一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金的製作方法

2023-06-12 18:38:16 4

專利名稱：一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金的製作方法
技術領域：
本發明屬於電器製造領域，涉及電器元器件焊接表面搪錫所使用的錫基合金，具 體地說是一種Sn-CU基高溫抗氧化型無鉛搪錫合金。
背景技術：
金屬表面的熱搪錫是一種古老而實用的技術，它是將被搪錫的金屬零件，經過表 面機械或化學處理除去表面氧化膜後，浸入高溫液態錫基合金中，通過液態錫與金屬表面 的界面冶金反應在待搪錫的零件表面形成一層液態金屬膜，然後將其取出，除去表面多餘 的液態金屬，凝固後在金屬零件表面形成一層熱鍍錫膜，供進一步進行金屬軟釺焊使用。金 屬表面的熱搪錫技術廣泛應用於電器或電子元件的製造業，涉及的被鍍金屬包括並不限於 銅及銅合金、碳鋼及不鏽鋼、鋁及鋁合金等。傳統的熱搪錫合金主要是錫-鉛二元合金，尤其是錫-鉛共晶合金 (Sn63% _Pb37% )，其熔點僅為183°C，合金的原料成本低，高溫下液態合金流動性高，搪錫 層的可釺焊性好，因而被工業界廣泛使用。然而，由於鉛是一種有毒的重金屬，當大量舊電 器被廢棄和掩埋後，錫鉛合金中有毒的鉛元素會逐漸被自然界中的水溶液腐蝕和溶解，通 過自然界的地下水及生物鏈循環，逐漸進入人的食物鏈，人體吸收低劑量的Pb即可引起鉛 中毒症狀，尤其是鉛對人的神經系統十分有害。為了抑制這種鉛汙染的後果，世界各國已相 繼出臺了一些相關的法令和規定，限制或禁止在電子或電器製造工業中使用鉛。在此背景 下，人們已進行了大量的研究工作，發展新一代的無鉛合金，替代原有的錫鉛焊料。目前，在無鉛焊料領域Sn-Cu合金是替代錫鉛合金最主要的無鉛焊料之一，其中 Sn-0. 7Cu共晶合金，其熔點為227°C，由於它不含有貴金屬Ag，其原料成本相對較低，因此 在波峰焊領域已獲得了廣泛的應用。同時，Sn-Cu合金也是目前用於高溫搪錫的主要候選 無鉛合金，其中Cu的主要作用是在高溫搪錫時，減少Cu基體向液態Sn中的溶解速度。根 據Sn-Cu 二元合金相圖，液態Sn中銅的飽和溶解度隨溫度的升高而提高，當溫度達到400°C 時，液相線銅含量可達4%左右，而Sn-Cu共晶點227°C，液態中的Cu含量為0. 7%。採用Su-Cu無鉛合金進行搪錫作業時，存在的主要問題是液態合金的強烈的高溫 氧化行為。與Sn-Pb合金相比，Sn-Cu合金需要的搪錫溫度必須大幅度提高，其主要原因 有下列兩點第一，Sn-Cu合金的熔點比Su-Pb合金高得多，即使Sn-Cu共晶合金，熔點為 227°C,比Sn-Pb共晶溫度183°C高出44°C ；第二，由於合金中Cu的存在，當熔體的溫度低 於液相線時，熔體中有一部分過飽和的銅呈固體Cu6Sn5化合物粒子存在，其大幅提高了液 態合金的粘度。後者使搪錫作業中基體表面的搪錫層過厚，導致提高了單位搪錫面積的錫 耗，大幅提高了生產成本。因此，搪錫作業中必須提高溫度，使固體Cu6Sn5K合物粒子充分 溶解，以降低合金熔體的粘度。與錫-鉛合金相比，由於合金中高含量的Sn，以及合金中Cu 的存在，兩者均使合金熔體在大氣下的氧化傾向增大。因此，在溫度提高和合金氧化傾向增 加的雙重因素作用下，Sn-Cu無鉛合金在大氣下的表面氧化速度大大加快。在快速氧化的 情況下，熔體表面形成一層浮渣，將嚴重阻礙液態金屬對被搪基材表面的潤溼和粘附，因此必須定時地進行人工除渣，由此不但使搪錫作業工藝難度加大，而且造成了大量的錫損，並 使搪錫工藝的生產成本大幅度提高。因此，減少搪錫合金的表面氧化是無鉛搪錫工藝中迫 切要解決的關鍵技術問題之一。

