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Erfindungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Verbinden von zwei oder mehr Metallgegenständen durch
Löten.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Aufbringen
eines Flussmittels mit oder ohne Metallpulver auf ein Metallsubstrat
vor einem Lötvorgang.
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Hintergrund
der Erfindung
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Aluminium und seine Legierungen sind
insbesondere nützliche
Materialien zum Einbeziehen in Metallkomponenten von Fahrzeugen
wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen, Flugzeugen und
dergleichen. Aluminiumlegierungen sind leichter als Stahllegierungen
und bieten daher Gewichtsvorteile bei vielen Anwendungen in Fahrzeugen.
Das leichte Gewicht und die ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften von
Aluminiumlegierungen machen sie insbesondere zu attraktiven Kandidaten
für die
Verwendung in Wärmetauschern
wie beispielsweise Radiatoren, Heizvorrichtungen, Verdampfern, Ölkühlvorrichtungen,
Kondensern und dergleichen. Diese Wärmetauscher und ähnlichen
Komponenten werden typischerweise aus einer Anzahl von geformten
oder spritzgegossenen Teilen hergestellt, die nacheinander zusammengebaut,
befestigt, gereinigt und in einem Lötvorgang miteinander verbunden
werden. Beim Löten
von Aluminiumwerkstücken
wird zwischen den zu verbindenden Oberflächen eine Aluminiumlotlegierung
(beispielsweise eine Aluminiumsiliziumlegierung) positioniert, und
die Werkstücke
werden auf eine Temperatur erwärmt,
bei der die Lotlegierung, nicht jedoch das darunter liegende Werkstück schmilzt.
Beim Abkühlen
wird die Lotlegierung als eine Verbindung zwischen den Werkstücken fest.
Die Lotlegierung wird typischerweise auf die Oberflächen einer
Aluminiumunterlage durch Plattieren in einem Walzbondiervorgang
aufgebracht.
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Eine allgemein übliche Lötpraxis umfasst Reinigen der
Komponenten durch ein geeignetes Lösungsmittel (um Öle und dergleichen
von den zu lötenden
Oberflächen
zu entfernen), gefolgt von dem Aufbringen eines Flussmittels auf
die vorgelöteten
Komponenten, die miteinander verbunden werden sollen. Die Flussmittelkomponenten
werden in einer kontrollierten Atmosphäre erhitzt, um die Oxidation
zu verzögern,
wobei diese Atmosphäre
typischerweise trockener Stickstoff ist. Die Rolle des Flussmittels
ist es, die Oxide an den Passflächen
der durch Löten
zu verbindenden Komponenten zu reduzieren. Das Flussmittel wird
nach der Herstellung der einzelnen, zu lötenden Werkstücke aufgebracht,
im allgemeinen nach dem Zusammenbau der Komponenten (beispielsweise
als Wärmetauscher)
und vor dem Löten.
Das Flussmittel kann direkt als ein trockenes Pulver aufgebracht
werden oder mit einem Träger
wie beispielsweise Wasser oder Alkohol vermischt und als ein Schlamm
auf das gesamte Werkstück
aufgebracht werden. Im zuletzt genannten Fall wird der Träger darauf
folgend durch einen Trockenschritt entfernt, wobei das Flussmittel
als ein Pulver auf der Oberfläche
des Werkstückes
verbleibt.
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Das Flussmittel ist nur in Bereichen
erforderlich, wo metallurgische Bondierungen oder Verbindungen erforderlich
sind. Ungeachtet dessen ist es allgemein übliche Herstellpraxis, Flussmittel
auf der ganzen Baugruppe aufzubringen, häufig einschließlich der
Befestigungen, die dazu verwendet werden, die Teile während des
Lötschrittes
in dem Ofen zu halten. Dies führt
zu einer übermäßigen Verwendung
und Verschwendung von Flussmittel, der Notwendigkeit die Befestigungen
zu reinigen und eine erhöhte
Wartung des Ofens infolge der korrodierenden Eigenschaft von Flussmittel.
Darüber
hinaus sind die Vorgänge
Reinigen und Aufbringen von Flussmittel zeitaufwendig und gleichzeitig
teuer. Ferner ist anzumerken, dass das Flussmittel an den Werkstücken als
ein Pulver lose anhaftet. Daher muss Vorsorge getroffen werden,
um ein Entfernen des Flussmittels während jeglicher Handhabung
der Komponenten vor dem Löten
zu vermeiden.
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Eine Alternative zur Flussmittelbehandlung
der gesamten Baugruppe ist es, das Flussmittel auf die Werkstücke vor
der Bearbeitung aufzubringen oder das Material in einer Flussmittelvorbehandlung
auszubilden. Die Flussmittelvorbehandlung ist insofern von Vorteil,
als das Flussmittel nur auf die Plattierung aufgebracht werden kann,
wo die Verbindungen ausgebildet werden; unplattierte Flächen sind
ohne Flussmittel. Herkömmliche
Flussmittelvorbehandlungstechniken haben jedoch keine breite kommerzielle
Anwendung gefunden.
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Ein Flussmittelvorbehandlungsverfahren
ist das Dispergieren von Flussmittel in einem Bindemittel und Beschichten
des Werkstückes
mit dem Gemisch aus Flussmittel und Bindemittel. Während des
Lötens
verflüchtigt
sich das Bindemittel, was innerhalb der Verbindung zu unerwünschten
Hohlräumen
führen
kann, die ausgefüllt
werden müssen,
um die Dichte der gelöteten
Komponenten sicherzustellen. Ein weiterer Nachteil dieser Flussmittel-Bindemittel-Beschichtungstechnik
besteht darin, dass die Lötoberflächen typischerweise über den
Standard der Walzwerksauberkeit hinausgehend gereinigt werden müssen, wodurch
die Betriebskosten um mehrere Cent pro Pfund erzeugten Lötmetall
erhöht
werden.
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Ein alternativer Weg zur Flussmittelvorbehandlung
ist, den Plattiervorgang zu eliminieren und Flussmittel und ein
Plattiermetall oder eine Plattierlegierung in Abscheidevorgängen entweder
gleichzeitig oder aufeinander folgend aufzubringen. Eine derartige
Technik ist thermisches Sprühen,
wie sie in der EP-A-0 605 323 oder
US-PS
5,594,930 offenbart ist. Das '930-Patent lehrt ein Sprühen von
geschmolzenen Tröpfchen
aus Aluminium und Silizium oder einer Legierung derselben auf ein
lötbares
Aluminiumsubstrat. Die
US-PS
5,820,939 offenbart auch ein Verfahren zum thermischen
Sprühen
von metallischen Beschichtungen auf nicht aufgerauhte gereinigte
Aluminiumlegierungssubstrate. Das Verfahren umfasst ein thermisches
Lichtbogensprühen
von geschmolzenen metallischen Bondiertröpfchen und Flussmittelteilchenn
auf das Substrat unter Verwendung eines Gasstrahls zum gleichzeitigen
Abscheiden von Flussmittelteilchenn und Bondiertröpfchen.
