DE2349966A1

DE2349966A1 - Fuell-legierungen zum fliessmittellosen hartloeten von aluminium und von aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE2349966A1
Application number: DE19732349966
Authority: DE
Inventors: William James Werner
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1972-10-04
Filing date: 1973-10-04
Publication date: 1974-04-11
Also published as: JPS4972159A; FR2201950A1; US3844777A; FR2201950B1; GB1444139A

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545, U.S.A. ^Lf- -^/Γ' γ 3 /.

Füll-Legierungen zum fließmittellosen Hartlöten von Aluminium und von Aluminium-Legierungen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das fließmittellose Hartlöten von Aluminium und seinen Legierungen. Die vorliegende Erfindung kann dabei unter drei Aspekten betrachtet werden: 1) Als eine Klasse von Hartlöt-Füll-Legierungen, die in einem engen Temperaturbereich schmelzen und fließen, können, um so eine gute metallurgische Verbindung zwischen Aluminium und/oder Aluminium-Legierungsteilen zu schaffen; 2) Das Verfahren zur Herstellung hartgelöteter Teile mit den erfindungsgemäßen Hartlot-Legierungen; 3) Die sich.ergebenden hartgelöteten Teile.

409815/091 9

Jede als Hartlöt-Füll-Legierung verwendbare Legierung muß mindestens zwei Grundkriterien genügen; diese Kriterien sind: Benetzbarkeit und Fließfähigkeit. Mit Benetzbarkeit wird dabei die Fähigkeit der geschmolzenen Hartlöt-Füll-Legierung bezeichnet, die Basismetalloberfläche zu benetzen und sich dieser anzupassen, so daß sich infolgedessen bei Abkühlung unter die Fest- oder Solidus-Temperatur eine feste Verbindung mit dem Metall ergibt. Die Fließfähigkeit ist die Eigenschaft der Hartlot-Legierung, die bestimmt, über welche Distanz die Legierung im geschmolzenen Zustand ausgehend von der ursprünglichen Stellung infolge der Wirkung der Kapillarkräfte fließt. Um gut zu fließen, sollte eine Legierung keinen merklichen Anstieg ihrer Flüssigkeitsoder Liquidus-Temperatur erfahren, obwohl ihre Zusammensetzung durch Auflösung des Basismetalls geändert werden kann. Dies ist von äußerster Wichtigkeit beim Aluminium-Hartlöten, da der Hartlöt-Vorgang im allgemeinen sehr nahe an der Liquidus-Temperatur vorgenommen wird.

Die Benetzbarkeit und die Fließfähigkeit sind Funktionen von sowohl der Hartlöt-Füll-Legierung als auch von dem Metall oder der Legierung, das bzw. die verbunden werden soll. Im Falle des Aluminiums und seiner Legierungen wurde bereits seit langem das charakteristische zähe, sich an der Oberfläche ausbildende Oxyd als schädlich gegenüber Hartlot-Vorgängen erkannt. Gemäß dem Stand der Technik wird zumeist ein chemischer Säuberungsvorgang der zu verbindenden Teile benutzt, um dicke Oxydschichten oder Filme zu entfernen, und während des Hartlot-Vorgangs wird ein gesondertes korrodierendes Flußmittel benutzt. Die Verwendung des Flußmittels bewirkt die Entfernung des Oxyds, wodurch die geschmolzene Hartlot-Legierung in Berührung mit einer oxydfreien Oberfläche kommen kann, um die erforderliche Verbindung zu formen. Während zwar die Verwendung eines Flußmittels das Benetzen und Fließen unterstützt, ist doch die darauffolgende Entfernung des Flußmittels schwierig und in manchen Fällen unmöglich. In der endgültigen Verbindung eingefangenes Flußmittel kann jedoch sowohl hinsichtlich der Festigkeit als hinsichtlich der Korrosion schädlich sein.

409815/0919

Die vorliegende Erfindung hat erkannt, daß eine Klasse von Hartlot-Legierungen existiert; welche eine hartgelötete Verbindung, zwischen Aluminium und Aluminium-Legierungsteilen ergibt,, ohne daß ein korrodierendes Flußmittel benutzt werden muß. Die fließmittellosen Hartlöt-Füll-Legierungen sind gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Anteile in Gewichtsprozent enthalten: 5-10 Prozent Yt, 15-30 Prozent Ge und der Rest Al; oder 1 - 10 % Yt, 17 - 30 % In Und der Rest Al; oder 58 - 70 % Ag, 10 - 12% In und der Rest Al; oder schließlich 35 - 38 Ag, 39 - 47 % Ge und 13-16 %A1.

