Fluoraluminat - Flussmittel beim Aluminiumhartlöten

Einleitung 

Die breite Anwendung von Fluor (Ätzgas, Schwefelhexafluorid Produktion, Kunststoffveredelung) und Fluoriden (Schmelzhilfsmittel, Poliermittel, Schleifmittel, Ätzmittel) im Bereich der anorganischen Chemie wird durch die Anwendung von Kaliumfluoroaluminaten beim Löten von Aluminiumteilen nicht unwesentlich ergänzt. Seit den späten 1970er Jahren werden Kaliumfluoroaluminate (K1-3AlF4-6) als Schlüsselchemikalien in einer Technologie namens Controlled Atmosphere Brazing (CAB) verwendet, d.h. Hartlöten unter Schutzgasatmosphäre. Dieser Prozess wird für die Herstellung von Aluminiumwärmetauschern in der Automobil-, Kühlgeräte- und Klimatisierungsindustrie verwendet. Die Fluoraluminate dienen als Flussmittel zur Entfernung von Metalloxiden und zur Vorbehandlung der Substratoberflächen für den Lotfluss und zum Fügen.

Dieser Überblick skizziert die Grundlagen und die Chemie des Aluminiumhartlötens mit Fluoroaluminaten.

Flussmittelzusammensetzung

Flussmittel für das Aluminiumhartlöten sind anorganische Fluoride, die vor allem aus Kaliumfluoroaluminaten mit der allgemeinen Formel K1-3AlF4-6 bestehen. Flussmittel dieses Typs gelten als nicht-korrosiv, weil sie nicht-hygroskopisch sind. Sie reagieren weder im festen noch im geschmolzenen Zustand mit Aluminium und bleiben bei den meisten Standard-Wärmetauscheranwendungen auf den Oberflächen der gelöteten Komponenten als dünner, fest haftender und inerter Rückstand zurück.

Kaliumfluoroaluminat Flussmittel aus industrieller Herstellung sind typischerweise eine Mischung aus KAlF4 und K2AlF5, wobei das K2AlF5 auch als Hydrat vorliegen kann. Beim Löten durchläuft das Material wesentliche physikalisch-chemische Veränderungen. Während der Hauptbestandteil, KAlF4, schlicht erhitzt wird, beginnt die Verbindung K2AlF5 · H2O, ab 90°C ihr Kristallwasser zu verlieren. Wird die Temperatur weiter bis in den Bereich zwischen 90° und 150°C bzw. 290°C und 330°C erhöht, bilden sich zwei verschiedene kristallografische Modifikationen von K2AlF5 [1]. Wird die Temperatur weiter bis auf 490°C erhöht, beginnt das K2AlF5 zu dissoziieren:

                                                                      2 K2AlF5 → KAlF4 + K3AlF6 (1)

Die genau erforderliche Menge an K3AlF6 für die Bildung einer eutektischen Flussmittelzusammensetzung (KF/AlF3-Phasendiagramm) ergibt sich aus dem ursprünglichen Gehalt an K2AlF5. Es ist das Verhältnis zwischen der Gesamtmenge KAlF4 (aus der Produktion + aus der Dissoziation von K2AlF5) und K3AlF6.

Tatsächlich bestimmt der Hersteller des Flussmittels das Verhältnis von KAlF4 zu K3AlF6 auf Basis des eutektischen AlF3 - KF Phasendiagramms (s. unten), das zuerst im Jahre 1932 [2] aufgestellt und dann im Jahre 1966 [3] weiter erforscht und verfeinert wurde.

Abbildung 1: Schmelzphasendiagramm für das System Kaliumfluorid (KF) - Aluminiumfluorid (AlF3)

Um wirksam zu sein, muss ein Kaliumfluoroaluminat-Flussmittel mehr als nur die reinen Phasen enthalten, und diese Phasen müssen in einem sehr präzisen Verhältnis zueinander stehen. Darüber hinaus muss es die Bedingungen für die Bildung eines Eutektikums erfüllen, welches dann den Schmelzpunkt bestimmt.

