CN105397328A - Sn-Cu系无铅钎料及其制备方法 - Google Patents

Sn-Cu系无铅钎料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Sn-Cu系无铅钎料，按重量百分比计，所述Sn-Cu系无铅钎料包括以下组分：Cu：0.5-0.55％；Ni：0.05-0.06％；P：0.03-0.05％；Sn：余量。与相关技术相比，本发明提供的Sn-Cu系无铅钎料，具有较好抗氧化性和润湿性，且熔点低。本发明同时还公开一种上述Sn-Cu系无铅钎料的制备方法。

Description

Sn-Cu系无铅钎料及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种Sn-Cu系无铅钎料及其制备方法。
【背景技术】
钕铁硼磁钢作为节能环保的朝阳产业，已广泛用于信息技术、汽车、核磁共振、风力发电和电机等技术领域。在实际应用中，钕铁硼磁钢需要固定在载体上，载体的材料多为低碳钢，钕铁硼磁钢与低碳钢的连接性能影响对应产品的使用性能。相关技术中，钕铁硼磁钢与低碳钢的连接方法主要有两种，一是胶水粘接，二是激光电焊。
其中，胶水粘接的连接方式存在溢胶的现象，溢胶不仅污染工装，也影响产品的正常工作，如在音圈中影响线圈振动空间；且胶水固化时的大面积受热也会对钕铁硼的磁性能产生一定的影响，经过高温高湿后的可靠性也存在一定的问题。
激光电焊具有几块的加热和冷却速度，热应力小，能够精确控制热输入及加热位置等特点，使其在精密异种材料的焊接上具有很好的适应性。但是，钕铁硼磁钢的表面有镀锌层，锌的熔点低，激光电焊时形成的锌蒸汽容易在焊接区形成气泡，造成焊接区存在微裂纹，从而大大降低了焊接强度。
钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。钎焊具有不受钕铁硼磁钢表面镀锌层的影响，且可靠性能也明显优于胶水粘接的方式，因此，钎焊在钕铁硼磁钢与低碳钢的连接工艺中具有其明显的优势。
在钎焊工艺中，关键的技术为钎料的选择，钕铁硼磁钢与低碳钢的连接所需要的钎料应当具有较好抗氧化性和润湿性，且接头强度高、熔点低的特点。而钕铁硼磁钢与低碳钢的连接所需的钎料，目前还没有相关报道。
因此，有必要提供一种具有较好抗氧化性和润湿性，且接头强度高、熔点低的钎料及其制备方法。
【发明内容】
本发明的目的是克服上述技术问题，提供一种具有较好抗氧化性和润湿性，且接头强度高的Sn-Cu系无铅钎料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种Sn-Cu系无铅钎料，按重量百分比计，所述Sn-Cu系无铅钎料包括以下组分：Cu：0.5-0.55％；Ni：0.05-0.06％；P：0.03-0.05％；Sn：余量。
优选的，所述Sn-Cu系无铅钎料的熔点为227-228℃。
本发明还提供了一种Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，包括如下步骤：提供所述Sn-Cu系无铅钎料合金原料，并进行熔炼工艺，其中，所述Sn-Cu系无铅钎料合金原料按重量百分比计，包括以下成分：Cu0.5-0.55％；Ni0.05-0.06％；P0.03-0.05％；Sn余量；所述Sn、Cu、Ni、P分别以Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的形式提供。
优选的，所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的制备工艺如下：按预设配比提供原料Sn、Cu、Ni、以及P；将所述Sn、Cu、Ni、以及P加热至700-800℃，并通入惰性气体进行保护；待所述Cu、Ni、以及P完全溶入所述Sn后停止加热并冷却使温度降至380-420℃，此时，进行搅拌和扒渣，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体；将所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体浇注，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金。
优选的，所述Sn、Cu、Ni、以及P置于井式炉中加热。
优选的，所述惰性气体为氮气。
优选的，所述熔炼工艺包括钎料熔体制备步骤，所述制备步骤如下：将所述Sn和Sn-2Cu中间合金加热至380-420℃，并通入惰性气体进行保护；待所述Sn和Sn-2Cu中间合金完全熔化后保温；加入所述Sn-5Ni中间合金和Sn-3P中间合金，并进行搅拌和扒渣，得到钎料熔体。
优选的，所述熔炼工艺还包括钎料熔体冷却步骤，将所述钎料熔体的温度降至285-315℃。
优选的，所述Sn和Sn-2Cu中间合金完全熔化后的保温时间为10min。
