FR2460176A1 - Diffusion bonding esp. of aluminium parts - by coating parts with bonding metal and heating at low temp. - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un procédé nouveau pour assembler deux pièces métalliques qui peuvent être en des métaux divers parmi lesquels l'aluminium. Les pièces à assembler peuvent être toutes les deux en un meme métal, ou bien etre en deux métaux différents. Ces métaux peuvent être, entre autres, l'aluminium ou le cuivre. The present invention relates to a new method for assembling two metal parts which may be made of various metals including aluminum. The parts to be assembled can both be in the same metal, or else be in two different metals. These metals can be, among others, aluminum or copper.
Pour assembler deux pièces métalliques de ce type, on connaît divers procédés de collage ou dgassemblage mécanique. En dehors de cela, on connais le soudage et le brasage qui sont les procédés auxquels s'apparente la présente invention. To assemble two metal parts of this type, various bonding or mechanical assembly processes are known. Apart from that, we know welding and soldering which are the processes to which the present invention is related.
On sait que pour souder ou braser deux pièces dont lune au moins est en aluminium, on rencontre dtimportantes difficultés, parmi lesquelles - il est nécessaire de chauffer au moins localement les pièces en
aluminium ou en alliage d'aluminium, à des températures très élevées, voisines du point de fusion de l'aluminium, voire supérieures à oelui-ci. On sait que, dans ces conditions, les caractéristiques mécaniques de la ou des pièces en aluminium chutent considérablement, et ceci de façon irréversible.We know that in order to weld or braze two pieces, at least one of which is made of aluminum, we encounter significant difficulties, among which - it is necessary to heat the pieces at least locally.
aluminum or aluminum alloy, at very high temperatures, close to or even higher than the melting point of aluminum. It is known that, under these conditions, the mechanical characteristics of the aluminum part or parts drop considerably, and this is irreversible.
- étant donné le fort coefficient de dilatation de l'aluminium et
de ses alliages, les pièces subissent des déformations considérables du fait de l'échauffement nécessaire pour le sondage ou le brasage : ces déformations subsistent après refroidissement et rendent souvent les pièces inutilisables pour des applications précises.- given the high coefficient of expansion of aluminum and
of its alloys, the parts undergo considerable deformations due to the heating required for probing or brazing: these deformations remain after cooling and often make the parts unusable for precise applications.
- le soudage ou le brasage s'erfsctnt par par fusion d'un métal qui
se solidifie ensuite au cours du refroidissement. Cette solidification par refroidissement donne souvent lieu à l'apparition de criques ou de fissures.- welding or soldering is erfsctnt by fusion of a metal which
then solidifies during cooling. This solidification by cooling often gives rise to the appearance of cracks or cracks.
- pour souder l'aluminium, on est souvent conduit à utiliser un
flux salin nécessaire pour éliminer la couche d'alumine recouvrant le métal : ce flux salin est très corrosif, si bien qu#on est ensuite contraint de soumettre les pièces à des opérations de nettoyage et de rinçage très poussées.- to weld aluminum, we often have to use a
salt flow necessary to remove the layer of alumina covering the metal: this salt flow is very corrosive, so that one is then forced to subject the parts to very thorough cleaning and rinsing operations.
Dans ce qui précède, on a rappelé les difficultés que l'on rencontre en pratique pour souder ou braser des ## e'pièces en aluminium, ceci parce que les procédés connus conduisent à des difficultés particulièrement importantes dans le cas de l'alumi- nium. Bien entendu, on retrouve certaines de ces difficultés sur d'autres métaux lorsqu'on les assemble par des procédés connus
La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients en proposant un procédé nouveau qui assure aux deux pièces métalliques lm assemblage particulièrement solide, réalisé à basse température (ctest-à-dire à une température de traitement comprise entre 4500C et la température ambiante, selon les métaux en présence).In the foregoing, we have recalled the difficulties encountered in practice for welding or brazing ## aluminum parts, this because the known methods lead to particularly significant difficulties in the case of aluminum. nium. Of course, some of these difficulties are found on other metals when they are assembled by known methods.
The object of the present invention is to avoid these drawbacks by proposing a new process which provides the two metal parts with a particularly solid assembly, carried out at low temperature (that is to say at a treatment temperature between 4500C and ambient temperature depending on the metals present).
