen, und

f) wahlweise enthaltend von 0,001 bis 0,25 Gew.-% Wismuth, und von 0,001 bis 0.25 Gew.-% Berylhum und von 0.001 bis 0,25 Gew.-% Strontium,

wobei die Summe der obigen Elemente (a) bis (f) in der Legierung 100 Gew.-% beträgt.

2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus:

a) von 50 zu 85 Gew.-% Aluminium,

b) von 17 bis 40 Gew.-% Kupfer;

c) von 0,25 bis 5 Gew.-% Nickel,

d) von 1 bis 8 Gew.-% Silicium,

e) 10 Gew.-% oder weniger als 10 Gew.-% Zink,

f) von 0.001 bis 0,25 Gew.-% Wismuth,

g) von 0,001 bis 0,25 Gew.-% Beryllium und

h) von 0.001 bis 0,25 Gew.- Strontium,

wobei die Summe der obigen Elemente (a) bis (h) in der Legierung 100 Gew.-% beträgt.

3. Legierung, bestehend aus:

a) 62,485 Gew.-% Aluminium,

b) 5 Gew.-% Zink,

c) 27 Gew.-% Kupfer;

c) 1 Gew.-% Nickel,

d) 4 Gew.-% Silicium,

e) 0.25 Gew.-% Wismuth,

f) 0.25 Gew.-% Beryllium und

g) 0,015 Gew.- Strontium.

4. Folie oder Streifen aus einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die/der in einer inerten Atmosphäre bei 25ºC bis 50ºC unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung wärmebehandelt ist.

5. Folie oder Streifen aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren/dessen Oberfläche elektrochemisch behandelt ist.

6. Folie oder Streifen nach Anspruch 5, die/der eine auf ihm vorgesehene Schicht beinhaltet und eine Schicht aus Kupfer, Silber, Nickel oder Zusammensetzungen aus diesen, die auf der Zinkschicht vorgesehen sind.