Bei diesem Verfahren gehen geschmolzene Tröpfchen durch Luft und an diesen
werden zusätzliche
Oxide ausgebildet, wobei diese Verbindungen das Substrat deoxidieren
müssen.
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Das Heißpressen von Pulvern aus Aluminium,
Silizium oder einer Legierung oder einem Gemisch desselben auf ein
unplattiertes Aluminiumsubstrat ist in der
US-PS 5,330,090 und
5,547,517 und der DE-A-38 36 585 beschrieben.
Die Verdichtung von Pulvern führt
typischerweise zu winzigen Hohlraumgrößen von ungefähr 10%.
Die Hohlraumbildung ist unerwünscht
und der Vorgang des Heißpressens
von Pulvern auf das Substrat kann beschwerlich sein.
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Die Beschichtungsvorgänge für gleichzeitiges
Auftragen von Flussmittel mit Aluminium und Silizium sind in den
US-PS 5,100,048 und
5,190,596 beschrieben. Das '048-Patent lehrt
ein Verfahren zum Eintauchen von unplattiertem Aluminiumsubstrat
in einen Alkoholschlamm aus Aluminium, Silizium und Flussmittel.
Nach der Verdampfung des Alkohols haftet Silizium und Flussmittel,
das auf dem Substrat verbleibt, schwach an diesem und es besteht
die Neigung, dass es sich von dem Substrat während der Montage abspaltet.
Das '596-Patent
offenbart ein Verfahren zum Aufbringen einer Paste, bestehend aus
Aluminium, Silizium und einem Bindemittel, auf ein unplattiertes
Aluminiumsubstrat. In jedem Fall bilden das Silizium und Aluminium
auf dem Aluminiumsubstrat eine dünne
Plattierschicht und Flussmittel ist in diese eingebaut. Dieses System
haftet besser an dem Substrat, aber die Verflüchtigung des Bindemittels erzeugt
in der Verbindung Hohlräume.
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Demgemäß bleibt die Notwendigkeit
für ein
Verfahren zum Abscheiden von Lötflussmittel
auf Metallsubstraten vor dem Bearbeiten des Metalls, um die Flussmittelmenge,
die bei der Lötmontage
verwendet wird, zu minimieren, wobei Flussmittel an dem Substrat
ohne die Verwendung von Bindemittel anhaftet und in die Substrate
eine zusätzliche
Metallplattierung abgeschieden werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese Notwendigkeit wird durch das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1,
17, 25 gelöst,
die ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Metallgegenstandes,
eines Metallsubstrats enthalten, wobei eine Behandlungszusammensetzung,
die Metallhalidteilchen in einem Trägergas dispergiert, enthält, auf
die Oberfläche
eines Metallgegenstandes mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit
aufgesprüht
wird, um auf der Oberfläche
eine Schicht aus Metallhalidteilchen zu bilden. Die Mindestgeschwindigkeit
für das
Abscheiden der Metallhalidteilchen beträgt ungefähr 100 m/sec. Diese Technik
ist insbesondere für
die Flussmittelvorbehandlung von Lötbauteilen nützlich.
Das Gas kann Luft, Helium, Stickstoff oder Kombinationen derselben
sein und kann eine Temperatur von ungefähr Zimmertemperatur bis ungefähr 500°C aufweisen.
Die Art des Gases und die Temperatur der Behandlungszusammensetzung
kann variiert werden, um die Geschwindigkeiten der Teilchen zu steuern,
die in dem Gas der Behandlungszusammensetzung mitgerissen werden.
Ein weniger dichtes Gas (beispielsweise Helium), höhere Temperaturen
und höhere
Drucke schaffen höhere
Teilchengeschwindigkeiten.
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In dem Gas kann auch ein anderer
Satz Teilchen, vorzugsweise aus einem Metall, einer Legierung desselben
oder einem mechanischen Gemisch aus einem Metall und einer Legierung
desselben dispergiert sein. Im Nachfolgenden wird auf ein Metall
als dem Material eines Substrats Bezug genommen, Teilchen oder Beschichtung
bedeutet, dass das Metall, Legierung desselben sowie auch mechanische
Gemische aus Metallen und Metall-Legierungen enthält, solange
dies nicht anders angegeben ist. Es wird davon ausgegangen, dass
die Metall- oder Metall-Legierungsteilchen zum Abscheiden der Metallhalidteilchen
auf der Oberfläche des
Metallgegenstandes beitragen. Die Metallhalidteilchen und die Metallteilchen
haben vorzugsweise einen Durchmesser von ungefähr 5 bis ungefähr 50 um.
Die Geschwindigkeit der Teilchen, mit der diese auf die Oberfläche des
zu behandelnden Metallgegenstandes gesprüht werden, bestimmen, ob die
Metallhalidteilchen allein auf der Oberfläche abgeschieden werden oder
ob die Metallhalidteilchen und die Metallteilchen zusammen auf der
Oberfläche
abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform ist die Geschwindigkeit
der Teilchen so gewählt,
dass nur die Metallhalidteilchen in die Oberfläche des Gegenstandes inkorporiert
werden, während
die Metallteilchen von der Oberfläche zurückprallen oder abprallen und
nicht in dem Gegenstand inkorporiert werden. Wenn die Behandlungszusammensetzung
mit Geschwindigkeiten von ungefähr
200 bis ungefähr
550 m/sec aufgesprüht
wird, wird auf der Metalloberfläche
eine Metallhalidteilchenschicht in einer Menge von ungefähr 1 bis
12 g pro Quadratmeter Oberfläche
abgeschieden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
wird die Behandlungszusammensetzung mit einer Geschwindigkeit aufgesprüht, bei
der sowohl die Metallhalidteilchen als auch die Metallteilchen in
der Oberfläche
des Gegenstandes inkorporiert werden. Es ist eine höhere Geschwindigkeit
der Behandlungszusammensetzung als für das Inkorporieren der Metallhalidteilchen
in die Gegenstandsoberfläche
allein notwendig, die vorzugsweise über ungefähr 550 m/sec liegt. Diese Ausführungsform
führt zu
einer Schicht aus Metallhalid auf der Oberfläche des Metallgegenstandes
und erzeugt auch eine Plattierschicht aus den Metallteilchen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
kann dazu verwendet werden, Metallgegenstände zu behandeln, die aus Aluminiumlegierungen,
Kupferlegierungen, Stahllegierungen, Magnesiumlegierungen und Nickellegierungen
bestehen. Geeignete Aluminiumlegierungen sind die der Serie 1xxx,
2xxx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx oder 8xxx der Aluminum Association.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für die Erzeugung eines Flussmittel-vorbehandelten
Lötbleches
geeignet, das entweder plattiert oder unplattiert ist. Ein unplattiertes
Lötblech
kann in einem einzigen Vorgang unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
Flussmittel-behandelt und plattiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
die Metallhalidteilchen mit einem Metall, wie beispielsweise Al,
Cu, Zn, Mg, Mn, Ni, In, Li oder Fe verkapselt sein. Die Metallbeschichtung
auf den Metallhalidteilchen bildet eine Metall-Metall-Haftung der
verkapselten Teilchen an dem Substrat. Andere Teilchen, einschließlich jener,