Ce procédé selon l'invention présente le grand avantage de ne pas déformer les pièces, puisquton les chauffe peu ou pas du tout. Par ailleurs, la mise en oeuvre de ce procédé est particulièrement simple et économique : on peut procéder dans l'atmosphère ambiante, sans qu'il soit nécessaire d'appliquer fortement les deux pièces l'une contre l'autre. This method according to the invention has the great advantage of not deforming the parts, since they heat them little or not at all. Furthermore, the implementation of this process is particularly simple and economical: it can be carried out in the ambient atmosphere, without it being necessary to apply the two parts strongly against one another.
Le procédé selon l'invention pour assembler une première pièce métallique et une seconde pièce métallique est caractérisé en ce qutil comprend la suite des opérations suivantes - dans un premier temps, on revêt la première pièce d'une couche
métallique superficielle dite "première couche de liaison" on procède de même avec la seconde pièce métallique, qui est revêtue d'une seconde couche de liaison.The method according to the invention for assembling a first metal part and a second metal part is characterized in that it comprises the following sequence of operations - firstly, the first part is coated with a layer
metallic surface known as "first bonding layer" the same is done with the second metallic part, which is coated with a second bonding layer.
- dans une deuxième étape, on place l'une contre l'autre les deux
pièces métalliques ainsi revêtues et on leur fait subir un simple étuvage à basse température, ctest-à-dire à une température comprise entre l'ambiance et 4500C, de façon à provoquer la diffusion des #toms métalliques des couches de revêtent, ce qui provoque localement ltapparition d'un nouvel alliage se solidifiant sur place, pratiquement a la température dtétuvage, progressivement au fur et à mesure de son apparition
On obtient ainsi un assemblage parfaitement solide des deux pièces métalliques, au moyen d'un alliage de liaison dont la résistance mécanique peut être supérieure à celle des constituants des deux couches initiales de revêtement,
Suivant une autre caractéristique de l'invention, correspondant plus particulièrement au cas où le métal constituant les deux pièces métalliques est le même, par exemple de ltalumi nium, la solidification des deux couches intermédiaires de reve- tement s'effectue, non plus seulement par migration d'atomes mé talliqucs de la première couche de revêtement dans la seconde, mais également avec intervention des deux supports, c'est-à-dire avec diffusion du métal de la première pièce et de la seconde pièce, qui migre à travers au moins l'une des deux couches de re vêtement.- in a second step, we place one against the other the two
metal parts thus coated and they are subjected to a simple low temperature steaming, that is to say at a temperature between the ambient and 4500C, so as to cause the diffusion of the metallic #toms of the layers of coating, which causes locally the appearance of a new alloy solidifying on the spot, practically at the steaming temperature, gradually as it appears
A perfectly solid assembly of the two metal parts is thus obtained, by means of a bonding alloy whose mechanical resistance may be greater than that of the constituents of the two initial coating layers,
According to another characteristic of the invention, corresponding more particularly to the case where the metal constituting the two metal parts is the same, for example ltalumi nium, the solidification of the two intermediate coating layers is carried out, no longer only by migration of metallic atoms from the first coating layer into the second, but also with the intervention of the two supports, that is to say with diffusion of the metal from the first part and from the second part, which migrates through at minus one of the two layers of clothing.
Bien entendu, le métal des couches de revêiment est choisi parmi les métaux présentant une bonne aptitude à la diffusion intermétallique à basse température, comme entre autres l'étajn, le cuivre, l'or, ou l'indium. Of course, the metal of the coating layers is chosen from metals having good aptitude for intermetallic diffusion at low temperature, such as, inter alia, etajn, copper, gold, or indium.
En ce qui concerne le revêtement superficiel des pièces métalliques tel qu'il est pratiqué dans la première phase du procédé, on peut lteffectuer par divers moyens connus, notamment par voie galvanique, par métallisation sous vide, ou par évaporation. With regard to the surface coating of metal parts as practiced in the first phase of the process, it can be carried out by various known means, in particular by galvanic means, by vacuum metallization, or by evaporation.
En ce qui concerne la deuxième phase du phénomène, qui consiste à placer l'une contre l'autre les deux pièces métalliques revalues, sans les soumettre à une pression d'application importante, cette deuxième phase peut être effectuée selon les cas, à ltair libre, ou bien dans une ambiance protectrice. Dans tous les cas, cet étuvage est effectué à une température suffisamment basse pour ne pas déformer les pièces métalliques, ni nuire à la solidité de leur structure cristallographique. With regard to the second phase of the phenomenon, which consists in placing the two revalued metal parts against each other, without subjecting them to a significant application pressure, this second phase can be carried out as the case may be, free, or in a protective atmosphere. In all cases, this steaming is carried out at a sufficiently low temperature so as not to deform the metal parts, or to harm the solidity of their crystallographic structure.
