CN105177333B - 一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，包括炉体、炉盖、搅拌机、搅拌支架、导轨支架、加料系统、温控系统、氮气系统、升降系统，炉盖固定在可升降的搅拌支架上，炉盖上装有加料装置、热电偶、氮气管，搅拌轴从炉盖中心通过；加料装置前端设有冷却装置；搅拌支架通过滑轨固定在导轨支架上，可以上下活动；导轨支架与炉体固定在一起；炉体外部为金属，内部由耐火隔热材料构成，电热丝固定在耐火材料砌成的沟槽内，炉体上面为不锈钢或铸铁坩埚。本发明的锡焊料抗氧化合金的熔炼装置采用炉盖升降、炉内氮气正压、微量元素加料口加冷却装置的方式，锡焊料的合金成份可以得到有效控制，抗氧化性能得到提高和稳定。

Description

一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及自动设备技术领域，具体涉及到一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置及其制备方法。

背景技术

焊接是电子装配中的重要工艺过程，波峰焊实现了电路板的焊接自动化，使电子产品制造成本大为降低，是目前电子装配中的主要焊接方法。与手工焊接、浸焊相比，波峰焊接效率更高，焊接质量更佳。但由于波峰焊接过程中，熔化的液态锡焊料在不断喷涌，底部焊料被锡泵吸上从喷口不断喷出，与空气接触产生大量氧化锡渣。为降低锡焊料的出渣率，减少损耗，研发人员发现在焊料合金中添加磷(P)、锗(Ge)等元素，可以有效的降低焊料使用过程中的氧化速度，减少氧气化渣。

针对以上问题，申请号为200610013240.0公布了一种无铅焊料合金的配方原理，但对于配制工艺方法描述并不具体；申请号为200610033080.6公布了一种无铅焊料合金及其制备方法，对各种合金的制备工艺进行了比较详细的表述，但对于制备装置没有描述，各种合金的制备过程中产生的一些问题没有考虑，如P的燃点为40℃，如何保证P从室温到投放至超过300℃熔炉的过程中不被烧损；申请号为201420428296.2，公布了一种高效数控锡焊料生产设备，该专利技术的设备为一密闭性能较好的熔炼炉，物料从加料漏斗添加原料并通过真空搅拌保证混合过程中原料不烧损，但这一专利的局限性在于对于低燃点的P等元素，在加料过程中，炉内完全抽真空前这段时间内，大部分P将暴露在高温空气中烧损，从而造成配比不准确，另外该装置的加料口较小，不适合于工厂批量生产，因主要原料锡一般都是锭状，加料漏斗只能添加粉状、粒状的小尺寸原料，无法添加锭状的大块原料。综上所述，对于焊料合金的制备工艺，仍然存在一些技术问题，焊料精确配比的问题亟待解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明专利研究设计了一种锡焊料抗氧化合金的制备方法及其熔炼装置，其目的在于：设计活动炉盖，适用于大批量生产；加料口设有冷却装置，防止微量元素添加时烧损或氧化；在炉内装氮气管，保证炉内正压，确保高温锡炉在密封性能不高的情况下，熔炼过程是在无氧环境下实行。通过这以上方法，确保锡焊料合金在大批量生产时保证配比精确，从而实现产品质量的稳定性。

本发明所采用的技术方案如下：一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，包括炉体、炉盖、搅拌机、搅拌支架、导轨支架、加料系统、温控系统、氮气系统、升降系统，炉盖固定在可升降的搅拌支架上，炉盖上装有加料装置、热电偶、氮气管，搅拌轴从炉盖中心通过；加料装置前端设有冷却装置；搅拌支架通过滑轨固定在导轨支架上，可以上下活动；导轨支架与炉体固定在一起；炉体外部为金属，内部由耐火隔热材料构成，电热丝固定在耐火材料砌成的沟槽内，炉体上面为不锈钢或铸铁坩埚。

一种抗氧化锡焊料合金的制备方法，

将搅拌器支架升至最高，往坩埚内投入大块原料，加热至原料完全熔化；

降下搅拌器支架到最低点，此时搅拌轴浸入液态焊料中，炉盖压住坩埚上面的密封石棉垫；

启动电机带动搅拌轴转动，将原料里的杂质浮渣搅出，升起搅拌器支架，将液态焊料表面的浮渣清除；

降下搅拌器支架至最低，通过氮气管向炉内充入氮气，并保持炉内气压略大于室外；

当炉内的空气完全被氮气替代时，打开加料口上的冷却水套，让加料口温度降低至30℃以内，将这、Ge等微量元素从加料口加入炉内，加完后将加料口用盖子盖住，可以节省氮气；