优选的，所述熔炼工艺还包括将冷却后的钎料熔体浇注得到Sn-Cu系无铅钎料的步骤。
与相关技术相比，本发明提供的Sn-Cu系无铅钎料，组分包括Sn、Cu、Ni以及P，其中，由于微量Ni和P元素的加入，在熔融条件下，钎料表面的氧化物明显减少，大大降低了钎料的润湿性，从而显著降低了焊接强度。因此，采用本发明提供的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法制得的钎料，具有抗氧化性和润湿性优良，接头强度高，熔点低的优点。
【附图说明】
图1是本发明Sn-Cu系无铅钎料氧化1h后液态表面形貌图；
图2是本发明Sn-Cu系无铅钎料加入Ni和P后，氧化1h后液态表面形貌图。
【具体实施方式】
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本发明Sn-Cu系无铅钎料的原料按重量百分比计，包括如下组分：Cu0.5-0.55％；Ni0.05-0.06％；P0.03-0.05％；Sn余量；其中，所述Sn、Cu、Ni、P分别以Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的形式提供。所述Sn-Cu系无铅钎料由上述原料进行熔炼工艺得到。本发明中，由于Sn元素的熔点与Cu、Ni、P的熔点差异大，且Sn容易氧化，因此，Cu、Ni、P以中间合金的形式加入。
本发明提供了一种如上所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，该方法包括如下步骤：
提供所述Sn-Cu系无铅钎料合金原料，并进行熔炼工艺，各组分按重量百分比计分别为：
Cu：0.5-0.55％；Ni：0.05-0.06％；P：0.03-0.05％；Sn：余量。所述Sn、Cu、Ni、P分别以Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的形式提供。
步骤S1：制备中间合金
步骤S11：按预设配比提供原料Sn、Cu、Ni、以及P，其中，按重量百分比计，所述Cu0.5-0.55％；Ni0.05-0.06％；P0.03-0.05％；Sn余量：
步骤S12：将所述Sn、Cu、Ni、以及P置于井式炉中加热至700-800℃，并通入惰性气体进行保护，所述所述惰性气体为氮气；
步骤S13：待所述Cu、Ni、以及P完全溶入所述Sn后停止加热并冷却使温度降至380-420℃，此时，进行搅拌和扒渣，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体；
步骤S14：将所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体浇注，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金。
步骤S2：钎料合金的熔炼
步骤S21：将所述Sn和Sn-2Cu中间合金加热至380-420℃，并通入惰性气体进行保护，所述所述惰性气体为氮气；
步骤S22：待所述Sn和Sn-2Cu中间合金完全熔化后保温，保温时间优选的为10min；
步骤S23：加入所述Sn-5Ni中间合金和Sn-3P中间合金，并进行搅拌和扒渣，得到钎料熔体。
步骤S24：将所述钎料熔体的温度降至285-315℃；
步骤S25：将冷却后的钎料熔体浇注得到Sn-Cu系无铅钎料。
按照本发明提供的制备方法得到的Sn-Cu系无铅钎料，熔点为为227-228℃。
将按上述制备方法得到的Sn-Cu系无铅钎料进行抗氧化性测试，测试方法如下：
在加热条件下，钎料表面因氧化而吸附氧原子，使钎料的质量发生变化，因此，在相同加热条件下，不同的质量变化量表征了钎料之间抗氧化性能的差异。每隔10min对钎料表面进行扒渣，使其不断地露出无氧化层的新鲜液面，加热时间为8h，加热温度为260℃，加热仪器为金属浴加热炉。钎料盛放容器为开口面积为33cm2的不锈钢小杯，加热完毕将钎料与扒出的氧化渣一起称重，称重仪器为FC204型电子分析天平，精确度为1×10-4g。
氧化增重测试结果如下：
表1：氧化增重测试结果
合金编号 合金成分 氧化增重(×10-3g)
1 Sn-0.5Cu 10.2
2 Sn-0.5Cu-0.005Ni 8.8
3 Sn-0.5Cu-0.01Ni 7.4
4 Sn-0.5Cu-0.03Ni 7.0
5 Sn-0.5Cu-0.05Ni 5.8
6 Sn-0.5Cu-0.09Ni 6.2
7 Sn-0.5Cu-0.13Ni 6.6
8 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.005P 3.4
9 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.01P 0.8