Il est connu que, dans le cas de la soudure de deux pièces dont l'une est en alliage d'aluminium, ou en aluminium; on est contraint à utiliser des flux particulièrement corrosifs pour éliminer les couches superficielles d'oxyde tendant à recouvrir naturellement les pièces qui contiennent de l'aluminium. On remarquera que dans le cadre de la présente invention, une telle sujétion n'est plus nécessaire, les surfaces en aluminium étant revêtues de "couches de liaison" très peu oxydées. Dans ce cas, un simple nettoyage suffit. It is known that, in the case of the welding of two parts, one of which is made of aluminum alloy, or of aluminum; one is forced to use particularly corrosive fluxes to eliminate the surface layers of oxide tending to naturally cover the parts which contain aluminum. It will be noted that in the context of the present invention, such a subjection is no longer necessary, the aluminum surfaces being coated with "bonding layers" very little oxidized. In this case, a simple cleaning is enough.
Pour fixer les idées, on va maintenant décrire à titre dtexemples non limitatifs, plusieurs cas pratiques pour la réalisation d'assemblages selon l'invention, cette description faisant référence aux figures des dessins ci-joints. To fix the ideas, we will now describe, by way of non-limiting examples, several practical cases for the production of assemblies according to the invention, this description referring to the figures of the attached drawings.
Exemple n0 1 - Assemblage de deux pièces en alliage d'aluminium AS7 G
La figure 1 montre les deux pièces avant assemblage.Example 1 - Assembling two pieces of AS7 G aluminum alloy
Figure 1 shows the two parts before assembly.
La figure 2 est une coupe analogue les montrant après.Figure 2 is a similar section showing them after.
Les deux pièces sont revetues de deux couches de liaison différentes x et p, La couche x déposée sur la pièce A, est obtenue selon la gamme suivante : la pièce A est tout d'abord dégraissée aux solvants minéraux puis le dégraissage est achevé dans une solution de lessive sodée. La pièce A est ensuite désox? dée dans une solution d'acide nitrique à 5 dr d'acide fluorhydri que puis revêtue d'une couche de conversion à base de zinc (i) par la méthode connue dite au zincate. La pièce A est ensuite plongée dans un bain cyanuré de dépôt d'alliage étain-zinc (2) à 25 % de zinc tel que décrit dans la littérature. L'épaisseur obtenue est de 20 microns. The two parts are coated with two different bonding layers x and p, The layer x deposited on the part A, is obtained according to the following range: the part A is first of all degreased with mineral solvents then the degreasing is completed in a soda solution. Room A is then deox? Ded in a solution of nitric acid to 5 dr of hydrofluoric acid that then coated with a zinc-based conversion layer (i) by the known method known as zincate. The part A is then immersed in a cyanide bath of deposit of tin-zinc alloy (2) with 25% zinc as described in the literature. The thickness obtained is 20 microns.
La couche y déposée sur la pièce B est obtenue selon la gamme suivante ; la pièce B préparée de façon identique à la pièce A jusqu'au zincage par conversion chimique (1) est ensuite cuivrée (3) à épaisseur de 10 microns dans un bain au cyanure puis revêtue d'un alliage étain-zinc à 25 ,qC de zinc (2) à épaisseur 20 microns tel que défini dans le traitement de la pièce A. The layer y deposited on the part B is obtained according to the following range; part B prepared in the same way as part A until zincation by chemical conversion (1) is then copper-plated (3) to a thickness of 10 microns in a cyanide bath and then coated with a tin-zinc alloy at 25, qC zinc (2) 20 microns thick as defined in the treatment of part A.
On obtient alors les deux pièces rev8tues A de sa couche de liaison x, et B de sa couche de liaison y, comme illustré sur la Fig. 1. We then obtain the two coated parts A of its bonding layer x, and B of its bonding layer y, as illustrated in FIG. 1.
Les pièces 4 et B sont alors mises au contact l'une de ltautret (Fig. 1), puis sont placées dans une étuve en ambiance neutre d'azote à la température de 4200C pendant 4 heures. Parts 4 and B are then brought into contact with one another (Fig. 1), then are placed in an oven in a neutral nitrogen atmosphere at a temperature of 4200C for 4 hours.