因炉内无氧气，加入的微量原料，可以在搅拌轴有效的搅拌下，完全溶解入焊料合金，保证焊料成分的精确配比；

通过在现有锡焊料合金熔炼技术的基础上，改进熔炉的结构，通过加氮气的方式保证合金混合过程中不与氧气接触，减少氧化渣；

通过在加料口设冷却水套的方法，使微量元素不与高温空气接触避免了烧损和产生表面氧化现象；

通过搅拌机支架的活动滑轨，可升降固定在上面的炉盖，锡炉完全敞开；

使锡炉在合金熔炼前可以添加大块基体金属原料，设备更适用于批量生产；

采用炉内氮气正压方法，使外部空气无法进入炉内。

优选地，所述搅拌器支架配有电动或液压升降系统。

优选地，所述耐火材料为耐火砖、耐火泥，有耐火隔热性能。

优选地，所述冷却水套与外部循环冷却水系统相连。

优选地，所述坩埚材料为耐腐蚀的不锈钢或铸铁材质，通过螺栓固定在炉体上。

本发明的有益效果包括：

本发明的有益效果：本发明的锡焊料抗氧化合金的熔炼装置采用炉盖升降、炉内氮气正压、微量元素加料口加冷却装置的方式，可以很好的解决锡焊料熔炼中材料烧损及氧化的现象，锡焊料的合金成分可以得到有效控制，抗氧化性能得到提高和稳定。

附图说明

图1为本发明一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置的整体结构示意图；

图2为本发明一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置的工作状态示意图。

图中：1－导轨支架；2－搅拌器支架；3－氮气管；4－热电偶；5－搅拌电机；6－搅拌轴；7－加料口；8－冷却水套；9－炉盖；10－石棉密封垫；11－坩锅；12—液态焊料；13—炉体；14—电热丝；15—耐火材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，一种锡焊料抗氧化合金的熔炼装置，包括导轨支架1、搅拌器支架2、氮气管3、热电偶4、搅拌电机5、搅拌轴6、加料口7、冷却水套8、炉盖9、石棉密封垫10、坩锅11、液态焊料12、炉体13、电热丝14、耐火材料15。搅拌轴6与搅拌电机5转轴相联接，搅拌电机5通过法兰固定在搅拌器支架2上，搅拌器支架2通过滑轨固定在导轨支架1上，并通过液压或电动方式控制搅拌器支架2的升降动作；氮气管3、热电偶4、加料口7固定在炉盖9上，炉盖9则固定在搅拌支架上，加料口7前端设有冷却水套8，由循环水系统提供低温冷却水；坩埚11固定在炉体13上，保证不与电热丝14接触，坩埚11上面装石棉密封垫10，保证炉盖9与坩埚11之间的良好密封；电热丝14用耐高温材料绑扎固定在耐火材料15沟槽中，耐火材料由耐火砖、耐火泥砌筑而成。

工作过程：

将搅拌器支架2升至最高，往坩埚11内投入大块原料(如锡锭、铅锭等)，加热至原料完全熔化。降下搅拌器支架2到最低点，此时搅拌轴6浸入液态焊料中，炉盖9压住坩埚11上面的密封石棉垫；启动电机5带动搅拌轴6转动，将原料里的杂质浮渣搅出，升起搅拌器支架2，将液态焊料12表面的浮渣清除；降下搅拌器支架2至最低，通过氮气管3向炉内充入氮气，并保持炉内气压略大于室外。当炉内的空气完全被氮气替代时，打开加料口7上的冷却水套8，让加料口7温度降低至30℃以内，加将这、Ge等微量元素从加料口7加入炉内，加完后将加料口7用盖子盖住，可以节省氮气。因炉内无氧气，加入的微量原料，可以在搅拌轴6有效的搅拌下，完全溶解入焊料合金，保证焊料成分的精确配比。

实施例：

以常见的Sn99.3Cu0.7焊料合金为例，坩锅11容量设计为200kg。添加Ge比例为50PPM，用于改善焊料的润湿性和抗氧化能力，添加P比例为100PPM，用于提高焊料的表面抗氧化能力，须要注意的是P在锡焊料中的抗氧化能力仅限于300℃以下，制备过程中(特别是在空气环境操作时)超过此温度可能损失部分抗氧化能力。