Die Wirkung eines Flussmittels wird charakterisiert durch eine Kombination von Faktoren, wie z.B. das Aufschmelzen und seine Ausbreitung, die Bildung einer Kehlnaht und das Ausfüllen von Spalten (d.h. die Bildung einer Fügestelle). Yamaguchi et al. haben gezeigt, dass die puren Flussmittelphasen, also reines KAlF4 oder reines K2AlF5, zur Optimierung dieser Flussmitteleigenschaften nicht die wirksamsten sind [4]. Vielmehr konnten sie zeigen, dass das Flussmittel hoch wirksam ist, wenn eine Kombination aus KAlF4 und K2AlF5 verwendet wird.

Abbildung 2: Kaliumfluoroaluminate als Flussmittel - Transformationen beim Aufheizen

Bei der Löttemperatur (gewöhnlich 600°C ± 10°C) ist davon auszugehen, dass eine Mischung aus KAlF4 und K3AlF6 vorliegt.

Derzeitiger Stand der Aluminiumlöttechnik

Die Technologie bietet die Vorteile eines Flussmittels für die erfolgreiche Entfernung der Oxidschicht bei Normaldruck, während sie die Nachteile einer Nachbehandlung nach dem Löten sowie die Korrosionsanfälligkeit vermeidet. Als Flussmittel werden nicht-hygroskopische und nicht-korrosive Kaliumfluoroaluminate verwendet [5].

Das Verfahren bei den meisten Lötoperationen umfasst die folgenden Schritte:

 - Bauteilformung und Zusammenbau

 - Reinigung und Flussmittelauftrag

 - Löten

Der Ablauf des Verfahrens beim Löten ist abhängig von:

 - Der Konstruktion des Wärmetauschers

 - Der verwendeten Reinigungsmethode

 - Der Methode des Flussmittelauftrags als wässrige Suspension oder elektrosta-tisch als Pulver

Eine weitere Grundvoraussetzung für zuverlässige Lötergebnisse ist eine einheitliche Flussmittelbenetzung aller an der Fügung beteiligten Oberflächen. Bei dieser Aufgabe stehen im Zentrum die Reinigung und der Flussmittelauftrag.

Von ähnlicher Bedeutung sind die Ofenbedingungen, d.h. das Temperaturprofil, die Einheitlichkeit der Temperatur und inerte Atmosphärenbedingungen.

Literatur

[1] Wallis B., Bentrup U., Z. anorg. allg. Chem. 589, 1990, 221-227

[2] Fedotiev P., Timofeff K., Z. anorg. allg. Chem. 206, 1932, 263-266

[3] Phillips B., Warshaw C. M., Mockrin I., Journal of the American Ceramic Society, 1966, V.49 No. 12, 631-634

[4] Yamaguchi M., Kawase H., Koyama H. Furukawa Review No. 12, 1993, 145-149

[5] Field, D. J. und Steward, N. I.: Mechanistic Aspects of the NOCOLOK® Flux Brazing Process, SAE Paper # 870186, Warrendale, PA

Fluor - ein kurzer Steckbrief

Fluor (F, Ordnungszahl 9) ist ein Halogen, ein Salzbildner. Das Gas ist das reaktivste aller Elemente und weist in Verbindung mit anderen Elementen stets die Oxidationsstufe -1 auf. Schon früh wurde in der Metallurgie das Mineral Fluorit (Flussspat, CaF2, Calciumfluorid) als Flussmittel zur Herabsetzung des Schmelzpunktes von Erzen genutzt. Georgius Agricola beschrieb diesen Effekt erstmals 1556. Die nähere Beschäftigung mit Flussspat führte zur Entdeckung eines Leuchteffektes, der Fluoreszenz genannt wurde. Wegen seiner Reaktivität und Giftigkeit gelang es erst 1886, elementares Fluor herzustellen und zu charakterisieren, und zwar von keinem Geringeren als Henri Moissan, der u.a. dafür im Jahr 1906 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde.