CN101120109A - 焊接合金 - Google Patents

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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
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Abstract

一种用于电熔丝生产的焊接合金，该合金包含：0.5～4重量％的铜、0.1～1重量％的银、0.2～3重量％的锑、0～1.5重量％的铋、0～2重量％的锌、0～0.3重量％的镍、0～0.3重量％的钴、0～0.01重量％的磷、0～0.2重量％的铟、0～0.1重量％的锗和余量的锡，以及不可避免的杂质，前提是如果银含量为0.5重量％或更少，则铜含量不低于0.9重量％和/或铋含量不低于0.1重量％。

Description

焊接合金
本发明涉及合金，尤其是无铅焊接合金。该合金尤其但不排它地适合用于电熔丝制造。
电熔丝以许多形式被提供，包括电流流过细焊丝的类型。如果超过阈值电流，则焊丝熔化并且熔丝失效。熔丝可以是例如铜、镀锡铜、镀银铜或其它合适的合金，所述熔丝通常穿过玻璃或陶瓷管。端帽(例如覆镍黄铜帽)被安装在管端上以形成末端。
在每个帽的底部，可以提供熔化的包芯焊丝塞，其具有密封管和为熔丝提供焊接点的双重作用。常规的焊料组合物的一个例子是包含35～50重量％锡的锡～铅合金。该合金在大约183℃的温度下开始熔化，但是直到达到更高的温度(大约230℃)才完全熔化。在这两个极限值之间的中间温度时，焊料是“糊状的”，因此是相对稳定的。这个性能对例如熔丝生产的加工方法是重要的，在熔丝生产中焊接点可能必须与倒置的帽一同制造，以便流动的焊料可以在重力下流动。作为替代方案，如果将帽和管压在一起使得存在突然的移动，那么流动的焊料会溅到焊丝或管件上。
由于环境的原因，对用无铅合金替代含铅的常规合金的需求逐渐增多。许多无铅合金是富锡的，并且少量添加如铜、银、铋、铟、锑和锌元素。无铅合金已被开发用于电子工业，虽然这些合金一般不表现出显著的“糊状”范围，但是上述的“糊状”范围对于用于电熔丝生产的合金来说是重要的特性。已经证明开发适用于要求更苛刻的熔丝生产过程的合金组合物是很困难的。
本发明旨在解决至少一些与现有技术相关的问题。因此，本发明提供一种用于生产电熔丝的焊接合金，该合金包含：
铜-0.5～4重量％
银-0.1～1重量％
锑-0.2～3重量％
铋-0～1.5重量％
锌-0～2重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.1重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质，前提是如果银含量是0.5重量％或更少，则铜的含量不低于0.9重量％或更多，和/或铋的含量不低于0.1重量％。
现在将进一步描述本发明。在下面的段落中将更详细地限定本发明的不同方面。所限定的每个方面可以与任意其它的一个或多个方面组合，除非有清楚的相反指示。特别地，指出作为优选或有利的任何特征可以与指出作为优选或有利的任意其它的一个或多个特征组合。
优选地，铜含量是1.5～4重量％，更优选1.5～3重量％，还更优选1.7～2.3重量％，还更优选1.8～2.2重量％。
在第一优选方面中，所述合金包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.2～0.6重量％
锑-0.5～2重量％
铋-0.1～1.3重量％
锌-0～1重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
锌含量优选至多1重量％，更优选至多0.5重量％。
在这个方面中，更优选所述合金包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.3～0.5重量％
锑-0.7～1.5重量％
铋-0.2～1重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，还更优选所述合金包含：
铜-约2重量％
银-约0.4重量％
锑-约1重量％
