CN105499830A - 光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金，包括：7wt%~10wt%的Zn；1wt%~5wt%的Cu；0.01wt%~0.05wt%的Al；0.3wt%~0.5wt%的Bi；余量的Sn。本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金熔点接近于Sn-Pb合金的熔点，无需对原有焊接设备焊接温度进行较大改动，利于生产焊接；本发明未使用贵金属，生产成本较低；本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金配方合理，得到的光伏焊带性能良好、电阻率低。

Description

光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金及其制备方法。
背景技术
由于Sn-Pb焊带对环境和人身体的危害，近年来各国都致力于研究出性能能与Sn-Pb焊带相媲美的光伏焊带。经过近几年的研究，获得了很多成果，其中以Sn-Zn系无铅焊带最为显著。现有技术公开了多种Sn-Zn系无铅焊带，Sn-Zn-Al三元合金，Al的加入会在合金的表面形成一层氧化膜，减少Zn的氧化，但加入量过多，氧化膜过厚，不利于焊接。目前，Al的含量在0.45到6之间时，抗氧化性和润湿性能都很好，但是需要活性较强的助焊剂或者是惰性气体的保护，极大地提高了生产成本，降低了生产效率。
Sn-Zn-Ag三元合金，Ag的加入使合金性能得到了很好的提升，但是Ag的含量大多在1.5到4之间，极大地提高了生产的成本，另外合金的熔点还远高于之前常用的Sn-Pb合金的熔点。
Sn-9wt.%Zn-3wt.%Bi润湿性能、热疲劳性能良好，但是降低了塑性，提高了生产成本，熔点还是略高于Sn-Pb合金。
Sn-Zn-In各方性能均良好，熔点也低，但In属于稀有金属储存量少，其价格远远高于一般的金属。
Sn-9wt.%Zn-(2-8)wt.%Cu焊带，Cu的加入提高了润湿性，抗拉强度先增加后减少，降低了延伸率，同时也提高了合金的熔点，并且由于Cu的熔点很高，在合金配制过程中会出现很严重的氧化问题。
因此，目前需要一种成本较低、性能较好、且熔点与Sn-Pb合金较为相似、甚至更低的无铅焊带用合金。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金及其制备方法，本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金成本较低、性能良好且熔点接近于Sn-Pb合金。
本发明提供了一种光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金，包括：
7wt%~10wt%的Zn；
1wt%~5wt%的Cu；
0.01wt%~0.05wt%的Al；
0.3wt%~0.5wt%的Bi；
余量的Sn。
Sn-Zn无铅钎料共晶温度为199℃与Sn-Pb钎料比较接近，机械性能良好，价格低廉，是最有潜力的无铅钎料。但是，由于Zn原子活性较高极易氧化，并且Sn-Zn表面张力较大，造成钎料润湿性较差，降低了做光伏焊带的焊料的可行性。
在本发明中，Cu的加入会与Sn-Zn合金中的富Zn相生成化合物，使其活性降低，减少氧化，同时极大的降低了合金的表面张力，增加了润湿性。随着Cu含量的增加润湿性增加，抗拉强度先增大后减小，含量为2%时达到最大。但Cu的加入提高了合金熔点，增加了焊程。另外，由于Cu的熔点较高，配制过程中也会造成Sn和Zn的氧化。因此，需首先配制出熔点较低的Sn-5wt%Cu。为了降低合金的氧化在配制时加入少量的Al，在表面形成一层较薄的致密的氧化膜，增加润湿性能及抗氧化性。Bi原子的活性也较强，加入少量的Bi能够降低熔点，增加润湿性。
在一个实施例中，所述光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金包括：
8wt%~9wt%的Zn；
2wt%~3wt%的Cu；
0.03wt%的Al；
0.45wt%的Bi；
余量的Sn。
在一个实施例中，所述光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金的熔点为175℃~185℃。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金的制备方法，包括：
将Cu熔融后加入第一质量份的Sn，搅拌均匀后使合金凝固；
向凝固的合金中加入Zn、Bi、第二质量份的Sn和Al，表面用松香覆盖后将其熔融，搅拌均匀后，降温至200℃，浇注成焊条。
为了减少氧化，所述第一质量份的Sn和Cu的质量比为95:5，即首先配制Sn-5wt%Cu合金。具体而言，首先将Cu加入熔炉中，升温至1200℃使Cu熔化，按照Sn-5wt%Cu的比例加入第一质量份的Sn，搅拌均匀后，关闭熔炉，待合金凝固。