Die erfindungsgemäßen Hartlöt-Füllr-Legierungen liefern bei Verwendung des zu beschreibenden Verfahren gute zusammengesetzte Elemente aus Aluminium und Aluminium-Legierungsteilen. Die Hartlöt-Füll-Legierungen werden durch Wolfram-inertes Gas-Schmelzverfahren gebildet, um so Legierungen zu bilden, die sodann in Stücke von geeigneter Größe zerteilt werden und nahe den zu verbindenden Oberflächen angeordnet werden.

In der folgenden Beschreibung wird die Hartlötung der in der Tabelle angegebenen Aluminium-Legierungen beschrieben.

TABELLE

Legierungsbezeichnung

6061' 2219⁴"

' Zusammensetzung (Gewichtsprozent)

Si 0_f40 - 0,8 . 0,20

Fe . . 0,7 0,30

Cu 0,15-0,40 . 5,8-6,8-

Mn 0,15 0,20-0,40

Mg ' 0,8 - 1,2 . 0,02

Cr . 0,04 - 0,35

Zn 0,25 0,10

Ti · 0,15 0,02 - 0,10

Al Rest Rest

Schmelzbereich (°C) 580 - 650 " 540 -645

irkonium 0

15/0919

Vanadium 0,05 - 0,15; Zirkonium 0,10-0,25

Es gibt verschiedene Faktoren, die von äußerster Wichtigkeit bei der fließmittellosen Hartlötung mit den erfindungsgemäßen Hartlöt-Füll-Legierungen sind. Der erste Faktor ist die Sauberkeit der zu verbindenden Oberflächen. Die Oberfläche eines jeden Aluminium- oder Aluminium-Legierungs-Teils bildet selbst bei Raumtemperatur einen zähen Oxydfilm. Während die Oxydation von Aluminium oder Aluminium-Legierungen selbst im Vakuum oder in inerten Atmosphären.erfolgt, kann eine praktisch erfolgreiche fließmittellose Hartlötung durchgeführt werden, vorausgesetzt daß die zu verbindenden Oberflächen durch eine chemische Reinigungsbehandlung vorbehandelt werden, welche einen "verarbeitbar dünnen" Oxydfilm liefert. Der Ausdruck "verarbeitbar dünner" Oxydfilm bedeutet dabei einen Oberflächenoxydfilm, der hinreichend dünn ist, so daß er von den fließmittellosen Füll-Legierungen der vorliegenden Erfindung durchdrungen werden kann, wodurch die erwünschte Benetz- und Fließwirkung auftritt, die zur

Erzeugung einer Hartlötverbindung erforderlich ist. Es wurde dabei herausgefunden, daß zur Erzeugung eines verarbeitbar dünnen Oxydfilms die zu verbindenden Oberflächen einer chemischen Reinigung unterzogen werden müssen, wobei die genaue Art dieser Reinigung von der Legierungszusammensetzung der zu verbindenden Teile und auch von der Hartlot-Legierung abhängt. Beispielsweise können die oben genannten 6061 und 2219 Legierungen in zufriedenstellender Weise zur Erzeugung einer verarbeitbaren Oberfläche dadurch gereinigt werden, daß ein Eintauchen in eine 20 Volumenprozent Salpetersäure-2 Volumenprozent HF-Wasserlösung bei Zimmertemperatur erfolgt, und zwar für eine Zeitperiode .zwischen 1-3 Minuten. Unmittelbar auf den Reinigungsschritt folgt eine Abspülung mit kaltem Wasser, worauf dann ein Spülvorgang mit Azeton erfolgt. Die chemisch gereinigten Teile behalten ihre bearbeitbaren Oberflächen für eine begrenzte Zeitdauer, so daß das Hartlöten ziemlich bald nach dem Reinigungsvorgang und nicht mehr als ungefähr 1 Stunde später erfolgen soll. Wirksames Hartlöten mit den erfindungsgemäßen Legierungen wird am besten unter Vakuum durchgeführt, und zwar bei einem Druck von weniger als

-5
ungefähr 1 χ 10 Torr bei der Hartlot-Temperatur. Nachdem die Hartlot-Legierung geschmolzen ist und entlang den zu verbindenden Oberflächen geflossen ist, kann der hartgelötete Teil in einer inerten Atmosphäre, wie beispielsweise Helium und Argon,

4 0 9 8 1 5/0919

abgekühlt werden, um den Hartlöt-Zyklus zu vervollständigen·. Dabei muß bei dem Zeit-Temperatur-Zyklus zur Erwärmung des Arbeitstückes auf die Hartlot-Temperatur Sorgfalt ausgeübt werden, da die durch den chemischen Vorreinigungsvorgang erzeugte bearbeitbare Oberfläche durch einen zu langen Vorheiz-Zyklus zerstört werden kann. Der optimale Heizzyklus ist eine Sache der Routine und bedeutet keine Schwierigkeit, wenn er einmal für ein spezielles Legierungs-System festgelegt ist.