铋-约0.3重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在第二优选方面中，所述合金包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.2～0.6重量％
锑-0.5～2重量％
铋-0～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，更优选所述合金包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.3～0.5重量％
锑-0.7～1.5重量％
铋-0～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
如果存在，则铋含量典型地是0.1～1重量％。铋含量优选不超过大约0.3重量％，更优选铋含量不超过大约0.2重量％。
在这个方面中，还优选所述合金包含：
铜-约2重量％
银-约0.4重量％
锑-约1重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在第三优选的方面中，所述合金包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.3～1重量％
锑-0.3～1重量％
铋-0.1～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，更优选所述合金包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.6～0.8重量％
锑-0.4～0.6重量％
铋-0.2～0.4重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，还优选所述合金包含：
铜-约2重量％
银-约0.7重量％
锑-约0.5重量％
铋-约0.3重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在第四优选方面中，所述合金包含：
铜-0.5～2.5重量％
银-0.3～0.7重量％
锑-0.2～0.5重量％
铋-0.1～0.4重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，更优选所述合金包含：
铜-0.7～1.3重量％
银-0.4～0.6重量％
锑-0.2～0.5重量％
铋-0.1～0.3重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
在这个方面中，还优选所述合金包含：
铜-约1重量％
银-约0.5重量％
锑-约0.2重量％
铋-约0.2重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
根据本发明的合金是无铅的或基本无铅的。这些合金比用于电熔丝生产的常规合金具有环境优势。
根据本发明的合金适用于电熔丝的生产。具体而言，所述合金有利地用于(i)将端帽密封/连接到电熔丝管，和/或(ii)在端帽和熔丝之间提供焊接点。特别地，根据本发明的合金在合金完全熔化的温度和合金完全固化的温度之间的足够宽的温度范围内具有“糊状的”或“粘滞的”特性。达到这种状态的精确物理特征并不完全了解，但是相信在操作系统中的成功取决于具有足够的工作范围的合金，在所述工作范围中一些液体和固体平衡存在，并且粘度和表面张力的特征在于在操作温度下限制合金的流动。根据本发明的基于锡的合金通常在高于约200℃、更通常在高于约210℃的温度下开始熔化。液相线温度主要取决于铜含量，其通常高于约260℃，并且甚至可以达到约300℃。这能够实现帽和熔丝之间的连接和使帽与熔体密封的同步过程，而没有多余金属沿管的内侧或外侧流出帽。
虽然不希望受到理论的束缚，但是相信合金化元素Cu、Sb、Ni(任选的)、Co(任选的)、Zn(任选的)和Bi(任选的)可以产生形成金属间化合物的效果。相信金属间化合物的存在对合金尤其是与“糊状”范围有关的合金的流动性能具有积极的作用。
虽然不希望受到理论的束缚，但是相信合金化元素Ag、Bi(任选的)和Zn(任选的)具有加宽液相线和固相线之间的温度差和增加正好在固相线之上的残留液相作用。相信对与“糊状”范围有关的合金的机械性能具有积极作用。Ag和Bi比Zn优选，这是因为Zn的缺点在于在熔丝在帽上的第一熔化期间Zn降低焊料的铺展以致于不能实现帽的完全覆盖。它还使拉丝稍有困难。