die ansonsten traditionell eine schwache Haftung an Metallsubstrate
zeigen, wie beispielsweise Teilchen aus Übergangsmetall (beispielsweise
Silizium oder Siliziumlegierungen) können mit diesen Metallen verkapselt
sein und können
ebenfalls abgeschieden werden. Diese verkapselten Teilchen schaffen
die Möglichkeit,
Flussmittel und eine Plattierschicht auf ein Lötblech mit überragenden Hafteigenschaften
aufzubringen.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Andere Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden ferner in der folgenden zugehörigen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben, die zusammen mit den begleitenden Figuren berücksichtigt
werden, wobei gleiche Bezugsziffern auf gleiche Teile verweisen
und in welchen ferner zeigt:
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1 eine
zehnfach vergrößerte Mikrofotografie
des Aluminiumabschnittes, der im Beispiel 1 beschichtet worden ist;
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2 eine
zehnfach vergrößerte Mikrofotografie
des im Beispiel 1 beschichteten Aluminiumabschnittes nach der Bearbeitung;
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3 ein
rückgestreutes
Elektronenbild, das den Querschnitt des im Beispiel 2 beschichteten
Aluminiumabschnittes zeigt;
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4 ein
Röntgenstrahlbild
des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration
des Elementes Aluminium zeigt;
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5 ein
Röntgenstrahlbild
des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration
des Elementes Silizium zeigt;
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6 ein
Röntgenstrahlbild
des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration
des Elementes Kalium zeigt;
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7 ein
Röntgenstrahlbild
des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration
des Elementes Fluor zeigt;
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung gelöst,
welches ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Metallsubstrats mit
einem Strom aus einer Behandlungszusammensetzung aufweist, die Metallhalidteilchen
(Flussmittel, ein anorganisches Fluorsalz) und/oder Metallteilchen
enthält,
die auf das Metallsubstrat mit ausreichenden Geschwindigkeiten gesprüht wird,
um zu einer Haftung der Halidteilchen oder der Halidteilchen und
der Metallteilchen an dem Substrat zu führen. Der Teilchenstrom und
die daraus resultierende Beschichtung kann 1) Metallhalidteilchen
allein, 2) ein mechanisches Gemisch aus Metallhalidteilchen und
anderen Teilchen, die aus einem Metall gebildet sind oder 3) Flussmittelteilchen
und/oder Übergangsmetallteilchen,
die mit einem Metall oder einer Metall-Legierungshülle verkapselt sind.
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In einer ersten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Behandlungszusammensetzung Flussmittelteilchen. Die Behandlungszusammensetzung
wird mit einer Teilchengeschwindigkeit, die zu einer Beschichtung
der Metalloberfläche
mit den Flussmittelteilchen führt,
vorzugsweise über
ungefähr
100 bis ungefähr
1200 m/sec, aufgesprüht.
Die resultierende Beschichtung enthält allein Flussmittel, vorzugsweise
in Mengen von ungefähr
1 bis ungefähr
12 g pro Quadratmeter Metalloberfläche.
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In einer zweiten Ausführungsform
enthält
die Behandlungszusammensetzung Flussmittelteilchen und andere Teilchen.
Die anderen Teilchen können
aus Metallen, Metall-Legierungen, Keramiken, Metallkeramiken, Polymeren
oder Gemischen derselben bestehen, wobei Metalle oder Metall-Legierungen
besonders bevorzugt sind. Die Flussmittelteilchen und die anderen
Teilchen haben beide einen Durchmesser vorzugsweise im Bereich von
ungefähr
5 bis 50 μm.
Die Keramikteilchen können
aus SiC, Si3N4,
Al2O3, kubischem
Bor-Nitrit oder
Kombinationen derselben bestehen.
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Die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung
bestimmt, ob die Flussmittelteilchen allein an der Metalloberfläche abgeschieden
werden oder ob die Flussmittelteilchen und die anderen zusammengemischten
Teilchen auf der Metalloberfläche
abgeschieden werden. Es wird angenommen, dass die anderen Teilchen,
insbesondere wenn sie aus Metall gebildet sind, die beschichtete
Metalloberfläche
reinigen und aufrauhen und die Flussmittelteilchen auch auf die
Oberfläche
stoßen
und treiben. Eine Beschichtung aus Flussmittel allein wird dann
erhalten, wenn die Geschwindigkeiten der Flussmittelteilchen in
dem Behandlungszusammensetzungsstrom über der hierfür kritischen
Geschwindigkeit sind (größer als
ungefähr
100 m/sec), jedoch unterhalb der kritischen Geschwindigkeit der
anderen Teilchen liegen (typischerweise ungefähr 550 m/sec oder weniger für Metalle
und Metall-Legierungen). Die kritische Geschwindigkeit ist als die
Mindestgeschwindigkeit definiert, die für das Anhaften eines spezifischen
Materials an einem spezifischen Substrat erforderlich ist. Die anderen
Teilchen prallen von dem Substrat ab und können zur Wiederverwendung beim
Aufbringen einer anderen Beschichtung von Flussmittelteilchen recycelt
werden. Unter gewissen Umständen kann
die resultierende Haftung einer Flussmittelbeschichtung, die durch
Untermischen von anderen Teilchen hergestellt worden ist, einer
Flussmittelbeschichtung überlegen
sein, die durch Richten von Flussmittelteilchen allein auf das darunter
liegende Substrat hergestellt wird. Das Verhältnis in Volumenprozent des
Flussmittels zu dem Volumenprozent der anderen Teilchen in der Behandlungszusammensetzung
kann in Abhängigkeit von
der Beschichtungsaufbringungsrate, der Sauberkeit des Substrats
und anderen derartigen Betriebsparametern in breitem Umfang variiert
werden und kann ungefähr
im Bereich von 5 : 95 bis ungefähr
95 : 5 liegen.
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Alternativ kann die zweite Ausführungsform
dazu verwendet werden, gleichzeitig auf dem darunter liegenden Substrat
eine Beschichtung aus Flussmittelteilchen und Metallteilchen abzuscheiden,
wenn die kritischen Geschwindigkeiten der Metallteilchen den Wert überschreiten
(typischerweise über
550 m/sec oder größer). Wie
vorstehend im einzelnen angegeben, kann das Metall, welches mit
dem Flussmittel vermischt ist, reines Metall, Metall-Legierungen oder
mechanische Gemische derselben sein. Es sollte angemerkt werden, dass
die Teilchengeschwindigkeiten, die innerhalb des Teilchenstroms
erzielt werden, eine Funktion der individuellen Teilchendichte,
-form und -größe sind.