發明內容
為了克服無鉛搪錫技術中液態合金高溫氧化問題，本發明提供一種抗高溫氧化的 無鉛搪錫合金，主要通過在合金中添加微量的第三組元成份，提高液態合金表面的抗氧化 能力，從而減少搪錫工藝中的氧化渣量，降低錫耗，達到減少生產成本的目的。本發明的技 術方案是一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，以Sn-Cu合金為基本組成，添加一種或一組第 三組元作為微量添加劑，其合金的重量百分比組成為Cu0. 1-5. 0% (優選範圍為 0. 7-4. 0% )；第三組元0. 001-0. 05% (優選範圍為 0. 005-0· 02% )；Sn及其不可避免的雜質 餘量。本發明中所述的第三組元指Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge, Al，Ga, Zr中的一種或兩種 以上組合，在幾種組合的情況下，其總量不超過其成份規定的濃度範圍。本發明提供的高溫抗氧化型無鉛搪錫合金可以選擇一種普通的熔煉技術，使之進 行合金化，將配製的各種合金元素加入熔化的Sn中，並使之均勻化，凝固後即可獲得合金產品。本發明中，第三組元元素的主要作用是當合金處於熔融狀態時，提高合金表面的 抗氧化能力，但合金的其它物理性能(如熔點、密度、熱膨脹率等)影響不大，因此是現有 Sn-Cu合金一種理想的升級產品。本發明的原理如下本發明通過對Sn基合金表面氧化膜組成的研究發現，液態Sn表面的氧化膜組成 主要是Sn的氧化物，如SnO2和Sn3O4等，這種氧化膜覆蓋液態表面後對進一步防止液態金 屬氧化作用不大。本發明在合金添加微量第三組元合金，當合金熔化後，由於熱力學的原 因，這些第三組元將偏析於合金熔體表面，改變表面氧化膜的成份與結構，通過這種機制在 熔體表面形成一層保護性的氧化膜，達到提高合金高溫氧化抗力的目的。本發明中，第三組元含量的添加原則是在提高合金表面抗氧化性能的條件下，第 三組元以最小添加量進行添加。換言之，當第三組元合金添加過少時，不能形成連續性的保 護性氧化膜，合金的抗氧化性能沒有提高，而第三組元添加量過多時，合金的一些基本性能 (如熔點、粘度、潤溼性等)均會發生一些不確定的變化，後者可能會影響合金的基本焊接 性能。與現有技術相比，本發明提供的合金與現有的Sn-Cu搪錫工藝相容性匹配較好，因此 易於獲得推廣使用。本發明的優點如下本發明合金不含有重金屬鉛，同時由於第三組元的加入，液態 合金可以在280-400°C範圍有較好的抗高溫氧化的能力，氧化渣較少，因此可提高產品質 量，降低搪錫工藝中的錫耗，節省生產成本。本發明可廣泛的應用於Cu或銅合金、普通碳鋼 或不鏽鋼，以及鋁或鋁合金的表面無鉛搪錫工藝。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步詳述本發明，但本發明不局限於下述具體合金成份。實施例1配製Cu4.0%，AgO. 01%, GaO. 01%, SbO. 01%, SiO. 01%，其餘為 Sn 的 Sn-Cu 合 金，選擇一種普通的熔煉技術將Sn熔化，然後加入已按重量百分比稱好的合金元素加入到 熔融的Sn中，使之溶解並攪拌均勻，最後鑄錠備用。取該合金置於一敞口坩堝中，用馬弗爐加熱熔化，並升溫至40(TC，保溫20分鐘， 然後用鋼片將表面初始氧化渣輕輕刮去露出面表銀白色金屬熔體，並繼續在大氣下氧化1 小時，金屬熔體表面仍然呈銀白色光澤，說明合金在此溫度下，抗氧化性能優良。實施例2配製CuO. 7 %，GeO. 005 %，其餘為Sn的Sn-Cu合金，採用實施例1的方法進行試 驗，氧化溫度為280°C，氧化1小時後，液面仍然保持銀亮色，說明合金抗氧化性能優良。實施例3配製CuO. 1 %，TiO. 001%, P0. 01%, NiO. 001%,其餘為 Sn 的合金，按照實施例 1 的方法進行試驗，氧化溫度為300°C，大氣下氧化1小時，熔體液面仍然保持銀亮色，說明抗 氧化能力優良。實施例4配製Cu3%，A10. 001%, SiO. 005%, GeO. 005%, ZrO. 001%，其餘為 Sn 的合金，按 照實施例1的方法進行試驗，氧化溫度為350°C，大氣下氧化1小時熔體液面仍然保持銀亮 色，說明該合金抗氧化能力優良。對比例1配製Cu4%，其餘為Sn的Sn-Cu合金，按實施例1的方法進行試驗，大氣下氧化2 分鐘後，即形成一層可見的表面氧化膜，失去金屬光澤，說明該合金大氣下的抗氧化能力很 低。對比例2配製CuO. 1%，GeO. 0005%，其餘為Sn的合金(低於本發明的濃度下限)，採用實 施例1的方法進行試驗，氧化溫度為300°C，大氣下氧化約3分鐘後，表面即形成一層可見的 氧化膜，說明合金的抗氧化能力較低。
權利要求
一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特徵是，在Sn Cu 元合金的基礎上，添加微量的第三組元；無鉛搪錫合金的重量百分組成為Cu 0.1 5.0％；第三組元 0.001 0.05％；Sn及不可避免的雜質 餘量；其中，第三組元指Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge，Al，Ga，Zr中的一種或兩種以上元素之複合。
2.按權利要求1所述的抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特徵是，Cu含量的優選範圍為 0. 7-4. O0丄
3.按權利要求1所述的抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特徵是，第三組元含量的優選 範圍為 0. 005-0. 02%。
全文摘要
本發明屬於電器製造領域，涉及電器元器件焊接表面搪錫所使用的錫基合金，具體地說是一種Sn-Cu基高溫抗氧化型無鉛搪錫合金，其合金的組成為Cu0.1-5.0％，第三組元(Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge，Al，Ga，Zr中的一種或幾種複合)含量為0.001-0.05％，其餘為Sn及不可避免的雜質(以上均按重量百分比)。與普通錫合金相比，本發明合金不含有重金屬鉛，同時由於第三組元的加入，液態合金可以在280-400℃範圍有較好的抗高溫氧化的能力，可廣泛的應用於Cu或銅合金、普通碳鋼或不鏽鋼，以及鋁或鋁合金的表面無鉛搪錫工藝。
文檔編號B23K1/20GK101988165SQ200910012840
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月31日 優先權日2009年7月31日
發明者冼愛平 申請人:中國科學院金屬研究所