升起搅拌器支架2，往坩锅11内加入锡锭198.57Kg，炉温设置为320℃，加热至锡锭完全熔化；降下搅拌器支架2，启动搅拌电机5，搅拌15分钟，将液态锡金属内部杂质及浮渣搅出，升起搅拌器支架2，用不锈钢勺子清除液态锡表面的浮渣，降下搅拌器支架2打开氮气阀，通过氮气管3向炉内充氮气10分钟，炉内空气基本被排出。保持进气压力稍高于大气压，将厚度为0.5mm的铜片剪成长宽各为20mm左右的大小，通过加料口7向炉内添加准备好的铜片1.4Kg，启动搅拌电机5搅拌30分钟，至铜片完全溶入液态锡中。打开加料口冷却水，使加料口温度降低至30℃以下，称10g金属Ge，敲碎后从加料口7添加到炉内，充分搅拌15分钟后，将炉内液态焊料12温度降到280±10℃，取粉状红磷20g从加料口加入，充分搅拌15分钟。将液态焊料12温度降至250±10℃，关闭氮气阀，升起搅拌支架2，清除液态焊料12表面浮渣。在液态焊料12的左边位置取样品①，中间位置取样品②，右边位置取样品③，送检成分合格后将炉内焊料浇铸在特定模具上，即制成高性能的抗氧化锡焊料合金。

按上述方法进行熔炼操作，制得焊料产品299.4Kg，损耗0.6Kg(其中检测损耗0.2Kg)。

在制备焊料过程中，都是在无氧的气氛保护下熔炼，产生的氧化渣极少，除去检测样品，总损耗仅为0.2％。由检测结果分析，利用本发明技术制备的锡焊料，成分均匀，合金比例控制精确，产品质量优良。

按照上述方法取的样品①、②、③，并根据GB/T9491-2002及GB/T10574.13-2003标准，采用电感藕合等离子体发射光谱(ICP-AES法)进行成分测试，其结果如表1。

表1样品①、样品②、样品③成分检测对比结果

由表1中实验测试对比数据中，以本发明专利工艺与装置制备的产品：铜含量与配制比例最大偏差0.02％，同一炉中各样品间含量偏差为0.01％；Ge含量与配制比例最大偏差值为2PPM，各样品间偏差值为1PPM；P含量与`配制比例最大偏差值为2PPM，各样品间偏差值为1PPM。

由检测结果可知，用本发明专利制备的抗氧化锡焊料合金，成分均匀，各合金元素比例控制精确，适合大批量生产。

上述实施方式只是本发明的优选实施例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围的，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (6)

1.一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，其特征在于，包括炉体、炉盖、搅拌机、搅拌支架、导轨支架、加料系统、温控系统、氮气系统、升降系统，炉盖固定在可升降的搅拌支架上，炉盖上装有加料装置、热电偶、氮气管，搅拌轴从炉盖中心通过；加料装置前端设有冷却装置；搅拌支架通过滑轨固定在导轨支架上，可以上下活动；导轨支架与炉体固定在一起；炉体外部为金属，内部由耐火隔热材料构成，电热丝固定在耐火材料砌成的沟槽内，炉体上面为不锈钢或铸铁坩埚。

2.根据权利要求1所述的一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，其特征在于，所述搅拌器支架配有电动或液压升降系统。

3.根据权利要求1所述的一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，其特征在于，所述耐火材料为耐火砖、耐火泥，有耐火隔热性能。

4.根据权利要求1所述的一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，其特征在于，所述冷却水套与外部循环冷却水系统相连。

5.根据权利要求1所述的一种抗氧化锡焊料合金的熔炼装置，其特征在于，所述坩埚材料为耐腐蚀的不锈钢或铸铁材质，通过螺栓固定在炉体上。

6.一种抗氧化锡焊料合金的制备方法，其特征在于，

将搅拌器支架升至最高，往坩埚内投入大块原料，加热至原料完全熔化；

降下搅拌器支架到最低点，此时搅拌轴浸入液态焊料中，炉盖压住坩埚上面的密封石棉垫；

启动电机带动搅拌轴转动，将原料里的杂质浮渣搅出，升起搅拌器支架，将液态焊料表面的浮渣清除；

降下搅拌器支架至最低，通过氮气管向炉内充入氮气，并保持炉内气压略大于室外；

当炉内的空气完全被氮气替代时，打开加料口上的冷却水套，让加料口温度降低至30℃以内，将微量元素从加料口加入炉内，加完后将加料口用盖子盖住，可以节省氮气；

因炉内无氧气，加入的微量原料，可以在搅拌轴有效的搅拌下，完全溶解入焊料合金，保证焊料成分的精确配比；

通过在现有锡焊料合金熔炼技术的基础上，改进熔炉的结构，通过加氮气的方式保证合金混合过程中不与氧气接触，减少氧化渣；

通过在加料口设冷却水套的方法，使微量元素不与高温空气接触避免了烧损和产生表面氧化现象；

通过搅拌机支架的活动滑轨，可升降固定在上面的炉盖，锡炉完全敞开；

使锡炉在合金熔炼前可以添加大块基体金属原料，设备更适用于批量生产；

采用炉内氮气正压方法，使外部空气无法进入炉内。