Daher ist innerhalb des Teilchenstroms eine Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten
vorhanden. Das Inkorporieren von Metall und Flussmittel in eine
Beschichtung kann insbesondere dann wünschenswert sein, wenn das
Metall für
ein Plattiermetall bei dem Lötvorgang
verwendet werden kann.
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In einer dritten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Behandlungszusammensetzung von Gas mitgerissenen Flussmittelteilchen,
die in ein Metall oder eine Metall-Legierung verkapselt sind, die ebenfalls auf
das Substrat mit Geschwindigkeiten aufgesprüht wird, die ausreichend sind,
um zu einer Haftung des verkapselten Flussmittels an dem Substrat
zu führen.
Die Anwesenheit einer äußeren Metall/Metall-Legierungshülle um das
Flussmittel verbessert die Abscheideeffizienz des Vorganges (die
Abscheideeffizienz ist das Verhältnis
der anhaftenden Teilchen zu der Gesamtanzahl der auf das Sub strat
gerichteten Teilchen). Die Menge und Art des Metalls (oder der Metall-Legierung),
welche das Flussmittel umhüllen,
kann variiert werden. Beispiele für geeignete Umhüllungsmetalle
umfassen Al, Cu, Zn, Mg, Mn, Ni, In, Li oder Fe. In einer besonders wünschenswerten
Ausführungsform
kann das von Metall umhüllte
Flussmittel mit Teilchen von Silizium oder Siliziumlegierung vermischt
sein und abgeschieden werden, um eine Beschichtung auf Aluminiumlegierungen zu
bilden. Die Abscheideeffizienz des Silizium oder der Siliziumlegierungsteilchen
kann ebenfalls durch Umhüllen
derselben mit einem Metall oder mit einer metallumhüllten Silizium
oder Siliziumlegierung verbessert werden. Das metallbeschichtete
Flussmittel und Silizium oder metallbeschichtete Flussmittel und
metallbeschichtete Silizium interagieren mit dem darunter liegenden
Aluminiumsubstrat, um im Ofen während
eines Lötzyklus
eine geschmolzene Plattierung zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform
werden die umhüllten
Pulver typischerweise mit Geschwindigkeiten über ungefähr 400 m/sec aufgesprüht.
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Die vorliegende Erfindung verwendet
eine ähnliche
Beschichtungstechnik wie diejenige, die im einzelnen in der
US-PS 5,302,414 (das '414-Patent) und der
US-PS 5,795,626 beschrieben
ist. Das '414-Patent
offenbart ein Gerät
und ein Verfahren zum Sprühen
von Metall, Metall-Legierung, Polymer oder einem mechanischen Gemisch
aus einem Metall und einer Legierung auf ein Substrat mit Ultraschallgeschwindigkeiten,
wodurch die Oberfläche
des Substrats mit welchem Material auch immer, das in dem Strom
mitgerissen wird, beschichtet wird. Wenn Polymer auf das Substrat
gesprüht
wird, gibt das '414-Patent
an, dass ein darauf folgender Polymerisations-(Heiz)-Schritt erforderlich
ist, um das Polymer am Substrat zum Anhaften zu bringen. Das Ergebnis
dieser rigorosen Behandlung der Oberfläche ist eine Beschichtung mit
Teilchen, die an das Substrat bondiert sind. Jede der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet das gleiche Basisverfahren des
Sprühens
von Teilchen auf eine Oberfläche,
um auf dieser eine Beschichtung zu erzeugen. Bei der vorliegenden
Erfindung wird jedoch das Metallhalid (ein ionisches Salz oder Gemisch
aus ionischen Salzen) auf einem Metallsubstrat abgeschieden. Während Metall
oder Metall-Legierungsteilchen Elektronen zum Bondieren an das Metallsubstrat
frei teilen können,
tun dies ionische Salze (beispielsweise Flussmittel) nicht. Ungeachtet dieses
Un vermögens
wurde herausgefunden, dass Flussmittel an Metallsubstraten anhaftet,
wenn es auf dieses mit Geschwindigkeiten oberhalb von ungefähr 100 m/sec
aufgesprüht
wird.
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Die Steuerung der Teilchengeschwindigkeit
ist Bestandteil der vorliegenden Erfindung, so dass die gewünschten
Teilchen abgeschieden werden, insbesondere dann, wenn mehrere Arten
von Teilchen in der Behandlungszusammensetzung vorhanden sind. Die
Teilchengeschwindigkeit wird durch zahlreiche Faktoren, einschließlich der
Geometrie der Sprühdüse, der
Teilchendichte, der Teilchenform, der Teilchengröße, der Gasart, der Gastemperatur
und dem Gasdruck beeinflusst.
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Die Geschwindigkeit der Teilchen
wird teilweise durch die Konstruktion der Ausrüstung beeinflusst, die für das Sprühen der
Behandlungszusammensetzung verwendet wird. Ein bevorzugter Apparat
ist eine Düse der
konvergierenden-divergierenden Bauart, die das Gas und die mitgerissenen
Teilchen durch eine kleinste Verengung komprimiert und dann das
Gas und die mitgerissenen Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten ausdehnt
und beschleunigt. Die Innenabmessungen der Düse können die Geschwindigkeit der
Teilchen beeinflussen. Im allgemeinen führt eine längere konvergierende-divergierende
Düse zu
schnelleren Teilchengeschwindigkeiten. Der Abstand (Düse zu Substrat)
ist nicht besonders kritisch und kann ungefähr ein bis fünf Inches betragen.
Bei diesem Abstand hat der resultierende Sprühstrom eine gewisse Querschnittsfläche. Die
Geschwindigkeit der Teilchen in der Querschnittsfläche ist
nicht gleichförmig.
Im allgemeinen bewegen sich die Teilchen um den Umfang des Sprühquerschnittes
herum langsamer. Als ein Ergebnis können die Teilchen um den Umfang
der Metalloberfläche
herum nicht die kritische Geschwindigkeit für die Anhaftung erzielen. Vorteilhafterweise
dienen diese langsameren Teilchen dazu, die Oberfläche direkt
vor dem Teil des Sprühquerschnittes,
der mit oder schneller als die kritische Geschwindigkeit strömt, abzuschleifen
und zu reinigen. Dadurch kann sich die Notwendigkeit, das Substrates
vor der Flussmittelbehandlung und dem Löten zu reinigen, erübrigen.
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Die Teilchendichte ist dem verwendeten
Material inhärent.