À la sortie de l'étuve (Fig. 2) la couche d'étain-zinc, ont le pint de fusion est voisin de 1850C) de la piècer A, et les couches étain-zinc et cuivre de la pièce B, ont diffusé l'une dans l'autre, créant ainsi un alliage ternaire étain-zinc-cuivre 5, (Fig. 2) riche en cuivre dont le point de fusion est très supérieur à la température de traitement de 420 C. Autrement dit, et conformément à l'invention, la solidification du joint de soudure ne d'effectue pas, comme il est classique, par refroidissement mais, sous l'effet de la diffusion, par formation d'un alliage ternaire à haut point de fusion.De plus, les couches de conversion (i) de A et B ont diffusé dans l'alliage support AS7G contribuant par là à accrottre la solidité du joint de soudure. Enfin, la liaison A sur B est assurée sans porosité dans le joint de soudure,
La Fig. la correspond à la Fig. 1 et montre schématiquement 1 'épaisseur intéressée par le métal de chaque couche avant 1 assemblage.At the exit of the oven (Fig. 2) the tin-zinc layer, have the melting pint is close to 1850C) of the part A, and the tin-zinc and copper layers of part B, have diffused one inside the other, thus creating a ternary tin-zinc-copper alloy 5, (Fig. 2) rich in copper, the melting point of which is much higher than the treatment temperature of 420 C. In other words, and in accordance in the invention, the solidification of the weld joint does not take place, as is conventional, by cooling but, under the effect of diffusion, by the formation of a ternary alloy with a high melting point. the conversion layers (i) of A and B have diffused in the support alloy AS7G thereby contributing to increasing the solidity of the solder joint. Finally, the connection A on B is ensured without porosity in the solder joint,
Fig. the corresponds to FIG. 1 and schematically shows the thickness interested in the metal of each layer before 1 assembly.
La Fig. 2a correspond à la Fig. 2 et montre schématiquement ltépaisseur intéressée par le métal de chaque couche après assemblage. On voit que les ions d'étainet de zinc de la couche (2) ont migré sur pratiquement toute ltépaisseur du joint, tandis que le cuivre de la couche 3 a diffusé jusqu'à la pièce B, mais pas tout à fait jusqutà la pièce A. De même,les ions zinc de chaque couche (1) ont diffusé dans ltaluminium des pièces A et
Exemple n0 2 - Assemblage de deux pièces respectivement en cuivre massif (pièce A) et en alliage d'aluminium
(pièce n). Fig. 2a corresponds to FIG. 2 and schematically shows the thickness interested in the metal of each layer after assembly. It can be seen that the zinc tin ions of layer (2) have migrated over practically the entire thickness of the joint, while the copper of layer 3 has diffused up to part B, but not quite to part A. Likewise, the zinc ions in each layer (1) have diffused in the aluminum of parts A and
Example 2 - Assembling two pieces of solid copper (piece A) and aluminum alloy, respectively
(piece n).
La Fig. 3 est une coupe montrant les deux pièces a#ant assemblage, la Fig. 4 après. Fig. 3 is a section showing the two parts having assembly, FIG. 4 after.
La pièce A est revêtue d'une couche de liaison en argent, obtenue de la façon suivante
On dégraisse A aux solvants minéraux puis on effectue un dégraissage électrolytique dans un bain soude-cyanure-carbonate tel que décrit dans la littérature ; ensuite, on attaque dans une solution à 10 % d'acide sulfurique dans l'eau déminéralisée, puis, après une pré-argenture, on effectue un dépôt d'argent (Ll) dans un bain de charge à base de cyanure à épaisseur de 10 microns.Part A is coated with a silver bonding layer, obtained as follows
A is degreased with mineral solvents and then an electrolytic degreasing is carried out in a soda-cyanide-carbonate bath as described in the literature; then, attack in a 10% solution of sulfuric acid in demineralized water, then, after a pre-silvering, a silver deposit (L1) is carried out in a cyanide-based filler bath with a thickness of 10 microns.
La pièce B est revêtue comme défini dans le premier exemple, pièce B couche de liaison y (zinc 1, étain-zinc 2, cuivre 3). Piece B is coated as defined in the first example, piece B bonding layer y (zinc 1, tin-zinc 2, copper 3).