如果在合金中存在，则铋含量优选0.1～1重量％，更优选0.1～0.5重量％。如果在合金中存在，则锌含量优选0.1～2重量％，更优选0.1～1重量％。如果在合金中存在，则镍含量优选0.1～0.3重量％，更优选0.1～0.2重量％。如果在合金中存在，则钴含量优选0.1～0.3重量％，更优选0.1～0.2重量％。如果在合金中存在，则磷含量优选0.002～0.01重量％。如果在合金中存在，则铟含量优选0.02～0.2重量％，更优选0.02～0.1重量％。如果在合金中存在，则锗含量优选0.005～0.1重量％。
根据本发明的合金将通常以引入助熔剂的焊丝、优选包芯焊丝的形式提供。所述焊丝优选通过挤出和拉丝的常规技术制造。因此，根据本发明的合金具有与挤出和拉丝方法兼容的机械性能。
铋在根据本发明的合金中的含量可以为至多1.5重量％，例如0.5～1.5重量％。然而，如果铋的含量过高，则合金可能变得难于拉丝。因此铋的含量优选不超过0.5重量％，更优选铋的含量不超过0.3重量％，还更优选铋的含量不超过0.2重量％。
如果铜的含量太高，则合金可能变得更难于拉丝。铜含量优选为1.5～3重量％，更优选1.7～2.3重量％，还更优选1.8～2.2重量％。铟的含量可以为至多0.2重量％，但是优选不超过0.1重量％。铟的存在可对合金的润湿性有益。银也改善润湿性。
镍和/或钴的含量可以为至多0.3重量％。已经发现镍和/或钴的存在对根据本发明的合金的“糊状”特性具有有益的作用。此外，还已经发现镍和/或钴降低焊接合金在通常用于电熔丝的铜和铜合金焊丝上的侵蚀速率。
相信锑与锡和所述合金的一些其它组分形成金属间化合物，并且已经发现其对合金的流动性具有有益的作用，即在加工温度操作区域内降低流动性。
磷和/或锗，如果存在，起到减少在熔化的焊料表面上产生渣滓的作用。这在加工过程中是有益的。
根据本发明的合金还可以以球或由条或焊料切割或压制的预成型体的形式提供。这些可以只是合金或是根据焊接工艺需要涂覆合适的助熔剂的合金。所述合金也可以以混合助熔剂的粉末形式提供来生产焊料膏。
本发明进一步提供以下形式的如本文所述的合金：棒、棍、锭，任选与助熔剂一起、实心或助熔剂包芯的焊丝、箔或条、或粉末或膏(粉末与熔剂混合)、或焊料球或其它预成型的焊料块。
本发明进一步提供焊料浴或焊料槽，其中所述焊料浴包含熔融状态的如本文所述的合金。
本发明进一步提供包含如本文所述的合金的焊点或涂层。
所述合金通常包含至少90重量％的锡，优选94～99.1％的锡，更优选95～99％的锡，还更优选96～98％的锡。因此，本发明进一步提供一种用于电熔丝的生产的合金，该合金包含：
铜-0.5～4重量％
银-0.1～1重量％
锑-0.2～3重量％
铋-0～1.5重量％
锌-0～2重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.1重量％
锡-95～99重量％，
以及不可避免的杂质，前提是如果银含量是0.5重量％或更少，则铜含量不低于0.9重量％或更高，和/或铋含量不低于0.1重量％。
应当理解根据本发明的合金可以包含不可避免的杂质，虽然它们的总量不太可能超过组合物的1重量％。优选地，所述合金包含不可避免的杂质的量不高于组合物的0.5重量％，更优选不高于组合物的0.3重量％。
根据本发明的合金可以基本上由所列举的元素组成。因此，应当理解除了那些必要的元素(即Sn、Cu、Ag和Sb)之外，在组合物中还可以存在其它未具体指出的元素，前提是其存在没有在本质上影响组合物的基本特性。因此，本发明还进一步提供一种用于电熔丝的生产的合金，该合金基本由以下元素组成：
铜-0.5～4重量％
银-0.1～1重量％
锑-0.2～3重量％
铋-0～1.5重量％
锌-0～2重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.1重量％
锡-95～99重量％
以及不可避免的杂质，前提是如果银含量是0.5重量％或更少，则铜含量不低于0.9重量％和/或铋含量不低于0.1重量％。
本发明还提供包含熔丝、熔丝管和至少一个管端帽的电熔丝，其中所述端帽通过如本文所述的焊接合金(和任选的助熔剂)至少部分地连接和/或密封所述管。本发明还提供包含熔丝、熔丝管和至少一个管端帽的电熔丝，其中所述熔丝通过如本文所述的焊接合金(和任选的助熔剂)连接到端帽。