Die Teilchengröße beträgt vorzugsweise ungefähr 5 bis
ungefähr
50 μm. Der
Ultraschallstrom der Behandlungszusam mensetzung gegen das Substrat entwickelt
an der Substratoberfläche
eine Schockwelle. Kleine Teilchen, d. h. kleiner als ungefähr 5 μm können typischerweise
nicht passieren und erreichen niemals das Substrat. Diese kleinen
Teilchen erzeugen Abfall und können
den Sprühapparat
und die Umgebung verschmutzen. Daher ist es wünschenswert, Teilchen zu verwenden,
die einen größeren Durchmesser
als 5 μm
haben. Größere Teilchen
bewegen sich langsamer als kleinere Teilchen, daher gibt es eine
obere Grenze für
die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Teilchen, die einen
Ultraschallstrom bilden. Diese obere Grenze ist vorzugsweise ungefähr 50 μm. Die Teilchen, welche
bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können in
Form von Pulvern oder Flocken sein, wobei Pulver bevorzugt wird.
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Der Gasdruck, die Gastemperatur und
die Gasart, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
beeinflussen die Geschwindigkeit des Gases und damit die Geschwindigkeit
der in dem Gasstrom mitgerissenen Teilchen. Je höher der Gasdruck und die Temperatur
ist, umso höher
sind die resultierenden Geschwindigkeiten. Wenn die Gasdichte sinkt,
steigt die Gasgeschwindigkeit durch die konvergierende-divergierende
Düse. Daher
wird die Verwendung von Helium oder einem Gemisch aus Helium und
Luft (bei einer gegebenen Gastemperatur in einem gegebenen Druck)
zu höheren
Gasgeschwindigkeiten führen
als die Verwendung von Luft allein. Die bevorzugten Gase sind Luft,
Stickstoff, Helium und Gemische derselben. Helium ist signifikant
teurer als Luft oder Stickstoff, daher wird, wenn Helium verwendet
wird, das Gas vorzugsweise recycelt. Wenn das Gas nicht recycelt
wird, sind Luft oder Stickstoff vorzuziehen. Bei der Handhabung
von Metallpulvern besteht eine Explosionsgefahr; die Wahl der Zusammensetzung
der Teilchen und der Zusammensetzung des Gases kann unter Sicherheitsaspekten
kritisch sein. Bezüglich
der Minimierung der Explosionsgefahr sind inerte Gase, wie beispielsweise
Helium und Stickstoff von Vorteil. Die Ökonomie sowie auch die Sicherheit
beeinflussen die Wahl der Gasan, des Druckes und der Temperatur.
Luft, Stickstoff und recyceltes Helium können alle aus ökonomischer
Sicht vertretbar sein. Es sollte auch angemerkt werden, dass die
Erhöhung
der Gastemperatur bei der Erhöhung
der Teilchengeschwindigkeiten effektiver sein kann als die Erhöhung des
Gasdruckes, obwohl beide die Teilchengeschwindigkeit nicht linear
erhöhen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
ist für
die Beschichtung von Metallgegenständen mit Flussmittel oder Flussmittel
und einer Plattierschicht zu Lötzwecken
geeignet. Die Beschichtungen können
auf Metallsubstrate, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen,
Stahllegierungen, Magnesiumlegierungen und Nickellegierungen aufgebracht
werden. Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die von der Firma Aluminum
Association registriert sind und irgendwelche unregistrierte Varianten
derselben können
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Diese umfassen, sind
jedoch nicht begrenzt durch die Serien der Aluminiumlegierungen
1xxx, 2xxx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx und 8xxx und irgendeine der
hier nicht enthaltenen internationalen Verbandsregistrierungen.
Bevorzugte Metall-Legierungen werden typischerweise als Lötblech bezeichnet
und sind typischerweise Mehrschichtverbundwerkstoffe aus den Legierungen
der Serien 3xxx, 7xxx, 2xxx und 6xxx, die mit einer Legierung der
Serie 4xxx plattiert sein können.
Diese Gegenstände
können
Spritzgussteile, eine plattierte oder unplattierte Folie, Blech,
Tafel oder Platte sein.
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Das Flussmittel des Behandlungszusammensetzungsgemisches
kann irgendein Material sein, welches die Oxidschicht entfernen
kann und welches unterhalb von 1080°F schmilzt. Ein bevorzugtes
Flussmittel ist ein Komplex aus Kalium-Fluoraluminat. Wie hier verwendet,
bezieht sich Kalium-Fluoraluminat auf Materialien, die die Elemente
Kaliumaluminium und Fluor in solchen Verhältnissen haben, dass Verbindungen
wie beispielsweise KF, AlF
3, KAlF
4, K
2AlF
5,
K
3AlF
6 entweder
einzeln, doppelt oder in Kombination präsent sind. Die Zusammensetzung
kann in Termen der Elementzusammensetzung von 20 bis 45% K; 10 bis
25% Al und 45 bis 60% F ausgedrückt
werden; oder in Termen der Konzentration der Verbindungen KF und
AlF
3 als 40 bis 70% AlF
3 und
30 bis 70% KF ausgedrückt
werden. Diese und andere Fluoraluminate, die die gewünschten Flussmitteleigenschaften
haben, sind in der
US-PS 5,190,596 beschrieben.
Ein Beispiel für
ein kommerziell erhältliches
Kalium-Fluoraluminat ist Nocolok
®-Flussmittel,
andere Kalium-Fluoraluminate wie beispielsweise KAlF
4,
K
2AlF
5, K
3AlF
6 und deren Mischungen
und Kalium-Fluoraluminat, das mit einem oder mehreren Stoffen der
Gruppe, bestehend aus Cäsiumchlorid,
Rubidiumchlorid, Lithiumfluorid, Cäsiumfluorid und anderen Alkalihalidsalzen
vermischt ist, um den Schmelzpunkt des Flussmittels zu reduzieren.
Andere bekannte Aluminiumlötflussmittel
sind Gemische aus Alkali und alkalischen Erdfluoriden und Fluoriden,
Ammoniumchlorid, Ammoniumfluorid, saures Kaliumfluorid (KHF
2), saures Natriumfluorid (NaHF
2),
saures Ammoniumfluorid (NH
4·HF
2), Zinkchlorid, Mischungen aus Zinkchlorid,
saurem Kaliumfluorid und Ammoniumchlorid und Kaliumfluorzirkonat
(K
2ZrF
6).
