Flux per brasatura

L'alluminio e le sue leghe sono stati ampiamente utilizzati nel settore automobilistico, industrie aerospaziali e delle costruzioni, per via della loro bassa densità e elevato rapporto resistenza / peso. La brasatura è un metodo di giunzione efficiente ed economico per le leghe di alluminio, inoltre può essere utilizzata anche per giuntare materiali dissimili (compresi i metalli per la ceramica), che non possono essere uniti tramite i tradizionali processi di saldatura a causa di incompatibilità metallurgiche tra molti materiali [1].

In atmosfera normale, qualsiasi superficie esposta di una lega di alluminio è sempre coperta da un film di ossido continuo e denso, che è chimicamente stabile e soggetto a riprodursi se una superficie è esposta all'aria. Per ottenere un forte legame con una lega di alluminio, è necessario che la sua superficie sia priva di ossido [1].

Durante tutto il processo diventa, quindi, necessario rimuovere tali ossidi e impurezze presenti sulle superfici da giuntare, e che queste siano accuratamente protette da una ricontaminazione ma, soprattutto, dalla riossidazione, problema importante nella brasatura in quanto il riscaldamento di una superficie metallica accelera l’ossidazione della superficie. Di conseguenza ad ogni lega brasante, a seguito della pulizia delle superfici da giuntare, può essere abbinato un mezzo protettivo efficace e di facile impiego.

Questo mezzo è il flux, un composto chimico costituito da complesse miscele di sali alcalini, che in commercio si può trovare sotto forma di polveri, paste, liquidi e bacchette rivestite. Se ne riporta un esempio in Figura 1.18. Questi prodotti devono essere depositati sulla superficie dei pezzi da giuntare prima dell’assemblaggio e del riscaldamento:

i flux, sottoposti a somministrazione di

calore, diventano attivi e, in tal modo, rimuovono chimicamente gli ossidi presenti sulla superficie;

essi, inoltre, ne prevengono la formazione di nuovi, grazie alla loro funzione di protezione del metallo

Figura 1.18: Tipologie di flux [15]

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dal contatto con l’ossigeno atmosferico. È necessario, infatti, che già in fase di progetto venga previsto lo spazio sia per la lega brasante che per il flux, il quale è essenziale nella brasatura delle leghe di alluminio [1].

Raggiunta la temperatura di brasatura, la lega brasante fusa scorre sulla superficie del substrato ed espelle il flux dal giunto che, a raffreddamento completato, dovrà essere rimosso con mezzi meccanici o chimici, al fine di evitare eventuali fenomeni corrosivi.

Oltre ad impedire la formazione di ossido superficiale durante tutto il processo di brasatura, esso è utile a rendere la superficie più ruvida e a diminuire la tensione superficiale della lega brasante aumentandone, quindi, lo scorrimento e la bagnabilità (tale concetto verrà ampiamente spiegato successivamente). [15]

Tra le proprietà importanti che i flux devono possedere, si possono menzionare le seguenti:

• Attività chimica: al fine di realizzare una buona giuntura, come affermato in precedenza, i prodotti formatisi per via dell’interazione tra le superfici dei metalli e l’atmosfera devono essere eliminati. Questi film sottili vengono rimossi tramite una reazione chimica: essi vengono fatti reagire chimicamente di modo che i composti derivanti dalla reazione siano solubili nel flux. Tale reazione può avvenire in modalità differenti, tra cui: la realizzazione di un terzo composto derivante dalla reazione tra il flux e l’ossido, solubile nel flux stesso o nel suo veicolo, oppure si può ottenere una reazione in cui l’ossido viene ridotto alla sua forma originale.

• Stabilità termica: il flux, durante il processo, deve provvedere alla formazione di un rivestimento protettivo sulla superficie (dapprima ripulita sia da ossidi che da contaminazioni di vario genere), e deve essere in grado di tollerare temperature elevate senza che si verifichino fenomeni di evaporazione.

• Tempi: nel mondo dell’industria, al fine di rimanere competitivi sul mercato, i tempi per svolgere i processi tecnologici devono essere ottimizzati il più possibile, per cui il flux deve svolgere la propria funzione in maniera rapida, tale da contribuire alla produzione del massimo numero di giunzioni nell’unità di tempo.