本发明还提供一种制造电熔丝的方法，包括：
(a)提供熔丝、熔丝管和至少一个管端帽，
(b)提供如本文所述的焊接合金，
(c)将焊接合金置于端帽中，
(d)通过使熔丝与端帽中的焊接合金接触而将熔丝连接到端帽，并加热焊接合金，由此在端帽和熔丝之间形成焊接点。该方法可以进一步包括通过将端帽置于管的一端上，加热端帽中的焊接合金和向管和端帽施加压力而至少部分地密封端帽，由此焊接合金(和任选的助熔剂)接触并充满管的末端部分和至少部分地密封管外壁和帽内壁之间的任意空间。
熔丝可以由例如铜或其合金形成。实例包括镀锡铜、镀银铜或其它合适的合金。管通常是可以由例如玻璃或陶瓷形成的圆柱管。端帽可以由任意合适的导电金属或合金形成。实例包括黄铜帽和涂镍黄铜帽。
应当理解根据本发明的合金优选具有足够的润湿特性以使它们能用于所希望的用途。根据本发明的合金还应该具有足够的机械性能以使其可根据需要拉成丝。根据本发明的合金在足够宽的合金完全熔化的温度和合金完全固化的温度之间的温度范围内具有“糊状”和相对稳定的特性。该特征意味着所述合金尤其适用于电熔丝的生产。
以下提供非限制性实施例以进一步说明根据本发明的焊料合金。
实施例
发现以下合金(重量％)在介于合金完全熔化的温度和合金完全固化的温度之间的足够宽的温度范围内表现出“糊状”特性。还可以通过常规技术将这些合金制成包芯焊丝，此外这些合金具有良好的“润湿”特性。
实施例1：97.0Sn-2.0Cu-1.0Sb-1.0Bi-0.4Ag
实施例2：97.0Sn-2.0Cu-1.0Sb-0.4Ag
实施例3：96.5Sn-2.0Cu-0.7Ag-0.SSb-0.3Bi
实施例4：96.78Sn-2.2Cu-0.42Ag-0.4Sb-0.1Bi-0.1Ni
这些合金的特性使它们适合用于将管端帽密封/连接至电熔丝管，以及在端帽和熔丝之间提供焊接点。
将根据以上实施例2的合金浇铸成坯段、与焊料助熔剂(AlphaFryGCl)一起挤出并拉成包芯焊丝。将该焊丝切成适于在焊接帽中形成接合点的小块(大约100mg)。通过将帽置于335℃的加热板上，使焊料块被熔化在帽中。该熔化的焊料覆盖全部或大部分的帽基部。此外，为第二阶段加工剩余了具有足够活性的助熔剂。
根据所用的生产技术，焊接所述帽与包含熔丝的熔断体的方法可以采取一次一个接合点或一次两个接合点。在另一种情况下，该合金具有所需要的流动性缺乏(换句话说，该合金是“糊状的”或“粘滞的”)，以便获得与熔丝的良好结合，而在帽和管被一起推动的压缩阶段没有焊料被挤出帽。
关于实施例4，镍的添加稍微降低了铺展，使得焊料块的第一熔化温度升高至345℃。
实施例5：96.09Sn～2.8Cu～0.6Sb～0.3Ag～0.15Bi～0.06Ni
将根据以上实施例5的合金浇铸成坯段，挤出制成实心焊丝，然后拉成3.0mm直径。该焊丝与“Powerflow助溶剂”一起使用，利用末端加铜装置连接两个28mm的铜管。大直径管中的接合点更加难以与在焊接温度下非常容易流动的合金焊接。该合金表现出具有有益的性能，从而更容易地完成焊接而没有多余的熔化的焊料流出结合点区域。因此，根据本发明的合金不仅仅局限于包括电熔丝生产的应用。
提供以下合金作为对比。
对比实施例1：97.0Sn-3.0Cu
对比实施例2：98.0Sn-2.0Cu
对比实施例3：99.0Sn-0.7Cu-0.3Ag
这些合金中的每一个的特征在于其在熔丝生产过程中太易流动，因而造成焊料流出帽的额外损失。
对比实施例4：Sn-Zn
发现锡-锌合金具有低润湿特性。
对比实施例5：94.4Sn-2Cu-1.0Sb-2.0Bi-0.6Ag
该合金证实难以拉成丝。

Claims (18)

1.一种用于生产电熔丝的合金，该合金包含：
铜-0.5～4重量％
银-0.1～1重量％
锑-0.2～3重量％
铋-0～1.5重量％
锌-0～2重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.1重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质，前提是如果银含量是0.5重量％或更少，则铜含量不低于0.9重量％和/或铋含量不低于0.1重量％。