待合金凝固后，向其中加入Zn、Bi、第二质量份的Sn和Al，表面用松香覆盖防止氧化，升温至500℃使金属熔化，搅拌均匀后将温度降至200℃，浇注成焊条，即可得到上述技术方案所述的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金。
得到焊条后，再采用热浸镀工艺将所述焊条制备得到光伏焊带。
与现有技术相比，本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金包括：7wt%~10wt%的Zn；1wt%~5wt%的Cu；0.01wt%~0.05wt%的Al；0.3wt%~0.5wt%的Bi；余量的Sn。在本发明中，Cu的加入会与Sn-Zn合金中的富Zn相生成化合物，使其活性降低，减少氧化，同时极大的降低了合金的表面张力，增加了润湿性。为了降低合金的氧化在配制时加入少量的Al，在表面形成一层较薄的致密的氧化膜，增加润湿性能及抗氧化性。Bi原子的活性也较强，加入少量的Bi能够降低熔点，增加润湿性。本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金熔点接近于Sn-Pb合金的熔点，无需对原有焊接设备焊接温度进行较大改动，利于生产焊接；本发明未使用贵金属，生产成本较低；本发明提供的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金配方合理，得到的光伏焊带性能良好、电阻率低。
具体实施方式
实施例1
原料配方：
9wt%的Zn；
3wt%的Cu；
0.03wt%的Al；
0.45wt%的Bi；
余量的Sn。
制备方法如下：
在熔炉里加入Cu，将温度升至1200℃，Cu熔化后按Sn-5wt.%Cu比例加入Sn，搅拌均匀后关闭熔炉，待合金凝固之后，按上述成分比例加入Zn、Bi、余量的Sn、Al，表面用松香覆盖防止氧化，将温度升至500℃待金属融化后搅拌均匀，将温度降至200℃，浇注成焊Sn条。再通过热浸镀工艺制作出光伏焊带。
对所述光伏焊带进行性能测试，其熔点为184℃、抗拉强度≥170Mpa、电阻率≤1.9*10-8Ω·m。
实施例2
8wt%的Zn；
2wt%的Cu；
0.03wt%的Al；
0.45wt%的Bi；
余量的Sn。
制备方法如下：
在熔炉里加入Cu，将温度升至1200℃，Cu熔化后按Sn-5wt.%Cu比例加入Sn，搅拌均匀后关闭熔炉，待合金凝固之后，按上述成分比例加入Zn、Bi、余量的Sn、Al，表面用松香覆盖防止氧化，将温度升至500℃待金属融化后搅拌均匀，将温度降至200℃，浇注成焊Sn条。再通过热浸镀工艺制作出光伏焊带。
对所述光伏焊带进行性能测试，其熔点为177℃、抗拉强度≥170Mpa、电阻率≤1.9*10-8Ω·m。
实施例3
8.5wt%的Zn；
2.5wt%的Cu；
0.03wt%的Al；
0.45wt%的Bi；
余量的Sn。
制备方法如下：
在熔炉里加入Cu，将温度升至1200℃，Cu熔化后按Sn-5wt.%Cu比例加入Sn，搅拌均匀后关闭熔炉，待合金凝固之后，按上述成分比例加入Zn、Bi、余量的Sn、Al，表面用松香覆盖防止氧化，将温度升至500℃待金属融化后搅拌均匀，将温度降至200℃，浇注成焊Sn条。再通过热浸镀工艺制作出光伏焊带。
对所述光伏焊带进行性能测试，其熔点为179℃、抗拉强度≥170Mpa、电阻率≤1.9*10-8Ω·m。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金，其特征在于，包括：
7wt%~10wt%的Zn；
1wt%~5wt%的Cu；
0.01wt%~0.05wt%的Al；
0.3wt%~0.5wt%的Bi；
余量的Sn。
2.根据权利要求1所述的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金，其特征在于，包括：
8wt%~9wt%的Zn；
2wt%~3wt%的Cu；
0.03wt%的Al；
0.45wt%的Bi；
余量的Sn。
3.根据权利要求1所述的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金，其特征在于，熔点为175℃~185℃。
4.权利要求1所述的光伏焊带用Sn-Zn系无铅多元合金的制备方法，其特征在于，包括：
将Cu熔融后加入第一质量份的Sn，搅拌均匀后使合金凝固；
向凝固的合金中加入Zn、Bi、第二质量份的Sn和Al，表面用松香覆盖后将其熔融，搅拌均匀后，降温至200℃，浇注成焊条。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一质量份的Sn和Cu的质量比为95:5。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将Cu在1200℃下熔融。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，向凝固的合金中加入Zn、Bi、第二质量份的Sn和Al，表面用松香覆盖后在500℃下将其熔融。
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