Die Bestimmung von Benetzbarkeit und Fließfähigkeit von Hartlöt-Füllmetall wurde unter Verwendung von Basismetallstücken der in der Tabelle genannten Legierungen durchgeführt. Sowohl die Basismetallstücke als auch die versuchsmäßigen Hartlöt-Füllmetalle wurden vor dem thermischen Zyklus gesäubert, um die Schmelztemperatur und Benetzbarkeit festzustellen.

Das Al-Ge-Yt-System

Zweckmäßige FuIl^ oder Verbindungslegierungen zum Vakuum-Hartlöten von Aluminiumzusammensetzungen werden durch Hinzufügung geeigneter Mengen von Yttrium zu Referenz-Aluminium-Germanium-Binärlegierungen gewonnen. In dem sich ergebenden ternären System scheint Yttrium als ein wirksamer Oxydbilder zu dienen und erleichtert somit die Benetzung und fördert den Fluß der Füllhartlötlegierung.

Der positive Vorteil der. Hinzufügung von Yttrium zu dem Al-Ge-System wird durch die Tatsache gegenausgeglichen, daß die Hinzufügung einen merklichen Anstieg des Schmelzpunktes vom Schmelzpunkt des Referenz-Al-Ge-Eutektikums von 424 C nach sich zieht. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung zweckmäßige Füllhartlötlegierungen werden aus einer Legierung erzeugt, die im wesentlichen aus 1-10 Yt, 15-30 Ge und dem Rest Aluminium besteht. In diesem Zusammensetzungsbereich kann man eine ternäre Legierung auswählen, die einen Schmelzpunkt im Bereich etwas oberhalb₍424 °c bis zu 615 °C besitzt, abhängig von der Menge des Yttriums. Eine 60 Al-10 Yt-30 Ge-Legierung schmilzt somit bei 615 C. Geringere Mengen von Yt und Ge können erwartungs-

40981 5/0919

gemäß niedriger schmelzende Füll-Legierungen ergeben. Wenn derartige Legierungen auf ihren Schmelzpunkt erhitzt werden, so benetzen sie und fließen frei auf den Aluminiumbasislegierungen und erzeugen eine gut hartgelötete Verbindung.

Das Al-In-Yt-System

Zweckmäßige Füll-Legierungen zum Vakuumhartlöten von Aluminium oder Aluminium-Legierungsteilen werden dadurch gebildet, daß man bis zu 10 Gewichtsprozent Yttrium zu einer Referenz-Al-Ineutektischen-Zusammensetzung hinzufügt. Wie beim Al-Ge-System scheint Yttrium als eine wirksame Sauerstoffsenke zu dienen und dient somit der Förderung des Benetzens und des Fließens der geschmolzenen Füll-Legierung. In diesem Falle scheint das Yttrium jedoch tatsächlich eine ternäre Legierung zur Folge zu haben, die einen niedrigeren Schmelzpunkt bezüglich einer Bezugs-83 Al- 17 In

+ ο eut.ektischen Zusammensetzung mit einem Schmelzpunkt von 637 - 3 C aufweist. Durch Erhöhung der Zu-fügungen von Indium und Yttrium zu Lasten von Aluminium wird eine ternäre Füllhartlötlegierung erzeugt, von der erwartet werden kann, daß sie bei einer Temperatur im Bereich von 6OO C bis 64O C schmilzt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann erwartet werden, daß Füllhartlötlegierungen aus im wesentlichen 17 bis 30 Gewichtsprozent Indium, 1 bis 10 Gewichtsprozent Yt und dem Rest Aluminium bei der Schmelztemperatur der Füll-Legierung leicht benetzen und fließen. Auf

diese Weise wurde eine gute Verbindung aus 6061-Basislegierungseine
teilen hergestellt, wobei/10 Gewichtsprozent Yt-30 Gewichtsprozent In-60 Gewichtsprozent Aluminium-Füllbasislegierung benutzt wurde, die bei ungefähr 610 C schmolz.