La pièce A est ensuite posée sur la pièce B, (Fig. 3), puis placée dans un courant de gaz chaud non oxydant pendant 6 heures à 3200C. Piece A is then placed on piece B (Fig. 3), then placed in a stream of non-oxidizing hot gas for 6 hours at 3200C.
On retire ensuite les pièces du courant de gaz chauds et l'on constate que la soudure de la pièce A sur la pièce B testée sur machine d'adhérence est plus de 10 fois plus résistante en traction et cisaillement qu'une brasure classique a' l'étain ou aux alliages d'étain. The parts are then removed from the hot gas stream and it is found that the welding of part A on part B tested on an adhesion machine is more than 10 times more tensile and shear resistant than a conventional solder a ' tin or tin alloys.
Un examen à la micro-sonde électronique sur une coupe micrographique révèle que le joint de soudure 6 (Fig. 4) est maintenant composé sur toute son épaisseur deun alliage argentétain-zinc-cuivre. Examination with an electronic micro-probe on a micrographic section reveals that the solder joint 6 (Fig. 4) is now composed over its entire thickness of a silver-zinc-copper alloy.
Comme précédemment, les diagrammes des Fig. 3a et 4a montrent l'épaisseur intéressée par le métal de chaque couche, respectivement avant et après diffusion des ions métalliques. On voit notamment en Fig. 4 que l'argent de la couche (4) a diffusé dans le cuivre de la pièce A , tandis que le zinc de la couche (î) a diffusé dans l'aluminium de la pièce B. As before, the diagrams in Figs. 3a and 4a show the thickness interested in the metal of each layer, respectively before and after diffusion of the metal ions. We see in particular in FIG. 4 that the silver of layer (4) has diffused in the copper of part A, while the zinc of layer (î) has diffused in the aluminum of part B.
3ème exemple - La pièce A et la pièce B respectivement en alliage d'aluminium AU4G sont revetues de couches x et y telles que définies au premier exemple dans le cas de la couche y. 3rd example - The part A and the part B respectively in aluminum alloy AU4G are coated with layers x and y as defined in the first example in the case of the layer y.
La Fig. 5 est une coupe transversale montrant les deux pièces avant assemblage. La Fig. 6, après. Fig. 5 is a cross section showing the two parts before assembly. Fig. 6, after.
La pièce A est ensuite posée sur la pièce B après que les couches x et y aient été nettoyées au moyen diacide chlorhydrique dilué à 10 C; dans l'eau déminéralisée, (Fig. 5). Piece A is then placed on piece B after the layers x and y have been cleaned using hydrochloric acid diluted to 10 C; in demineralized water, (Fig. 5).
Les deux pièces sont ensuite chauffées en ambiance d'air à la température de 2100C pendant 10 heures. On obtient ainsi une composition 7 d'alliage ternaire cuivre-étain-zinc, (Fig. 6). The two rooms are then heated in an air environment at a temperature of 2100C for 10 hours. A composition 7 of ternary copper-tin-zinc alloy is thus obtained (FIG. 6).
Des mesures de résistance au passage du courant électrique montrent que par cette méthode d'assemblage, on obtient des valeurs de résistance électrique 20 à 30 f inférieures à celles relevées sur des échantillons traités par les méthodes d'as- semblage classiques à l'aide d'alliages de soudure aluminiumsilicium, par exemple. Measurements of resistance to the passage of electric current show that by this method of assembly, electrical resistance values 20 to 30 f are obtained which are lower than those recorded on samples treated by conventional assembly methods using of aluminum-silicon solder alloys, for example.
Comme précédemment, les diagrammes des Fig. 5a et 6a montrent les zones de présence de divers ions métalliques avant et après diffusion. As before, the diagrams in Figs. 5a and 6a show the zones of presence of various metal ions before and after diffusion.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR7917426A FR2460176A1 (en) | 1979-06-29 | 1979-06-29 | Diffusion bonding esp. of aluminium parts - by coating parts with bonding metal and heating at low temp. |
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FR7917426A FR2460176A1 (en) | 1979-06-29 | 1979-06-29 | Diffusion bonding esp. of aluminium parts - by coating parts with bonding metal and heating at low temp. |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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FR2460176A1 true FR2460176A1 (en) | 1981-01-23 |
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ID=9227534
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FR7917426A Withdrawn FR2460176A1 (en) | 1979-06-29 | 1979-06-29 | Diffusion bonding esp. of aluminium parts - by coating parts with bonding metal and heating at low temp. |
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RE | Withdrawal of published application |