DE69704232T2

DE69704232T2 - Verfahren zum Niedriger-Temperatur-Härtlöten von Aluminiumgegenständen

Info

Publication number: DE69704232T2
Application number: DE69704232T
Authority: DE
Inventors: Ashida Koji; Kaizancho 6-Chome Ryotatsu Otsuka
Original assignee: Showa Aluminum Corp
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2017-06-27
Also published as: KR980000731A; JP3247294B2; EP0816009B1; DE69704232D1; KR100496760B1; US6170738B1; EP0816009A1; JPH105994A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Löten von niedrig-schmelzenden Aluminiummaterialien, wie beispielsweise Aluminiumgußmaterialien und Druckgußmaterialien. Die hier verwendete Bezeichnung "Aluminium" bezieht sich nicht nur auf Aluminium, sondern auch auf Aluminiumlegierungen.
Aluminiumgußmaterialien wie beispielsweise AC2B und AC4C und Aluminiumdruckgußmaterialien wie beispielsweise ADC10 und ADC 12 besitzen geringe Schmelzpunkte. Daher wird beim Löten dieser Materialien ein Lötmaterial aus einer Lötlegierung auf der Basis von Aluminium und Zink verwendet, das einen geringeren Schmelzpunkt als eine Lötlegierung auf der Basis von Aluminium und Silizium aufweist und ein Löten bei einer Temperatur von 550ºC oder weniger ermöglicht.
Lötlegierungen auf der Basis von Aluminium und Zink besitzen jedoch einen hohen Zinkgehalt. Beispielsweise offenbart die US-Patentanmeldung 2,2196,034 ein Lötmittel, das aus 60 bis 70% Zink und einem Rest Aluminium besteht, sowie ein Lötmittel, das 65% Zink, 30% Aluminium und 5% Silizium umfaßt. Der hohe Zinkgehalt, der zur Sicherung des geringen Schmelzpunktes vorgesehen ist, wirft das Problem auf, daß es schwierig ist, das unedle Metall zu benetzen, was eine geringe Lötbarkeit zur Folge hat.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials mit einer Legierung, die einen geringen Schmelzpunkt und gute Benetzungseigenschaften aufweist, zu schaffen.
Um diese Aufgabe zu erfüllen, ist das erste Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials mit einer Lötlegierung, die Zink und Aluminium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Aluminiumlötlegierung 70 bis 90 Gewichtsprozent Zink und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan aufweist, wobei der Rest aus Aluminium und Unreinheiten besteht und die Erwärmung bei 400 bis 550ºC durchgeführt wird. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren erfüllt, das eine Lötlegierung mit 30 bis 70 Gewichtsprozent Zink, 1 bis 7 Gewichtsprozent Silizium und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan und einem Rest bestehend aus Aluminium und Unreinheiten verwendet, bei dem die Erwärmung bei 400 bis 550ºC durchgeführt wird.
Bei den in diesen Verfahren gemäß der Erfindung verwendeten Aluminiumlötlegierungen erlaubt Zink der Lötlegierung, bei 380 bis 560ºC zu schmelzen, wodurch ein Löten bei 400 bis 550ºC ermöglicht wird. Wenn der Zinkgehalt der Lötlegierung weniger als 30 Gewichtsprozent beträgt, kann der Schmelzpunkt der Lötlegierung nicht soweit gesenkt werden, daß das Löten bei 550ºC oder weniger durchgeführt werden kann. Wenn er andererseits 90 Gewichtsprozent überschreitet, wird der Schmelzpunkt der Lötlegierung zu gering. Genauer gesagt, wenn der Schmelzpunkt der Lötlegierung zu gering ist, kann die Lötlegierung nicht beim Flußmittellöten verwendet werden, da es zur Zeit kein Flußmittel mit geringem Schmelzpunkt gibt. Daher sind Lötverfahren, die in diesem Fall verwendet werden können, begrenzt, was zu einer verminderten Vielseitigkeit von Lötlegierungen führt. Aus diesem Grund sollte der Zinkgehalt 30 bis 90 Gewichtsprozent betragen. Die untere Grenze des Zinkgehaltes in der ersten Lötlegierung auf Basis von Aluminium, Zink und Titan beträgt 70 Gewichtsprozent, da, wenn der Zinkgehalt weniger als 70 Gewichtsprozent beträgt, der Schmelzpunkt zu hoch wird, wodurch die