CN106363011A - 一种通过α‑Sn相变分离回收无铅焊料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过α‑Sn相变分离回收无铅焊料的方法,先将需要二次回收的焊料合金冷轧至厚度1~10mm;所述焊料合金指含有杂质元素的Sn合金,其中各项杂质元素含量不超过5wt.%;再将经冷轧的金属板降温至‑13.2℃以下,在金属板表面喷洒粉状α‑Sn;之后进一步将金属板降温至‑33℃,使金属板在完成α‑Sn相变过程中破碎;使用粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm及以下,最后通过旋风分离将α‑Sn与金属间化合物、杂质分离,得到α‑Sn粉体。本发明相比传统的氧化法、氯化法和碱法具有污染小,合金成分回收率高的特点。

Description

一种通过α-Sn相变分离回收无铅焊料的方法
技术领域
本发明涉及有色金属回收技术领域,具体涉及一种通过相变分解回收焊料合金的方法。
背景技术
随着焊料无铅化的推进,无铅焊料的使用量逐步增大。据统计,2012年我国无铅焊料产量为4.2万吨,近几年每年以20%的速度增长。由于无铅焊料中含有Ag成分,使得其回收利用价值远高于传统Sn-Pb焊料,而且随着无铅焊料的用量逐渐增加,无铅焊料的二次回收利用成了迫切需要解决的问题。传统Sn-Pb焊料的回收方法有氧化法、氯化法和碱法。这一类方法不仅污染大,并且能耗较高,此外这些方法运用于无铅焊料回收时存在回收利用率低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种污染小、能耗少、回收利用率高、适用于工业化批量生产的通过α-Sn相变分离回收无铅焊料的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种通过α-Sn相变分离回收无铅焊料的方法,方法步骤如下:
(1)将需要二次回收的焊料合金冷轧至厚度1~10mm;
所述焊料合金指含有杂质元素的Sn合金,其中各项杂质元素含量不超过5wt.%;
(2)将经步骤(1)冷轧的金属板降温至-13.2℃以下,在金属板表面喷洒粉状α-Sn;所述的α-Sn,是经过后续工序(5)分离得到的α-Sn粉体;
(3)进一步将金属板降温至-33℃,使得金属板完成α-Sn相变;
(4)金属板在相变过程中发生破碎,完成α-Sn相变后,使用粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm及以下;
(5)使用旋风分离器将α-Sn与金属间化合物、杂质分离,得到α-Sn粉体。
上述步骤(3)在金属板进行α-Sn相变期间,通过热循环加速α-Sn相变;所述热循环,是在将金属板降温至-33℃冷冻过程中,调节温度在-15℃至-33℃之间变化,以此引起热应力,促进α-Sn相变。
本发明利用Sn在-13.2℃下会发生固态相变,由银色转变为灰色。在此过程中,由于晶体结构发生改变,Sn由塑形良好的β-Sn转变为脆性α-Sn,同时密度下降,由7.31g/cm3下降至5.77g/cm3,因此造成体积膨胀,使得块状Sn合金碎化。在相变破碎的过程中,由于基体的膨胀,使其Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物界面产生较大的界面应力而导致界面开裂,使得基体与金属间化合物初步分离。之后通过粉碎机将物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎,粉碎后的物料中α-Sn与Ag3Sn、Cu6Sn5等金属间化合物完全分离。由于Ag3Sn(10.01g/cm3)、Cu6Sn5(9.14g/cm3)和α-Sn密度差异较大,之后使用旋风分离器可将金属间化合物、α-Sn及氧化物杂质分离。