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Die Flussmittelbeschichtung auf einer
Lötoberfläche kann
aus einzelnen Inseln aus Flussmittel an der Oberfläche des
Metalls bestehen. Diese Abscheidungstechnik ermöglicht, dass Flussmittel sowohl
an dem Metallsubstrat als auch an sich selbst anhaftet. Demgemäß können einzelne
Inseln aus Flussmittel als ein Flussmittelreservoir wirken. Während des
Lötvorganges
können
die Flussmittelreservoire zu kritischen Bereichen des Werkstückes mittels
Gravitationskraft oder Kapillarwirkung fließen. In der Lötpraxis
wird das behandelte Metallwerkstück
auf Temperaturen erwärmt,
bei denen das anhaftende Flussmittelmaterialflüssig wird und fließt, dabei
reichlich Flussmittel für
das Löten
an spezifischen Orten bereitstellt. Die Haftung der Beschichtungen,
die durch diese Ausführungsformen
erzeugt worden sind, dienen insbesondere dazu, Formvorgänge zu überleben
und werden somit als eine Beschichtung auf der hereinkommenden Metallunterlage
zugeführt. Dies
schließt
jedoch nicht ihre Verwendung an Werkstücken aus, die bereits geformt
sind. Der Vorteil des Versehens der hereinkommenden Unterlage mit
einer Beschichtung schließt
die Notwendigkeit aus, die Werkstücke stromabwärts des
Vorganges mit Flussmittel zu behandeln, wodurch ein ganzer Herstellschritt
eliminiert wird, die Verwendung von Flussmittel minimiert wird,
und die Anwesenheit von Flussmittel an den zu lötenden Oberflächen garantiert
wird. Es ist insbesondere für
die Verwendung bei Werkstücken
von Vorteil, die bis heute vor dem Zusammenbau der Komponente einer
Flussmittelbehandlung unterzogen werden müssen; beispielsweise plattenartigen
Wärmetauschern
(Verdampfer, plattenartige Heizvorrichtungen, plattenartige Kondensoren,
Zwischenkühlvorrichtungen
und Ölkühlvorrichtungen)
und Unterbaugruppen, wie beispielsweise interne Abdeckplatten in
Rohrverzweigungen, gelötete
einstückige
Rohrverzweigungen, zweistückige
Rohrverzweigungen, Separatoren und dergleichen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
auch Verfahren zum Abscheiden von Flussmittel auf einer plattierten
oder unplattierten Metalloberfläche
zu Lötzwecken
und Verfahren zum gleichzeitigen Plattieren und Abscheiden von Flussmittel
in einer Schicht auf der Oberfläche
einer unplattierten Metalloberfläche
zu Lötzwecken.
Die Tabelle 1 gibt diese verschiedenen Verfahren an, die in der
vorliegenden Erfindung enthalten sind, und zwar basierend auf der
Art der abgeschiedenen Teilchen und der An der behandelten Metalloberfläche.
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Die vorliegende Erfindung ist für das Hartlöten von
Werkstücken
aus Aluminiumlegierung mit oder ohne Vorreinigungsschritt gut geeignet.
Ein Aluminiumwerkstück
kann gemäß einem
Verfahren hartgelötet werden,
das die folgenden Schritte hat: (a) Bereitstellen eines Aluminiumwerkstückes, wobei
das Werkstück eine
Hartlötoberfläche hat;
(b) Bereitstellen einer Behandlungszusammensetzung, die ein Gas
und Hartlötflussmittelteilchen
enthält;
und (c) Sprühen
der Behandlungszusammensetzung auf die Hartlötoberfläche des Werkstückes mit
einer Geschwindigkeit, bei der die Hartlötflussmittelteilchen in die
Hartlötoberfläche inkorporiert
werden, dabei eine Flussmittelbeschichtung auf der Hartlötoberfläche bilden;
und (d) Anordnen des mit Flussmittel beschichteten Werkstückes neben
einem anderen Metallwerkstück
und Erhitzen der Werkstücke, um
zwischen den Werkstücken
eine Hartlötverbindung
zu schaffen. Wie zu bemerken ist, fehlt dieser Liste an Schritten
ein Reinigungsschritt zum Entfernen von Öl, Schmutz und dergleichen
von der Hartlötoberfläche vor dem
Hartlöten,
obwohl ein Reinigen, falls gewünscht,
durchgeführt
werden kann.
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Wenn das Aluminiumwerkstück plattiert
ist, muss gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung auf diesem nur Flussmittel oder mit Metall beschichtetes
Flussmittel (zur Verbesserung der Haftung an dem plattierten Substrat)
abgeschieden werden. Eine Behandlungszusammensetzung, die Flussmittel
enthält,
kann gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung wahlweise Metallteilchen enthalten, um das Flussmittel
in die Substratoberfläche
zu treiben. Die Geschwindigkeit, mit der die Behandlungszusammensetzung
auf das Substrat gesprüht
wird, ist so gesteuert, dass nur Flussmittel oder mit Metall beschichtetes
Flussmittel auf dem Substrat abgeschieden wird, wie dies vorstehend
beschrieben ist, beispielsweise ungefähr 200 bis ungefähr 550 m/sec.
Dies schließt
nicht das Abscheiden von Flussmittel und Metall auf einer plattierten
Oberfläche
aus, und die nominelle Zusammensetzung der Hartlötplattierung beabsichtigt zu
modifizieren, indem diese ferner die Metallteilchen enthält, beispielsweise
durch Zn-Zusätze
zu einer Al-Si-Plattierung, um das selbstverzehrende Potential der
Plattierung zu verbessern.
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Bei typischen Hartlötvorgängen wird
Flussmittel vor dem Formen und/oder Bearbeiten des Werkstückes auf
der Metalloberfläche
aufgebracht. Ein Formen und/oder Zusammenbau vorgang kann zu einem
Teil mit komplexer Geometrie führen,
die Flächen
haben kann, welche bei einer traditionellen Flussmittelbehandlung
nach dem Zusammenbau nicht zugänglich
sind. Das Inkorporieren des Flussmittelmaterials in die Oberfläche des
Aluminiumhartlötwerkstückes gemäß der vorliegenden
Erfindung vermeidet, dass wesentliche Hartlötflächen, die Flussmittel erfordern,
nach dem Zusammenbau zugänglich
sind. Flussmittelbehandlungen nach dem Zusammenbau bringen überschüssiges Flussmittel
auf die gesamte Baugruppe auf, einschließlich der Befestigungen, die
die Teile zusammenhalten. Diese Praxis führt zu unerwünschten
nachteiligen Flussmittelresten an Flächen der Baugruppe und entsprechenden
Befestigungen.
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Gewisse Form- und/oder Bearbeitungsvorgänge, die
in der Industrie typisch sind, können
wahlweise an dem Flussmittel-behandelten Substrat durchgeführt werden.
Beispiele dieser Vorgänge
sind Heiß-
und Kaltwalzen, Stanzen, Laminieren, Prägen, Ausschneiden, Profilieren,
Pressen, Hydroformen und Ziehen. Das Substratmaterial kann durch
Tempern, Lösungsglühen, Altern
oder Abschrecken entweder durch Luft oder Flüssigkeit wärmebehandelt werden.