Regulierung des Schmelzpunktes durch die Zugabe von Silizium erforderlich wird, was im folgenden genauer beschrieben wird. Ähnlich beträgt die obere Grenze des Zinkgehaltes in der zweiten Lötlegierung auf Basis von Aluminium, Silizium und Titan 70 Gewichtsprozent, da, wie es im folgenden genauer beschrieben wird, nur ein Zinkgehalt von nicht mehr als 70 Gewichtsprozent in Kombination mit der Zugabe von Silizium die Lötbarkeit verbessern kann. Daher sollte der Zinkgehalt in der ersten Lötlegierung zwischen 70 und 90 Gewichtsprozent betragen, wobei die unteren und oberen Grenzen des Zinkgehaltes vorzugsweise entsprechend 80 Gewichtsprozent und 89 Gewichtsprozent betragen. In der zweiten Lötlegierung sollte der Zinkgehalt zwischen 30 und 70 Gewichtsprozent betragen, wobei die untere und obere Grenze des Zinkgehaltes vorzugsweise entsprechend 31 Gewichtsprozent und 69 Gewichtsprozent beträgt.
Titan wird zugegeben, um die Benetzungseigenschaft der Lötlegierung zu verbessern. Wenn der Titangehalt weniger als 0,05 Gewichtsprozent beträgt, ist die oben genannte Wirkung unbefriedigend, während der Schmelzpunkt der Lötlegierung unvorteilhaft erhöht wird, wenn er 5 Gewichtsprozent überschreitet. Die Verbesserungswirkung der Benetzungseigenschaft ist beträchtlich, wenn es sich bei dem zu lötenden Material um ein Gußmaterial oder ein Druckgußmaterial handelt. Aus den oben genannten Gründen sollte der Titangehalt 0,05 bis 5 Gewichtsprozent betragen. Die untere Grenze des Titangehaltes beträgt vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent, wobei die obere Grenze vorzugsweise 2 Gewichtsprozent beträgt. Weiterhin kann Titan, wenn es in Kombination mit etwa 30 bis 40 Gewichtsprozent Zink verwendet wird, die Benetzungseigenschaft verbessern, und gleichzeitig die Bildung von Lunkern und Schrumpfrissen verhindern.
Silizium, das in dem zweiten Aluminiumlötverfahren zum Kaltlöten zugegeben wurde, besitzt den Effekt, den Schmelzpunkt der Lötlegierung zu regulieren und weiterhin den Schmelztemperaturbereich zu verringern. Wenn der Schmelztemperaturbereich, d. h., die Temperaturdifferenz zwischen Soliduslinie und Liquiduslinie, groß ist, wird die Bildung von Lunkern bei der Verfestigung erhöht, wodurch sich die Dichtheit des gelöteten Bereiches verschlechtert. Der oben beschriebene Effekt kann erzielt werden, wenn der Zinkgehalt 30 bis 70 Gewichtsprozent beträgt. Wenn der Siliziumgehalt weniger als 1 Gewichtsprozent beträgt, ist der oben beschriebene Effekt unbefriedigend. Andererseits führt ein Siliziumgehalt von mehr als 7 Gewichtsprozent zu einer Sättigung des oben beschriebenen Effektes und weiterhin zu einer unvorteilhaft verschlechterten Verarbeitbarkeit. Aus den oben genannten Gründen sollte der Siliziumgehalt zwischen 1 bis 7 Gewichtsprozent betragen, wobei die obere und untere Grenze des Siliziumgehaltes vorzugsweise entsprechend 3 Gewichtsprozent und 5 Gewichtsprozent beträgt.
Deshalb enthält die erste Aluminiumlötlegierung zum Kaltlöten gemäß der vorliegenden Erfindung 70 bis 90 Gewichtsprozent Zink und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan und einen Rest bestehend aus Aluminium und Unreinheiten und schmilzt daher bei 380 bis 520ºC und kann das Grundmaterial gut benetzen. Dies ermöglicht ein Löten bei einer geringen Temperatur von 400 bis 500ºC und kann, wenn es beim Löten von niedrig-schmelzenden Gußmaterialien und Druckgußmaterialien verwendet wird, qualitativ hochwertige gelötete Erzeugnisse erzeugen, die weder Schrumpfrisse noch Lunker aufweisen. Die zweite Lötlegierung umfaßt 30 bis 70 Gewichtsprozent Zink, 1 bis 7 Gewichtsprozent Silizium und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan mit einem Rest bestehend aus Aluminium und Unreinheiten und kann somit ein gutes Löten bei einer Temperatur von 500 bis 550ºC ermöglichen und bietet die gleichen Effekte wie die erste Lötlegierung.
