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Dokumentenidentifikation DE60007100T2 30.09.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0001165859
Titel VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN VON FLUSSMITTEL ODER FLUSSMITTEL UND METALL AUF EINEN ZU LÖTENDEN WERKSTOFF
Anmelder Alcoa Inc., Pittsburgh, Pa., US
Erfinder KILMER, Joseph, Raymond, Lancaster, US;
EYE, Benjamin, John, Lancaster, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60007100
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.03.2000
EP-Aktenzeichen 009160672
WO-Anmeldetag 03.03.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/05679
WO-Veröffentlichungsnummer 0000052228
WO-Veröffentlichungsdatum 08.09.2000
EP-Offenlegungsdatum 02.01.2002
EP date of grant 10.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.09.2004
IPC-Hauptklasse C23C 24/04
IPC-Nebenklasse B23K 1/20   

Beschreibung[de]
Erfindungsgebiet

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.

Hintergrund der Erfindung

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Zusammenfassung der Erfindung

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.

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.

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.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Figuren

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:

1 eine zehnfach vergrößerte Mikrofotografie des Aluminiumabschnittes, der im Beispiel 1 beschichtet worden ist;

2 eine zehnfach vergrößerte Mikrofotografie des im Beispiel 1 beschichteten Aluminiumabschnittes nach der Bearbeitung;

3 ein rückgestreutes Elektronenbild, das den Querschnitt des im Beispiel 2 beschichteten Aluminiumabschnittes zeigt;

4 ein Röntgenstrahlbild des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration des Elementes Aluminium zeigt;

5 ein Röntgenstrahlbild des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration des Elementes Silizium zeigt;

6 ein Röntgenstrahlbild des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration des Elementes Kalium zeigt;

7 ein Röntgenstrahlbild des Bildes gemäß 3, das den Ort und die Konzentration des Elementes Fluor zeigt;

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

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.

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.

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 &mgr;m. Die Keramikteilchen können aus SiC, Si3N4, Al2O3, kubischem Bor-Nitrit oder Kombinationen derselben bestehen.

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.

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.

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 Substrat 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.

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 Unvermögens wurde herausgefunden, dass Flussmittel an Metallsubstraten anhaftet, wenn es auf dieses mit Geschwindigkeiten oberhalb von ungefähr 100 m/sec aufgesprüht wird.

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.

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.

Die Teilchendichte ist dem verwendeten Material inhärent. Die Teilchengröße beträgt vorzugsweise ungefähr 5 bis ungefähr 50 &mgr;m. Der Ultraschallstrom der Behandlungszusammensetzung gegen das Substrat entwickelt an der Substratoberfläche eine Schockwelle. Kleine Teilchen, d. h. kleiner als ungefähr 5 &mgr;m 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 &mgr;m 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 &mgr;m. Die Teilchen, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können in Form von Pulvern oder Flocken sein, wobei Pulver bevorzugt wird.

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.

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.

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, AlF3, KAlF4, K2AlF5, K3AlF6 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 AlF3 als 40 bis 70% AlF3 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 KAlF4, K2AlF5, K3AlF6 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 (KHF2), saures Natriumfluorid (NaHF2), saures Ammoniumfluorid (NH4·HF2), Zinkchlorid, Mischungen aus Zinkchlorid, saurem Kaliumfluorid und Ammoniumchlorid und Kaliumfluorzirkonat (K2ZrF6).

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.

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.

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.

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.

Bei typischen Hartlötvorgängen wird Flussmittel vor dem Formen und/oder Bearbeiten des Werkstückes auf der Metalloberfläche aufgebracht. Ein Formen und/oder Zusammenbauvorgang 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 Legierung, unterschiedliche Beschichtungsgewichte und ob die Legierung plattiert worden ist oder nicht, identifizieren.

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.

Beispiele Beispiel 1: Aufgesprühtes Flussmittel, abgeschiedenes Flussmittel

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.

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.

Beispiel 2: Sprühen von Flussmittel und Metall, Abscheiden nur von Flussmittel

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).

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.

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.

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.

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 geringeren Teilchengeschwindigkeiten ein breites Feld an Materialien unter das Flussmittel untergemischt werden.

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.

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.

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.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines Metallgegenstandes, mit den Schritten:

    (a) Bereitstellen einer Behandlungszusammensetzung, die ein Gas, Metall- Halogenidteilchen und andere Teilchen enthält, wobei die anderen Teilchen aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Metallen, Metalllegierungen, Übergangsmetallen, Keramiken, Keramikmetallgemischen, Halbleiterpolymeren und Kombinationen derselben; und

