CN104439755A - 一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，该无铅铜基非晶钎焊料的总质量百分比为100％，0.02％≤P≤0.06％、0.02％≤Bi≤0.06％、4.0％≤Sn≤6.8％、13.5％≤Zn≤14.3％、0.15％≤Ce≤0.22％、71％≤Cu≤83％，余量为杂质。该制备方法包括备料和合金冶炼。本发明特加入了Bi元素，同时彻底摈除Cu元素，通过分析了无铅铜基非晶钎焊料的显微组织形貌，测试了无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度、断后伸长率以及维氏硬度，结果表明，添加Bi元素能显著提高无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度和硬度，添加Bi还能促使钎料析出针状或颗粒状富锌相。

Description

一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种钎焊料的制备方法，尤其是涉及一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法。

背景技术

目前，公知的钎焊材料主要分为银基、镍基、铜基三种。银基钎焊料由于含银量高、熔点适中且稳定，具有优异的渗透性和流动性，焊接后有良好的强度、韧性，并且导热和导电性能优异，因此在薄膜、温控、电器装置等接触面小的工件焊接上得到了广泛的应用；并且其钎焊后表面颜色浅，可适用于银饰、眼镜等行业的加工。镍基钎焊料应用于高温合金及不锈钢零部件(如航空零部件、汽车及轮船零部件、炊具、医疗器械等)的焊接。而铜基钎焊料主要用于代替银基钎焊料，应用于精密仪表、电路和元器件、触头、热交换器等的焊接。由于多数导电部件都是由紫铜制备而成，而铜基钎焊料对紫铜有自钎作用，可以达到良好的钎焊性能。

现有铜基钎焊料，由于配方中P元素的存在，导致合金非常的脆，强度与韧性都不高，从而无法制带，而造成了其应用的局限性。

发明内容

本发明为了解决目前铜基钎焊料的室温成型问题、提高钎焊料的性能，改变了传统钎焊配方和生产工艺，而提出一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法。

本发明是这样实现的，一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，该无铅铜基非晶钎焊料包含P元素、Bi元素、Sn元素、Zn元素、Ce元素、Cu元素，该无铅铜基非晶钎焊料的总质量百分比为100％，其中，0.02％≤P≤0.06％、0.02％≤Bi≤0.06％、4.0％≤Sn≤6.8％、13.5％≤Zn≤14.3％、0.15％≤Ce≤0.22％、71％≤Cu≤83％，余量为杂质；该制备方法包括以下步骤：

(1)备料：Cu、Ce、Zn、Sn、Bi、P按重量比备料；

(2)合金冶炼：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的Ce升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

作为上述方案的进一步改进，在合金冶炼的步骤中：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾5分钟；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾10分钟，使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的CU升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

作为上述方案的进一步改进，该无铅铜基非晶钎焊料还包括Ti元素、Zr元素、Hf元素中的至少一种IVB族元素，该至少一种IVB族元素占0.02％～0.06％；该制备方法包括以下步骤：

(1)备料：Cu、Ce、Zn、Sn、Bi、P按重量比备料；

(2)合金冶炼：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的Ce升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦加入准备好的IVB族金属升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑧倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

优选地，在合金冶炼的步骤中：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾5分钟；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾10分钟，使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的CU升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦加入准备好的IVB族金属升温至混合金属全部融化，并沸腾30分钟，使所加入的材料充分融合；

⑧倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

针对现有钎焊料P元素的危害，想彻底根除P元素是不可能的，因此，本发明特加入了Bi元素，Bi元素、P元素分别与其它元素构成(Sn-9Zn0.05Ce)xBi和(Sn-9Zn0.05Ce)xP，同时彻底摈除Cu元素，Cu元素是重金属是可以彻底去除的，通过分析了无铅铜基非晶钎焊料的显微组织形貌，测试了无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度、断后伸长率以及维氏硬度，结果表明，添加Bi元素能显著提高无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度和硬度，添加Bi还能促使钎料析出针状或颗粒状富锌相；另外加入微量的Ti、Zr、Hf这三种IVB族元素的一种或几种组合，在不提高钎焊温度的同时，提高了钎焊强度，保证了钎焊接头的力学性能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的无铅铜基非晶钎焊料包含P元素、Bi元素、Sn元素、Zn元素、Ce元素、Cu元素，该无铅铜基非晶钎焊料的总质量百分比为100％，其中，0.02％≤P≤0.06％、0.02％≤Bi≤0.06％、4.0％≤Sn≤6.8％、13.5％≤Zn≤14.3％、0.15％≤Ce≤0.22％、71％≤Cu≤83％，余量为杂质。针对现有钎焊料P元素的危害，想彻底根除P元素是不可能的，因此，本发明特加入了Bi元素，Bi元素、P元素分别与其它元素构成(Sn-9Zn0.05Ce)xBi和(Sn-9Zn0.05Ce)xP，同时彻底摈除Cu元素，Cu元素是重金属是可以彻底去除的，通过分析了无铅铜基非晶钎焊料的显微组织形貌，测试了无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度、断后伸长率以及维氏硬度，结果表明，添加Bi元素能显著提高无铅铜基非晶钎焊料的抗拉强度和硬度，添加Bi还能促使钎料析出针状或颗粒状富锌相。