Die hier verwendete Bezeichnung "niedrig-schmelzendes Aluminiummaterial" bezieht sich auf ein Aluminiummaterial. das aufgrund seines Schmelzpunktes bei 550ºC oder weniger gelötet werden sollte, und Beispiele hierfür umfassen verschiedene Gußmaterialien und Druckgußmaterialien. Dieses Lötverfahren kann auch verwendet werden, wenn wenigstens eines der zu verbindenden Materialien ein derartiges niedrig-schmelzendes Aluminiummaterial ist. D. h., daß das Lötverfahren anwendbar ist, wenn das Gegenmaterial zum Löten ein niedrig-schmelzendes Aluminiummaterial mit der gleichen Zusammensetzung, ein niedrigschmelzendes Aluminiummaterial mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung, ein Aluminiummaterial mit einem Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des Gußmaterials oder dergleichen ist, wie beispielsweise ein Halbzeug oder ein anderes metallisches Material als Aluminium.
Wie zuvor beschrieben wurde weist die in diesem Lötverfahren verwendete Legierung durch die Zugabe von Titan eine verbesserte Benetzungseigenschaft auf, abgesehen von der Tatsache, daß eine große Menge Zink enthalten ist, um einen geringen Schmelzpunkt sicherzustellen. Deshalb kann die Verwendung der oben beschriebenen Lötlegierung ein gutes Löten einer niedrig-schmelzenden Aluminiumlegierung ermöglichen, wodurch qualitativ hochwertige, gelötete Erzeugnisse hergestellt werden können, die weder Schrumpfrisse noch Lunker aufweisen. Es kann ein besseres Löten erzielt werden, wenn die Erwärmungstemperatur bei Verwendung der auf Aluminium-Zink-Titan basierenden Lötlegierung zum Kaltlöten 400 bis 500ºC und bei der Verwendung der auf Aluminium-Zink-Silizium-Titan basierenden Aluminiumlötlegierung zum Kaltlöten 500 bis 554ºC beträgt.
Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittansicht, die das Löten einer überlappenden Verbindung in einem Lötversuch für die Aluminiumlötlegierung für das Kaltlöten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Im folgenden werden Ausführungsformen des Lötverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Es wurden Aluminiumlötlegierungen mit den entsprechenden Zusammensetzungen vorbereitet, die in der unten gegebenen Tabelle 1 im einzelnen aufgeführt sind. Andererseits wurden ein Rohrmaterial (1), das aus einem Gußmaterial oder einem Druckgußmaterial besteht, das am Innenumfang einer seiner Enden einen Bereich mit größerem Durchmesser aufweist, und ein stranggepreßtes Rohr (2) aus JIS A 6063 als Grundmaterialien für einen Lötversuch vorgesehen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Das Rohrmaterial (1) wurde für die Beispiele 1-3 und das vergleichende Beispiel 10 aus JIS ADC10 und für die Beispiele 4-8 und das vergleichende Beispiel 9 aus JIS AC4C hergestellt.
Das Löten wurde gemäß Fig. 1 durchgeführt. Genauer gesagt wurde der untere Endbereich des stranggepreßten Rohrs (2) in dem Bereich mit größerem Durchmesser, der in dem oberen Ende des Rohrmaterials (1) vorgesehen ist, eingesetzt, um eine überlappende Verbindung zu erzeugen. Eine Lötlegierung (3), die zu einem Ring ausgebildet wurde, wurde auf das obere Ende des Bereiches mit größerem Durchmesser gelegt. Danach wurde in den Beispielen 1 bis 3 und in dem vergleichenden Beispiel 10 eine CsAlF&sub3;- Flußmittelsuspension und in den Beispielen 4 bis 8 und in dem vergleichenden Beispiel 9 Chlorid-Flußmittelsuspension zugegeben, und die Beschichtung wurde dann getrocknet. Die Verbindungen wurden dann in einer Stickstoffgasathmosphäre entsprechend auf die in Tabelle 1 angegebenen Temperaturen erhitzt, um den Lötvorgang durchzuführen.
Die Lötprodukte wurden auf Benetzungseigenschaft, Schrumpfrissbildung und Lunkerbildung gemäß der folgenden Kriterien untersucht und bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 zusammengefaßt.