    (b) Sprühen der Behandlungszusammensetzung auf die Oberfläche des Metallgegenstandes mit einer Geschwindigkeit, wodurch die Metall-Halogenidteilchen in die Oberfläche des Gegenstandes inkorporiert und die anderen Teilchen in den Gegenstand nicht inkorporiert werden, wobei das Gas eine Temperatur von ungefähr Zimmertemperatur bis ungefähr 500°C hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metall-Halogenidteilchen aus einem Kaliumfluoraluminat bestehen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt Sprühen der Behandlungszusammensetzung so durchgeführt wird, dass die Menge der abgeschiedenen Metall-Halogenidteilchen ungefähr 1 bis ungefähr 12 g/m2 beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Behandlungszusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 m/sec bis ungefähr 1200 m/sec aufgesprüht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Luft, He, N und Gemischen derselben.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anderen Teilchen aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aluminium, Silizium, Aluminiumlegierungen, Siliziumlegierung und Gemischen derselben.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis in Volumenprozent der Metall-Halogenidteilchen zu den anderen Teilchen in der Behandlungszusammensetzung ungefähr 5 : 95 bis 95 : 5 beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung über ungefähr 100 bis ungefähr 550 m/sec liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Behandlungszusammensetzung mit einer Geschwindigkeit aufgesprüht wird, wodurch die Metall-Halogenidteilchen in die Oberfläche des Gegenstandes inkorporiert werden und die anderen Teilchen in den Gegenstand inkorporiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung über ungefähr 550 bis ungefähr 1200 m/sec beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Behandlungsteilchen und die Lieferteilchen einen Durchmesser von ungefähr 2 bis ungefähr 50 &mgr;m haben.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Metallgegenstand aus einer Zusammensetzung besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Stahllegierungen, Magnesiumlegierungen und Nickellegierungen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Metallgegenstand aus einer Aluminiumlegierung der Aluminium Association der Serie 1xxx, 2xxx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx oder 8xxx besteht.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Metallgegenstand aus plattierter Aluminiumlegierung besteht.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Metallgegenstand aus einer unplattierten Aluminiumlegierung besteht.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei auf dem oder den Aluminiummetallpartikel(n) eine Plattierschicht aus den anderen Partikeln besteht, wobei die Platierschicht allein eine Duktilität von weniger als 15% hat.
  17. Verfahren zum Hartlöten eines Werkstückes aus Aluminiumlegierung mit den Schritten:

    a) Bereitstellen eines Aluminiumwerkstückes, wobei das Werkstück eine Hartlötoberfläche hat;

    b) Bereitstellen einer Behandlungszusammensetzung, die Gas, Hartlötflussmittel und -teilchen und andere Teilchen enthält, wobei die anderen Teilchen aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Metallen, Metalllegierungen, Übergangsmetallen, Keramiken, Metallkeramiken, Halbleiterpolymeren und Kombinationen derselben;

    c) Sprühen der Behandlungszusammensetzung auf die Hartlötoberfläche des Werkstückes mit einer Geschwindigkeit wodurch die Hartlötflussmittelteilchen in die Hartlötoberfläche inkorporiert werden und die anderen Teilchen nicht in die Oberfläche inkorpiert werden, wodurch eine Flussmittelbeschichtung auf der Hartlötoberfläche gebildet wird; und

    d) Anordnen der mit Flussmittel beschichteten Hartlötoberfläche neben einem anderen Metallwerkstück und Erhitzen des Werkstückes, um zwischen den Werkstücken eine hartgelötete Flussmittelverbindung zu bilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Flussmittelzusammensetzung ein Metallhalogenid enthält.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Werkstück aus einer Legierung der Aluminium Association 3xxx-Serie besteht.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Behandlungszusammensetzung mit einer Geschwindigkeit von über ungefähr 100 bis ungefähr 1200 m/sec gesprüht wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Behandlungszusammensetzung weiterhin Metallteilchen enthält.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Behandlungszusammensetzung mit einer Geschwindigkeit aufgesprüht wird, wodurch die Metallteilchen in die Hartlötoberfläche inkorporiert werden, um zusätzlich eine Plattierschicht aus den Metallteilchen in dem Aluminiumwerkstück in der Nähe der Hartlötoberfläche zu bilden.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung über ungefähr 550 bis ungefähr 1200 m/sec beträgt.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Metallteilchen aus einer Zusammensetzung bestehen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Aluminium, Silizium, Aluminiumlegierung, Siliziumlegierung und Gemischen derselben.
  25. Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Metallgegenstandes mit den Schritten:

    a) Bereitstellen einer Behandlungszusammensetzung, die ein Gas und Teilchen enthält, wobei die Teilchen einen Kern aus einem ersten Material und eine Beschichtung aus einem zweiten Material haben, wobei das erste Material ein Metallhalogenid ist und das zweite Material ein Metall oder eine Legierung desselben ist;

    b) Sprühen der Behandlungszusammensetzung auf eine Oberfläche eines Metallgegenstandes mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, wodurch das zweite Material an der Oberfläche anhaftet und eine Beschichtung aus dem ersten Material auf der Oberfläche bildet.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei das zweite Material ein Plattiermetall ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Al, Cu, Zn, Mg, Mn, Ni, In, Li und Fe.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung ausreichend hoch ist, um eine Schicht aus dem Plattiermetall in der Oberfläche des Metallgegenstandes zu bilden.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Geschwindigkeit der Behandlungszusammensetzung über ungefähr 400 m/sec liegt.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Metallgegenstand aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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