该无铅铜基非晶钎焊料还可包括Ti元素、Zr元素、Hf元素中的至少一种IVB族元素。在不提高钎焊温度的同时，提高了钎焊强度，保证了钎焊接头的力学性能。

本发明的无铅铜基非晶钎焊料由铜、硅、锡、镍和稀土元素根据一定比例配比而成，所制钎焊料带材具有较好的表面形成能力，表面光洁度优良，并且厚度非常的薄，一般在0.02-0.03mm。所需的原材料中以铜替代了银，从而大大降低了成本。

在添加IVB族元素，并用特殊工艺冶炼成母合金后，在不提高钎焊温度的同时，大大提高了钎焊强度，保证了钎焊接头的力学性能。同时制备工艺简单，可利用通用设备大量的生产。

本发明的无铅铜基非晶钎焊料的制备方法的具体实施步骤如下。

1、备料：根据材料配方，按各种原料重量比备料。

2、合金冶炼：①先将冶炼炉预热至所需温度；②倒入准备好的锡，升温至全部融化，并沸腾约5分钟；③倒入准备好的铜升温至混合金属全部融化，并沸腾约5分钟，使所加入的材料充分融合；④加入准备好的锌升温至混合金属全部融化，并沸腾约10分钟，使所加入的材料充分融合；⑤加入准备好的铈升温至混合金属全部融化，并沸腾约5分钟，使所加入的材料充分融合；⑥加入准备好的Bi、P混合；⑦倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金。

当然，也可以在倒料之前加入准备好的钛、锆、铪等IVB族元素金属，升温至混合金属全部融化，并沸腾约30分钟，使所加入的材料充分融合。

3、制带：制带具体步骤如下：

1)、将无铅铜基非晶钎焊料母合金投入石英管甩带机，抽真空至1*10^-2Pa以下；

2)、向石英管甩带机的石英管料槽中充入高纯氩气至0.1MPa以上，并再次抽真空至1*10^-2Pa以下；

3)、重复2)步骤2-3次；

4)、开启高频电源，待无铅铜基非晶钎焊料母合金熔化之后，充入高纯氩气，并开始甩带，得到无铅铜基非晶钎焊料。也就是说，在制带之前，将工业级纯度原料按合金配方配料粉碎成小块装，投入采用真空感应冶炼炉(要求真空可抽至1*10^-2Pa以下)中熔炼成无铅铜基非晶钎焊料母合金，浇筑成块。

本发明采用非晶制备技术，保证了合金以及带材的均匀性，浸润性，从而提升了钎焊强度，通过改变铜基钎焊料配方，掺入IVB族元素取代传统配方中的B元素，改进了铜基钎焊料强度与韧性，在不提高钎焊温度的前提下，进一步提升了钎焊强度，保证了钎焊接头的力学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，其特征在于：该无铅铜基非晶钎焊料包含P元素、Bi元素、Sn元素、Zn元素、Ce元素、Cu元素，该无铅铜基非晶钎焊料的总质量百分比为100％，其中，0.02％≤P≤0.06％、0.02％≤Bi≤0.06％、4.0％≤Sn≤6.8％、13.5％≤Zn≤14.3％、0.15％≤Ce≤0.22％、71％≤Cu≤83％，余量为杂质；该制备方法包括以下步骤：

(1)备料：Cu、Ce、Zn、Sn、Bi、P按重量比备料；

(2)合金冶炼：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的Ce升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

2.如权利要求1所述的无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，其特征在于：在合金冶炼的步骤中：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾5分钟；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾10分钟，使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的CU升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

3.如权利要求1所述的无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，其特征在于：该无铅铜基非晶钎焊料还包括Ti元素、Zr元素、Hf元素中的至少一种IVB族元素，该至少一种IVB族元素占0.02％～0.06％；该制备方法包括以下步骤：

(1)备料：Cu、Ce、Zn、Sn、Bi、P按重量比备料；

(2)合金冶炼：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的Ce升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦加入准备好的IVB族金属升温至混合金属全部融化，并沸腾使所加入的材料充分融合；

⑧倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。

4.如权利要求3所述的无铅铜基非晶钎焊料的制备方法，其特征在于：在合金冶炼的步骤中：

①先将冶炼炉预热至所需温度；

②倒入准备好的Sn，升温至全部融化，并沸腾5分钟；

③倒入准备好的Cu升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

④加入准备好的Zn升温至混合金属全部融化，并沸腾10分钟，使所加入的材料充分融合；

⑤加入准备好的CU升温至混合金属全部融化，并沸腾5分钟，使所加入的材料充分融合；

⑥加入准备好的Bi、P混合；

⑦加入准备好的IVB族金属升温至混合金属全部融化，并沸腾30分钟，使所加入的材料充分融合；

⑧倒料：将熔融状态的混合金属材料，倒入冷却槽迅速冷却，形成无铅铜基非晶钎焊料母合金，即获得该无铅铜基非晶钎焊料。