10 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.03P -1.4
11 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.05P 0.4
12 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.10P 2.9
13 Sn-0.5Cu-0.005Ni-0.15P 2.5
Sn-Cu系无铅钎料的抗氧化性能随氧化增重量增加而降低。由上述抗氧化性测试的试验数据可以看出，Sn-Cu系无铅钎料合金成分中没有Ni和P的情况下，氧化增重量大，说明Sn-Cu系无铅钎料的抗氧化性差；且抗氧化性与金属Ni和P的含量有关，Ni和P含量增加，抗氧化性增强，但当Ni和P含量增加到一定值后，抗氧化性能的增加效果不明显。
Sn-Cu系无铅钎料合金中，同时加入Ni和P两种金属时，抗氧化性能更强，具体可参见图1和图2所示，可见，在加入Ni和P两种金属后，该Sn-Cu系无铅钎料合金表面氧化物很少,光亮如镜，相比未加入Ni和P两种金属来说，光泽度显著提升。但是，当金属Ni含量达到一定数值后，氧化增重量反而增加，对应的抗氧化性能变差。
将本发明提供的Sn-Cu系无铅钎料，进行钎焊，焊接接头强度符合使用要求，且接头强度高。因所述Sn-Cu系无铅钎料组分中不含铅，因此，该钎料组分无毒，保证了焊接工艺中操作人员的人身安全。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种Sn-Cu系无铅钎料，其特征在于，按重量百分比计，所述Sn-Cu系无铅钎料包括以下组分：
Cu：0.5-0.55％；
Ni：0.05-0.06％；
P：0.03-0.05％；
Sn：余量。
2.根据权利要求1所述的Sn-Cu系无铅钎料，其特征在于，所述Sn-Cu系无铅钎料的熔点为227-228℃。
3.一种Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供所述Sn-Cu系无铅钎料合金原料，并进行熔炼工艺，其中，所述Sn-Cu系无铅钎料合金原料按重量百分比计，包括以下成分：Cu0.5-0.55％；Ni0.05-0.06％；P0.03-0.05％；Sn余量；所述Sn、Cu、Ni、P分别以Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的形式提供。
4.根据权利要求3所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金的制备工艺如下：
按预设配比提供原料Sn、Cu、Ni、以及P；
将所述Sn、Cu、Ni、以及P加热至700-800℃，并通入惰性气体进行保护；
待所述Cu、Ni、以及P完全溶入所述Sn后停止加热并冷却使温度降至380-420℃，此时，进行搅拌和扒渣，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体；
将所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金熔体浇注，得到所述Sn-2Cu、Sn-5Ni和Sn-3P中间合金。
5.根据权利要求4所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述Sn、Cu、Ni、以及P置于井式炉中加热。
6.根据权利要求4所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
7.根据权利要求3或4所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺包括钎料熔体制备步骤，所述制备步骤如下：
将所述Sn和Sn-2Cu中间合金加热至380-420℃，并通入惰性气体进行保护；
待所述Sn和Sn-2Cu中间合金完全熔化后保温；
加入所述Sn-5Ni中间合金和Sn-3P中间合金，并进行搅拌和扒渣，得到钎料熔体。
8.根据权利要求7所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺还包括钎料熔体冷却步骤，将所述钎料熔体的温度降至285-315℃。
9.根据权利要求7所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述Sn和Sn-2Cu中间合金完全熔化后的保温时间为10min。
10.根据权利要求8所述的Sn-Cu系无铅钎料的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺还包括将冷却后的钎料熔体浇注得到Sn-Cu系无铅钎料的步骤。
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