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Nachdem ein Werkstück hergestellt
worden ist, können
Flächen
des Werkstückes
vorhanden sein, denen eine Flussmittelbehandlung guttun würde, die
jedoch nicht zugänglich
sind, wenn sie erst einmal ausgebildet worden sind. Zusätzlich kann
ein geformtes Werkstück
eine stumpfe Form haben, die die Schwierigkeit des Aufbringens von
Flussmittel erhöht.
Hier wurde nach dem Formen übermäßiges Flussmittel
aufgebracht, das häufig
einen zusätzlichen
Abblasschritt stromabwärts
erforderte, um überschüssiges Flussmittel
zu entfernen, welches vor dem Hartlötschritt zugesetzt worden war.
Wenn die vorliegende Erfindung verwendet wird, kann Flussmittel
vor dem Formen aufgebracht werden und es wird sehr viel weniger
Flussmittel pro Werkstück (beispielsweise
Wärmetauscher)
als bei dem herkömmlichen
Verfahren aufgebracht. Dies führt
zu einem Produkt mit verbessertem Aussehen nach dem Hartlöten, den
Möglichkeiten
zu erhöhter
Komplexität
bei der Konstruktion eines hartgelöteten Teils und reduziert die
Korrosion des Hartlötofens
(infolge der Reduktion der Menge des korrodierenden geschmolzenen
Flussmittels, das im Ofen anwesend ist). Das Flussmittel muss nur
an den Flächen
aufgebracht werden, wo metallurgische Verbindungen notwendig sind.
Glücklicherweise
fließt
das Flussmittel bei den erhöhten
Temperaturen, die für
das Hartlöten
erforderlich sind. Daher ist der spezifische Ort des Flussmittels
nicht sehr kritisch, wenn die darunter liegende Oberfläche des
Werkstückes
mit dem Flussmittel unter Verwendung des Vorganges gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt worden ist. Obwohl die Oberflächenbehandlung
mit dem Flussmittel zu einer diskontinuierlichen Flussmittelschicht
führen kann,
ist die Schicht im wesentlichen gleichförmig an jenen Flächen, wo
Flussmittel benötigt
wird, und steht daher für
die Zwecke des Hartlötens
zur Verfügung.
Es ist annähernd
bekannt, wo Hartlöten
erforderlich ist und die vorliegende Erfindung schafft die Möglichkeit,
gewisse Flächen
des Gegenstandes mit Flussmittel anzureichern. Desgleichen sind
gewisse andere Flächen
bekannt, an denen Hartlöten
nicht auftreten soll, an denen eine unnötige Flussmittelbehandlung
vermieden werden kann.
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Die Vorteile der Verwendung dieser
An Verfahren zum Beschichten von Substraten für Hartlötanwendungen sind viele einschließlich (jedoch
nicht begrenzt auf) der ausgezeichneten Haftung der Beschichtung ohne
die Notwendigkeit für
ein Bindemittel, dem Vermögen,
Material mit Walzwerk-Sauberkeitsstandard ohne die Notwendigkeit
eines Vorbeschichtungs-Reinigungsschritts infolge der Reinigungswirkung
an Umfang der konvergierenden-divergierenden Düse zu beschichten und dem Vermögen, selektiv
nur diejenigen Flächen
zu beschichten, die miteinander verbunden werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung umfasst
ferner Verfahren zum gleichzeitigen Abscheiden von Plattiermaterial
und Hartlötflussmittel
auf unplattierten Aluminiumlegierungswerkstücken. Dieses Verfahren umfasst
die Schritte: (a) Bereitstellen eines Aluminiumwerkstückes, wobei
das Werkstück
eine Hartlötoberfläche hat;
(b) Bereitstellen einer Behandlungszusammensetzung, die enthält i) ein
Gas, ii) Hartlötflussmittelteilchen
und iii) Metallteilchen; (c) Sprühen
der Behandlungszusammensetzung auf die Hartlötoberfläche des Werkstückes mit einer
ausreichend hohen Geschwindigkeit, um die Hartlötflussmittelteilchen und die
Metallteilchen in die Hartlötoberfläche zu inkorporieren,
um eine Plattiermetallschicht auszubilden, wodurch ein mit Flussmittel
beschichtetes Werkstück
mit einer Plattierschicht aus den Metallteilchen in der Nähe der Hartlötoberfläche gebildet
wird; und (d) Anordnen des mit Flussmittel beschichteten und plattierten
Werkstückes
neben einem anderen Metallwerkstück
und Erhitzen des Werkstückes,
um zwischen den Werkstücken
eine Hartlötflussmittelverbindung
zu bilden. Die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung, welche
auf das Substrat gesprüht
wird, wird so gesteuert, dass die Metallteilchen und das Flussmittel
oder das mit Metall beschichtete Flussmittel auf dem Substrat wie
vorstehend beschrieben abgeschieden werden, d. h. dass diese über ungefähr 550 m/sec
liegt. Die Behandlungszusammensetzung kann ferner Übergangsmetallteilchen
(beispielsweise Silizium oder Siliziumlegierungen oder Gemische
derselben) und/oder mit Metall beschichtete Übergangsmetallteilchen enthalten.
Die hohe Geschwindigkeit (über
ungefähr
550 m/sec), mit der Teilchen, die Metall und/oder Silizium oder
mit Metall beschichtetes Silizium enthalten, aufgesprüht werden,
führt zu
einer Plattierschicht derselben in dem Aluminiumsubstrat, welche
zuvor in einem separaten Plattiervorgang hergestellt worden war.
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Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung können
gewisse Legierungen, die eine nominelle Zusammensetzung haben, welche
traditionell schwierig oder unmöglich über traditionelle Walzbondierpraktiken
zu erzeugen waren, erzielt werden. Diese traditionellen, nicht lötbaren Legierungen
haben eine ungenügende
Dehnbarkeit (d. h. weniger als ungefähr 15 Prozent), um ein Walzplattieren
zu erlauben. Die vorliegende Erfindung betrachtet ein Plattieren
von Metallsubstrat ohne die Verwendung der herkömmlichen Walzplattiervorgänge und
umfasst ein Verfahren zum Behandeln der Oberfläche einer Aluminiumlegierung
mit einer Dehnbarkeit von weniger als ungefähr 15 Prozent, durch Inkorporieren
von Metallteilchenn in die Oberfläche gemäß der Erfindung.
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Ein zusätzlicher Vorteil für die Flussmittelbehandlung
der Metall-Legierung gemäß der Erfindung
ist ein Mittel zur Identifizierung gewisser Legierungstypen und
Beschichtungsgewichte. Ein Problem in dieser Hinsicht kann sein,
dass unterschiedliche Legierungen und die Gegenstände, die
aus diesen hergestellt sind, ein ähnliches Aussehen haben und
durch visuelle Inspektion nicht voneinander unterschieden werden
können. Durch
das Verfahren können
in dem Flussmittelmaterial Identifikationsmarkierungen enthalten
sein, entweder durch Farbidentifikationspulver oder indem die Metall-Legierung
selbst einheitlich markiert wird. Dies kann dann unterschiedliche
Gegenstände,
unterschiedliche Seiten der Le gierung, unterschiedliche Beschichtungsgewichte
und ob die Legierung plattiert worden ist oder nicht, identifizieren.