(Benetzungseigenschaft)

: Benetzung des Gußmaterials oder des Druckgußmaterials war sehr gut.
o: Benetzung des Gußmaterials oder des Druckgußmaterials war gut.
Δ: Benetzung des Gußmaterials oder des Druckgußmaterials war nicht sehr gut.
x: Das Gußmaterial oder das Druckgußmaterial wurde gar nicht benetzt.

(Lunkerbildung)

o: Keine Lunkerbildung.
Δ: Geringe Lunkerbildung.
x: Starke Lunkerbildung.

(Rißbildung)

o: Keine Rißbildung.
x: Rißbildung.
Die Bewertungsergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 zusammengefaßt. Tabelle 1
Bsp.: Beispiel
Vergl.: Vergleichend
Temp.: Temperatur
Wie aus den in Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen ersichtlich ist, konnten die Lötlegierungen der Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung das Grundmaterial sogar bei einer Temperatur von 550ºC oder weniger gut benetzen und ein gutes Löten ohne Lunker- und Rißbildung ermöglichen.
Es sollte angemerkt werden, daß die hier verwendeten Bezeichnungen und Ausdrücke nur zu Darstellungszwecken dienen und nicht den Bereich der Erfindung einschränken sollen und keine Äquivalente der hier dargestellten und beschriebenen Merkmale ausschließen, und daß verschiedene Modifikationen und Veränderungen, die in den Bereich der Ansprüche der Erfindung fallen, toleriert werden.

Claims

1. Ein Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials mit einer Lötlegierung, die Zink und Aluminium umfaßt, wobei eine Aluminiumlötlegierung zum Kaltlöten, die 70 bis 90 Gewichtsprozent Zink und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan aufweist, wobei der Rest aus Aluminium und Unreinheiten besteht, verwendet wird, und die Erwärmung bei 400- 550ºC durchgeführt wird.

2. Das Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials nach Anspruch 1, worin die Erwärmungstemperatur 400 bis 500ºC beträgt.

3. Ein Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials mit einer Lötlegierung, die Zink, Aluminium und Silizium umfaßt, worin eine Aluminiumlötlegierung zum Kaltlöten, die 30 bis 70 Gewichtsprozent Zink, 1 bis 7 Gewichtsprozent Silizium und 0,05 bis 5 Gewichtsprozent Titan aufweist, wobei der Rest aus Aluminium und Unreinheiten besteht, verwendet wird, und die Erwärmung bei 400 bis 550ºC durchgeführt wird.

4. Das Verfahren zum Löten eines niedrig-schmelzenden Aluminiummaterials nach Anspruch 3, worin die Erwärmungstemperatur 500 bis 550ºC beträgt.