Flussmittelfreies Löten lotbeschichteter Aluminiumwerkstoffe in Ammoniumchloriddotierten Prozessgasen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aluminiumkühler, beispielsweise für das Thermomanagement von Verbrennungsmotoren oder für die Heizungs- und Kraftwerkstechnik, sind prominente Beispiele für Aluminiumbauteile, die allein in Deutschland millionenfach mittels Löten in einem Schutzgasofen gefertigt werden. Diesbezügliche Hartlötprozesse funktionieren bislang nur mit ausgewählten Aluminiumwerkstoffen und unter Verwendung spezieller Flussmittel, die den besonderen Anforderungen bezüglich der notwendigen Verarbeitungstemperaturen und Oberflächenaktivierung beim Aluminiumlöten gerecht werden. Mit diesem Projekt wurde zum einen eine Lotbeschichtung entwickelt, die es aufgrund einer niedrigeren Verarbeitungstemperatur erlaubt, auch Aluminiumknetlegierungen verarbeiten zu können, zum anderen wurde aber auch ein Verzicht auf die aufwändige Flussmittelapplikation angestrebt. Erreicht wurde dies durch eine Duplex-Lotbeschichtung aus Zink und einer Aluminium-Silizium-Legierung in Kombination mit der Verwendung von chlorwasserstoffhaltigen Stickstoff als Schutzgas. Die Erzeugung des Chlorwasserstoffs erfolgte hierbei durch Verwendung des toxikologisch und korrosionstechnisch unbedenklichen Ammoniumchlorids, welches über ein thermisches Verfahren eine dosierte Freisetzung von geringen Mengen Chlorwasserstoff in das Prozessgas möglich macht. Der Chlorwasserstoff reagiert im Lötprozess mit der verzinkten Oberfläche unter Freisetzung von benetzungsaktivierenden Zinkchlorid an den zu lötenden Kontaktstellen, und gleichzeitig soll das Zink durch Legieren mit der darunter befindlichen Aluminium-Silizium-Schicht den Schmelzpunkt der Beschichtung senken. Zur Untersuchung dieser Hypothese wurde hierzu eine Laboranlage aufgebaut, mit der sowohl kinetische Messungen zur Reaktion von Chlorwasserstoff mit Zinkschichten vorgenommen als auch Lötprozesse an anwendungsrelevanten Probengeometrien durchgeführt wurden. Hierdurch konnten grundlegende Mechanismen zur Wechselwirkung des Ammoniumchlorids resp. des hieraus freigesetzten Chlorwasserstoffs mit einer galvanisch abgeschiedenen Zinkdeckschicht aufgeklärt und diese für die Eingrenzung geeigneter Prozessparameter beim Löten mit diesem Wirksystem genutzt werden. Wesentliche Erkenntnisse konnten auch hinsichtlich des Aufschmelzverhaltens der heterogenen Duplexlotbeschichtung bestehend aus ca. 15 µm Zink und 40 µm der Legierung AlSi10 (Aluminium mit 10 Ma.-% Siliziumanteil) gewonnen werden. Die Lotbeschichtung legiert innerhalb lötprozesstypischer Aufheiz- und Lötzeiten zu einem homogenen und niedrig schmelzenden Dreistofflot der Zusammensetzung 67% Aluminium, 7,5% Silizium und 25% Zink und lässt sich mit dem Zink als „Schmelztemperatursenker“ somit bereits bei einer Temperatur von ca. 560 °C löttechnisch verarbeiten. Aus dem reaktionskinetischen Modell, hergeleitet mit Hilfe makrokinetischer Untersuchungen, erhält man eine theoretische in-situ Bildungsrate von Zinkchlorid von bis zu 3 µg/(min cm2) bei 200 vpm HCl und 400 °C als den Lotfluss auslösende Komponente. Umgesetzt in experimentelle Lötversuche unter Nachstellung von für einen Schutzgasdurchlaufofenprozess geeigneten Prozessparametern zeigte sich, dass bei ausreichend langer Reaktionszeit für die Zinkchloridbildung, gefolgt von einem Lötprozess bei 560°C bis 570 °C in dann Chlorwasserstoff-freier Atmosphäre sich in-situ das ternäre AlSiZn-Lot bildet, über das der Fügeprozess erfolgt. Bei dem gesamten Prozess ist dabei auf eine konsequent trockene Prozessgasatmosphäre zu achten.