根据固态相变理论,α-Sn相变受到掺杂合金元素的影响。通常在Sn合金中添加某些合金元素会抑制α-Sn相变的发生,焊料常用的合金元素中Pb会有较强的抑制α-Sn转变的能力,若焊料合金中Pb超过5wt.%将会有较强的抑制α-Sn转变的能力。而传统Sn-Pb焊料中Pb含量通常为37wt%,因此传统Sn-Pb焊料不适合使用本发明方法回收。此外,若合金中含有超过0.5wt.%Bi或Sb也不适合使用本发明方法回收。而随着焊料的无铅化进程,无铅焊料中合金元素大大减少,目前最常用无铅焊料为SAC305(Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu),其中主要合金元素为Ag,而Ag合金需要超过5wt.%才会对α-Sn转变有较弱的抑制效果;另外SAC305焊料中含有少量Cu,同时目前无铅焊料多用于Cu基板的焊接,因此回收的二次合金中Cu含量有所上升,但Cu元素对于α-Sn转变基本没有抑制作用。此外无铅焊料中常见的Zn、Al等元素成分则有利于α-Sn转变。因此现在常用的无铅焊料很适合使用本发明方法回收。虽然常见无铅焊料在低温下有α-Sn转变的趋势,但是该过程十分缓慢,可能需要数月甚至数年的时间。本发明方法通过三种措施来提高α-Sn的转变速率:一是接触α-Sn晶核:Sn合金α-Sn相变速率较低,主要原因是在低温下α-Sn晶核形成困难,若使β-Sn接触α-Sn晶核则可使相变能大大降低,加快相变速率;2、而是冷加工:由于低温下金属原子震动较慢,因此即使达到相变条件,原子也很难越过势垒,实现固态相变,但若通过冷加工,预先植入晶格畸变能,这一部分能量可以在相变过程中提供相变能,加速α-Sn转变过程;三是温度控制:虽然在α-Sn转变过程中降低温度可以给相变过程提供相变能,但同样由于原子振动速率的下降,使得原子改变排列形式的几率下降,造成α-Sn转变速率下降。公认α-Sn转变速率较高的温度为-33℃,而本发明引入热循环的方法,通过温度的变化使得合金内部产生热应力,而热应力将在α-Sn相变过程中提供相变能。相变完成后的α-Sn极脆,只需要轻微触碰就会断裂。相比β-Sn,α-Sn的粉碎过程只需要3~5%的能量就能完成,因此在后续加工中很容易完成材料的粉碎。同时α-Sn转变后比较稳定,需要在70℃以上温度才会转变回β-Sn,因此在粉碎过程中只要温度控制得当就不会引起β-Sn相变。由于无铅焊料中的主要杂质——Ag、Cu在Sn中的固溶度很低,主要是以Ag3Sn、Cu6Sn5的金属间化合物形式存在。粉碎后的物料中,金属间化合物与α-Sn完全分离,使得分离后的α-Sn中Ag、Cu含量极低。由于α-Sn与金属间化合物之间有较大的密度差异,而金属间化合物之间的密度差较小,因此很容易通过比重分选的方法将α-Sn与金属间化合物分离。
本发明巧妙地利用上述固态相变原理和各材料的物理性质,通过无铅焊料中α-Sn相变,达到碎化和脆化材料目的。与此同时通过引入α-Sn晶核、冷加工和热循环的方法促进α-Sn相变。由于相变后的α-Sn脆性极大,因此很容易使其破碎。破碎后的物料由于α-Sn与金属间化合物之间较大的密度差异又很容易能使其物相分离。本发明提供的α-Sn相变分离回收焊料合金的方法相比传统的氧化法、氯化法和碱法具有污染小,合金成分回收率高的特点。若实现大规模生产或在严寒地区、冬季生产,能耗也将小于上述三种方法。因此本发明为微电子行业及冶金工业提供了一种低污染、低能耗、高效的无铅焊料合金的回收方法。
具体实施方式
实施例1
通过α-Sn相变分离回收无铅焊料,方法步骤如下:
(1)将需要二次回收的焊料合金冷轧至厚度1~10mm;所述焊料合金指含有Ag、Cu、Zn、Al等杂质元素的Sn合金,其中各项杂质元素含量不超过5wt.%;
(2)将经步骤(1)冷轧的金属板降温至-13.2℃以下,在金属板表面喷洒粉状α-Sn;所述的α-Sn可经过纯Sn低温冷藏相变获得,也可经过后续工序(5)分离得到;
(3)进一步将金属板降温至-33℃,使金属板完成α-Sn相变;在金属板进行α-Sn相变期间,可通过热循环加速α-Sn相变;所述热循环,是在将金属板降温至-33℃冷冻过程中,调节温度在-15℃至-33℃之间变化,以此引起热应力,促进α-Sn相变;
(4)金属板在相变过程中发生破碎,完成α-Sn相变后,使用锤式粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm及以下。
(5)使用旋风分离器将α-Sn与金属间化合物、杂质分离,得到α-Sn粉体。
实施例2