• Temperature di funzionamento: la caratteristica più importante per un flux è il suo range di temperature di funzionamento; l’estremo inferiore rappresenta quella alla quale diventa attivo, mente l’estremo superiore quella a cui diventa esausto, non svolgendo più la sua importante funzione protettiva e disossidante. Per tale ragione, di norma, si sceglie un flux la cui temperatura più bassa sia di almeno 50°C inferiore alla temperatura del solidus della lega d’apporto che si adopera, e la più alta sia di almeno 50°C superiore alla temperatura del liquidus della stessa.

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Esistono diverse tipologie di flux, con differenti composizioni chimiche, range di temperature e proprietà, i quali possono essere adoperati con varie leghe. Si possono distinguere, in linea generale, le seguenti famiglie:

• Flux per le leghe di argento;

• Flux per le leghe di argento ad alta temperatura di lavoro;

• Flux per le leghe di argento ad alta temperatura e lunga vita;

• Flux ad alta temperatura per leghe a basso argento e per gli ottoni;

• Flux per alluminio;

• Flux per leghe dolci. [16]

Esistono casi in cui non è necessario l’utilizzo del flux, come ad esempio dell’utilizzo di rame-fosforo e rame-fosforo e argento come brasanti, in quanto è il fosforo stesso a svolgere l’azione di flux. Altri casi sono, ad esempio, la brasatura in atmosfera controllata, come l'idrogeno, l'azoto o l'ammoniaca dissociata, che escludono l’ossigeno e impediscono la riossidazione; tuttavia, anche in tali condizioni, l’utilizzo di una piccola quantità di flux migliora l’azione bagnante della lega brasante.

I flux a base di cloruri sono stati ampiamente utilizzati nella brasatura della lega di alluminio per via dei loro bassi punti di fusione e la facile applicazione alle varietà di leghe di alluminio [1].

È stato studiato il ruolo di ciascun composto costituente i flux a base di cloruri su superfici di alluminio puro durante la brasatura. È stato proposto che il film di allumina superficiale causi crepe durante il processo di riscaldamento a causa delle differenze di coefficienti di dilatazione termica tra l'Al e il suo film di ossido. Di conseguenza, il flux fuso permea attraverso le crepe e reagisce chimicamente con il substrato di Al, distruggendo il legame tra film di ossido e substrato di Al. Infine, il flux fuso spinge via e rimuove l’ossido [1].

Altri studi sostengono che l’aggiunta di un catalizzatore come ZnCl2 o ZrF4 al flux CsF-AlF3 può rimuovere efficacemente il film di ossido sulla superficie delle leghe di Al serie 5000. [1].

Inoltre, i flux commerciali a base di cloro contengono molti componenti, come miscele di sali fusi e fluoruri di metalli alcalini. Il ruolo di ciascun componente durante il trattamento non è molto chiaro ad oggi, e alcuni di essi devono essere rimossi / sostituiti a causa di problemi di tossicità e corrosione.

Pertanto, vi è una necessità di comprendere chiaramente il ruolo di ciascun costituente durante il trattamento, per sviluppare flux più efficaci e più rispettosi dell'ambiente per le applicazioni di brasatura [1].

Per quanto riguarda la rimozione del film di ossido sulle leghe della serie 5000, uno studio ha analizzato la struttura del film di ossido della lega di alluminio 5052 e il meccanismo di rimozione di esso tramite un flux CsF–AlF3. La caratterizzazione del film di ossido ha mostrato che, durante il

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processo di brasatura, il magnesio attivato termicamente si separa dall’interno della lega e viene arricchito e ossidato. Quindi, la superficie esterna dell'ossido era costituita da una fase amorfa simile a MgO e l'interno del film di ossido comprendeva principalmente la fase amorfa di tipo MgO e MgAl2O4 distribuita in modo dispersivo e meno ordinata. La fase di tipo MgO era il principale ostacolo alla rimozione dell'ossido nella brasatura. Il flux attivato di ZnCl2, che contiene CsF-AlF3, ha rimosso efficacemente il film di ossido e la lega 5052 Al è stata brasata con successo dal metallo di riempimento Zn-Al. Quando Zn2 + nel flux fuso permeava il film di ossido attraverso le crepe, la sua reazione chimica con il substrato di Al scioglie il film di ossido, che alla fine viene spinto via quando il metallo di apporto si diffonde sulla superficie della lega [37].