Das Ag-Al-In-System

Zweckmäßige ternäre-quaternäre-Füllhartlöt-Legierungen können durch Modifizierung einer Bezugs-70 Ag-30 Al binären eutektischen Zusammensetzung hergestellt werden, die bei 566 C schmilzt. Durch Aufrechterhaltung eines konstanten Ag/Al-Gewichtsverhältnis-

4098 15/09 19

ses von 2,3 bis 2,5 bei Konzentrationen im Bereich von 58-70 Gewichtsprozent Ag und 20-26 Gewichtsprozent Al erzeugen ternäre Hinzufügungen von 10-12 Gewichtsprozent Indium eine Füllhartlöt-Legierung, welche auf Aluminium oder Aluminium-Legierungsoberflächen bei einer Tem;
benetzen und frei fließt.

oberflächen bei einer Temperatur im Bereich von 580 bis 600 C

Quaternäre Hinzufügungen bis hinauf zu 5 Gewichtsprozent Yt an Stelle eines Teils von Ag und Al können dort verwendet werden, wo Oxydfilme ein großes Problem bilden. Wo also eine ternäre Füll-Legierung aus im wesentlichen 62 Ag, 26 Al und 13In bei 580 ⁰C schmolz, trat Schmelzen bei einer quaternären Legierung aus im wesentlichen 58 Ag, 24 Al, 13 In und 5 Yt bei 600 °C auf.

Das Äg-Ge-Al-System . ■

Eine äußerst zweckmäßige niedrig schmelzende Füllhartlötlegierung kann ebenfalls bei konstantem Ag/Al-Gewichtsverhältnis von 2,3 bis 2,5 bei Konzentrationen im Bereich von 35 bis 40 Ag, 13 bis 15 Al und 39 - 47 Ge gebildet werden. Es kann erwartet werden, daß sämtliche Glieder dieser-Klasse als Hartlötfüll-Legierungen bei einem Schmelzpunkt im Bereich von 500 bis 550 C wirken. Es wurde somit festgestellt, daß eine Legierung bestehend im wesentlichen aus 38 Ag, 16Al und 46 Ge bed, 500 °C schmilzt und gute hartgelötete Verbindungen liefert, und zwar mit gleichmässiger Nahtbildung.

Quaternäre Hihzufügungen bis hinauf zu 5 Gewichtsprozent Yt an Stelle eines Teils ,von Ag und Ge erzeugen eine erhöhte Sauerstoff auf lösung, jedoch zu Lasten eines erhöhten Schmelzpunktes. Somit schmilzt eine quaternäre Legierung aus im wesentlichen 36 Gewichtsprozent Ag, 15 Gewichtsprozent Al, 44 Gewichtsprozent. Ge und 5 Gewichtsprozent Yt bei 540 C, und zwar mit. etwas besseren Flußeigenschaften als sie bei den ternären Ag-Al-Ge-Legierungen auftreten. Größere Mengen von Yttrium erhöhen den Schmelzpunkt auf höhere Pegel und fördern eine Versprödungsphase.

Sämtliche in dieser Beschreibung angegebenen Legierungsanteile sind in Gewichtsprozent. _{4 0} 9 ₈ -, ₅ / _O.g -, 9

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Legierung zur Verwendung beim fließmittellosen Hartlöten von Aluminium oder Aluminium-Legierungsteilen, gekennzeichnet durch eine der folgenden Zusammensetz-ungen:

a) 1-10 Gewichtsprozent Yttrium, 15-30 Gewichtsprozent Germanium und dem Rest Aluminium;

b) 17-30 Gewichtsprozent Indium, 1-10 Gewichtsprozent Yttrium und dem Rest Aluminium;

c) 58-70 Gewichtsprozent Silber, 2o-26 Gewichtsprozent Aluminium, bei einem Silber/Aluminium-Gewichtsverhältnis im Bereich von 2,3 - 2,5, wobei ferner 1o-12 % Indium und bis zu 5 % Yttrium zugefügt sind;

d) 35-40 Gewichtsprozent Silber, 13-16 Gewichtsprozent Aluminium, wobei das Süber/Aluminium-Gewichtsverhältnis im Bereich von 1,3 - 2,5 liegt, und wobei ferner 39-47 Gewichtsprozent Germanium und bis zu 5 % Yttrium zugefügt sind.

2. Verwendung der Legierungen nach Anspruch 1 bei der Vakuumhartlötung von Aluminium oder Aluminium-Legierungsteilen.

4 0 9 8 15/0919