通过α-Sn相变分离回收成分为Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料,其方法步骤如下:
(1)将需要二次回收的成分为Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料冷轧至厚度1~10mm;所述冷轧,是指使用轧机对原料合金锭在室温下进行轧制,根据金属锭尺寸,可轧制多次;
(2)将经步骤(1)冷轧的金属板降温至-13.2℃以下,在金属板表面喷洒粉状α-Sn,粉状α-Sn粒度为5μm,喷洒量为2g/m2;所述的α-Sn可经过纯Sn低温冷藏相变获得,也可经过后续工序(5)分离得到;
(3)进一步将金属板降温至-33℃,之后调节温度在-15℃至-33℃之间循环变化,1小时为一循环,经过48小时后,金属板完成α-Sn相变;
(4)金属板在相变过程中发生破碎,完成α-Sn相变后,使用锤式粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm及以下。
(5)使用旋风分离器将α-Sn与金属间化合物、杂质分离。经过3级分离后,轻粉为α-Sn,回收率84%,纯度为99.4%。可直接用于无铅焊料制造,或经过电解精炼后作为其它用途。重粉为Ag3Sn、Cu6Sn5混合物,其中Ag含量为52.2%,Cu含量8.4%,其余为Sn。适合使用湿法冶金提取其中贵金属Ag。
实施例3
通过α-Sn相变分离回收成分为Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料,其方法步骤如下:
(1)将需要二次回收的成分为Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料冷轧至厚度1~10mm;
(2)将经步骤(1)处理好的金属板降温至-13.2℃以下,在其表面喷洒粉状α-Sn,粉状α-Sn粒度为5μm,喷洒量为2g/m2
(3)进一步将金属板降温至-33℃,在恒温下放置60小时后金属板完成α-Sn转变;
(4)完成α-Sn相变后,金属板将发生破碎;使用锤式粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm以下;
(5)使用旋风分离器将α-Sn与金属间化合物、杂质分离。经过2级分离后,轻粉为α-Sn,回收率92%,纯度为98.8%。可直接用于无铅焊料制造,或经过电解精炼后作为其它用途。重粉为Ag3Sn、Cu6Sn5混合物,其中Ag含量为62.8%,Cu含量10.4%,其余为Sn。适合使用湿法冶金提取其中贵金属Ag。
本发明提供的α-Sn相变分离回收焊料合金的方法相比传统的氧化法、氯化法和碱法具有污染小,合金成分回收率高的特点。若实现大规模生产或在严寒地区、冬季生产,能耗也将小于上述三种方法。因此本发明为微电子行业及冶金工业提供了一种低污染、低能耗、高效的无铅焊料合金的回收方法。

Claims (2)

1.一种通过α-Sn相变分离回收无铅焊料的方法,其特征在于,方法步骤如下:
(1)将需要二次回收的焊料合金冷轧至厚度1~10mm;所述焊料合金指含有杂质元素的Sn合金,其中各项杂质元素含量不超过5wt.%;
(2)将经步骤(1)冷轧的金属板降温至-13.2℃以下,在金属板表面喷洒粉状α-Sn;所述的α-Sn可经过纯Sn低温冷藏相变获得,也可经过后续工序(5)分离得到;
(3)进一步将金属板降温至-33℃,使金属板完成α-Sn相变;
(4)金属板在相变过程中发生破碎,完成α-Sn相变后,使用粉碎机将破碎的物料初步粉碎,再经过喷射气流粉碎机进一步粉碎至粉体粒度5μm及以下;
(5)使用旋风分离器将α-Sn与金属间化合物、杂质分离,得到α-Sn粉体。
2.根据权利要求1所述的一种通过α-Sn相变分离回收无铅焊料的方法,其特征在于,上述步骤(3)在金属板进行α-Sn相变期间,通过热循环加速α-Sn相变;所述热循环,是在将金属板降温至-33℃冷冻过程中,调节温度在-15℃至-33℃之间变化,以此引起热应力,促进α-Sn相变。
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