2.如权利要求1所述的合金，包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.2～0.6重量％
锑-0.5～2重量％
铋-0.1～1.3重量％
锌-0～1重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的合金，包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.3～0.5重量％
锑-0.7～1.5重量％
铋-0.2～1重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
4.如权利要求1所述的合金，包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.2～0.6重量％
锑-0.5～2重量％
铋-0～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
5.如权利要求4所述的合金，包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.3～0.5重量％
锑-0.7～1.5重量％
铋-0～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
6.如权利要求1所述的合金，包含：
铜-1.5～3重量％
银-0.3～1重量％
锑-0.3～1重量％
铋-0.1～0.5重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
7.如权利要求6所述的合金，包含：
铜-1.8～2.2重量％
银-0.6～0.8重量％
锑-0.4～0.6重量％
铋-0.2～0.4重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
8.如权利要求1所述的合金，包含：
铜-0.5～2.5重量％
银-0.3～0.7重量％
锑-0.2～0.5重量％
铋-0.1～0.4重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
9.如权利要求8所述的合金，包含：
铜-0.7～1.3重量％
银-0.4～0.6重量％
锑-0.2～0.5重量％
铋-0.1～0.3重量％
锌-0～0.5重量％
镍-0～0.3重量％
钴-0～0.3重量％
磷-0～0.01重量％
铟-0～0.2重量％
锗-0～0.03重量％
和余量的锡，以及不可避免的杂质。
10.一种电熔丝，包含熔丝、熔丝管和至少一个管端帽，其中所述端帽通过如权利要求1～9中任意一项所限定的焊接合金和任选的助熔剂而至少部分地密封所述管。
11.一种电熔丝，包含熔丝、熔丝管和至少一个管端帽，其中所述熔丝通过如权利要求1～9中任意一项所限定的焊接合金和任选的助熔剂而连接到所述端帽。
12.一种制造电熔丝的方法，该方法包括：
(a)提供熔丝、熔丝管和至少一个管端帽，
(b)提供如权利要求1～9中任意一项所限定的焊接合金和任选的助熔剂，
(c)将所述焊接合金置于所述端帽中，
(d)通过将所述熔丝与所述端帽中的焊接合金接触而将所述熔丝连接到所述端帽并加热所述焊接合金，由此在所述端帽和所述熔丝之间形成焊接点。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述方法包括通过将所述端帽置于所述管的一端上，加热所述端帽中的焊接合金和向所述管和所述端帽施加压力从而至少部分地密封所述端帽，由此所述焊接合金(和任选的助熔剂一起)接触并充满所述管的末端部分以及至少部分地密封所述管的外壁和所述帽的内壁之间的任意空间。
14.一种包芯焊丝，包含如权利要求1～9中任意一项所限定的合金。
15.一种球或条，包含如权利要求1～9中任意一项所限定的合金。
16.如权利要求1～9中任意一项所限定的合金，其具有以下形式：棒、棍、锭、任选和助熔剂一起、实心或包芯焊丝、箔或条，或粉末或膏(粉末与助溶剂混合)、或焊料球或其它预成型的焊料块。
17.一种焊料浴或焊料槽，其中所述焊料浴包含如权利要求1～9中任意一项所限定的熔融状态的合金。
18.一种焊接点或涂层，其包含如权利要求1～9中任意一项所限定的合金。
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