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Obwohl die Erfindung vorstehend allgemein
beschrieben worden ist, geben die besonderen Beispiele eine zusätzliche
Veranschaulichung des Produktes und der Verfahrensschritte, die
für die
vorliegende Erfindung typisch sind.
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Beispiele
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Beispiel 1: Aufgesprühtes Flussmittel,
abgeschiedenes Flussmittel
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Ein Musterstück (50,8·127,0 mm, 0,48 mm Stärke) aus
einer Aluminiumlegierung 4147 wurde gemäß der vorliegenden Erfindung
mit einem Flussmittelmaterial beschichtet. Das Flussmittel war ein
Standard-Kalium-Aluminiumfluorid-Flussmittel, Solvay Nocolok®.
Das Flussmittel ist mit einem Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 200 CFM und einem Druck von 50 psig mitgerissen worden. Das
das Flussmittel mitreißende
Gas wurde auf die Oberfläche
des Aluminiumlegierungs-Musterstückes
durch eine axialsymmetrisch konvergierende-divergierende Düse gesprüht. Die
Düse wurde
gemäß einem
Raster oder vor und zurück quer
zur Oberfläche
bewegt, um das Flussmittel um Zeilen auf dem Substrat abzuscheiden.
Das mit dem Flussmittel beschichtete Musterstück wurde durch Biegen des Musterstückes um
180° um
eine Stange mit einem Durchmesser von 4,77 mm (3/16 Inch) bearbeitet.
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Die 1 zeigt
das Aluminium-Musterstück
nach der Beschichtung. Die Beschichtung erscheint sowohl als Flussmittelinseln
als auch größere, mit
Flussmittel beschichtete Flüsse.
die 2 zeigt das Musterstück nach
der Bearbeitung; das Flussmittel bleibt meistens oder größtenteils
an der Oberfläche
des Musterstückes
haften.
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Beispiel 2: Sprühen von
Flussmittel und Metall, Abscheiden nur von Flussmittel
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wurde ein Musterstück
aus einer Metall-Legierung, einer Aluminiumlegierung 4147, mit einem
Flussmittel beschichtet. Das Flussmittel war ein Gemisch aus Standard-Kalium-Aluminiumfluorid-Flussmittel
und Aluminiumlegierung 4047 (die 11 bis 13% Si enthält).
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Das Flussmittel wurde in Heliumgas
mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 200 CFM und einem Druck von 50 psig mitgerissen. Das mit dem
Gas mitgerissene Flussmittel wurde an der Oberfläche des Aluminiumlegierungsmusterstückes durch
eine axialsymmetrisch konvergierende-divergierende Düse aufgebracht.
Die Düse
wurde gemäß einem
Raster oder vor und zurück
zu der Oberfläche
bewegt, um das Flussmittel auf dem Substrat in Zeilen abzuscheiden.
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3 ist
ein zurückgestreutes
Elektronenbild eines Testpaneels, das das beschichtete Substrat
im Querschnitt in der Nähe
einer blank polierten Platte zeigt. die blank polierte Platte erscheint
in dem unteren Teil des Bildes. Das Paneel wurde getestet, um den
Gehalt an Aluminium (Al), Silizium (Si), Kalium (K) und Fluor (F)
sowohl in der Beschichtung als auch in dem Substrat zu bestimmen,
wie dies in den 4 bis 7 gezeigt ist. Das Al und
Si der Plattierung erscheint in den 4 bzw. 5. Das K und F, das in der 6 bzw. 7 erscheint, sind das Ergebnis der Kalium-Fluoraluminat-Flussmittelschicht,
die auf dem Testpaneel abgeschieden worden ist.
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In der Beschichtung war Si und Fe
abwesend. In dem 4047-Pulver sind Silizium und Eisen anwesend. Offensichtlich
hat das 4047-Pulver keinen Teil der Beschichtung gebildet.
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Anzugeben ist, dass gewisse Merkmale
der vorliegenden Erfindung geändert
werden können,
ohne dass von der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Somit
ist es beispielsweise möglich,
dass, obwohl die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben worden ist, bei der Flussmittelteilchen und eine Al-Si-Legierung
oder Flussmittel und Aluminium gesprüht werden, die Materialien,
welche gemäß der vorliegenden
Erfindung mit Flussmittel verwendet werden können, Metalle, Keramiken, Übexgangsmetalle,
Metallkeramiken, Halbleiter und Polymere umfassen. Zusätzlich könnten bei
geringe ren Teilchengeschwindigkeiten ein breites Feld an Materialien
unter das Flussmittel untergemischt werden.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorstehend anhand eines Aluminiumsiliziumlegierungs-Substrats
beschrieben worden sind, ist für
den Fachmann klar zu ersehen, dass Metalle, welche für die vorliegende
Erfindung geeignet sind, nicht auf Aluminium und Aluminiumlegierungen begrenzt
sind. Die vorliegende Erfindung ist auch für das Aufbringen eines Flussmittels
auf irgendein Metall- oder Legierungssubstrat nützlich. Andere Metallsubstrate,
wie beispielsweise Magnesium, Kupfer, Eisen, Zink, Nickel, Kobalt,
Titan und Legierungen derselben können ebenfalls von der vorliegenden
Erfindung profitieren.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung vorstehend anhand von Zusammenabscheiden
von Metallteilchen und Flussmittelteilchen beschrieben worden sind,
ist es auch möglich, dass
die Metallteilchen ein reines Metall, eine Legierung oder ein mechanisches
Gemisch aus Metallen oder Legierungen sind. Somit ermöglicht die
vorliegende Erfindung die Erzeugung von chemischen Zusammensetzungen
der Plattierung, die heutzutage infolge der inhärenten Sprödigkeit des Plattiermaterials
nicht extensiv aufgewalzt werden könnten.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand von Abscheiden von Flussmittel beschrieben worden ist, kann
auch Metall abgeschieden werden. Beispielsweise können reines
Si oder eine Si-Al-Legierung zusammen auf ein reines Aluminiumsubstrat
abgeschieden werden, um eine Beschichtung zu bilden, die die traditionelle
Eutektikum-nahe Al-Si 4xxx -Serie ersetzt. Die resultierenden Pattierungen,
die durch die vorliegende Erfindung hergestellt worden sind, benötigen auch
keinen zusätzlichen
Flussmittelbehandlungsschritt, da das Flussmittel in das Produkt
zum Zeitpunkt der Plattierung inkorporiert wird. Da die vorliegende
Erfindung zusätzlich
ein Endbearbeitungsschritt ist, sind keine oder eine begrenzte Anzahl
von Walzdurchgängen
erforderlich.
