CN107502782B - 铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法 - Google Patents

铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铜合金热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.1‑1.0%的Cu，0.01‑0.25%的Y，0.003‑0.05%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素。本发明的铜合金板带热镀用稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3343‑0.3442V，熔点182.9‑193.1℃，抗拉强度59.1‑90.7MPa，延伸率21.3‑47.4%；本发明的稀土锡基合金作为镀层合金，其具有热镀层IMC厚度薄且厚度长大趋势小、使用中不易产生空洞和晶须等优点。

Description

铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属镀层材料领域，具体涉及一种铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法。
背景技术
镀锡的铜合金板带广泛应用于航空航天、军工、汽车、通讯及电子等高端领域，尽管我国铜板带产业不断发展，但目前镀锡的铜合金板带仍然不能满足市场需求。目前关于铜合金板带镀锡层的组织结构、性能及生产工艺的研究主要集中在电镀锡的研究，电镀锡主要优点是镀层金属厚度均匀并可随意控制，但其生产工艺繁琐、操作要求严格、电镀设备价格高、电镀液成分复杂。
热浸镀是将经过处理的金属工件浸入熔融金属中获得金属镀层的一种方法，简称热镀。与电镀相比，热浸镀的优点是可焊接性好、镀层致密牢固、生产简单、流程简单、交货期短、设备简单价格低等，缺点是锡渣多、锡层厚度不均匀、锡液易氧化、存放周期短等。目前我国关于热浸镀锡的研究主要集中在钢铁表面的热浸镀锡，即大多数热浸镀锡的基体金属为钢铁材料，而以铜或铜合金为基体材料的热浸镀锡则较为少见。
纯锡不宜直接用于热浸镀工艺，主要原因在于，室温停留时间较长或高温工作容易使热镀锡材料表面形成导电性的晶须，造成电子连接器或集成电路板短路，因此对铜及铜合金材料热镀专用的锡基合金的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法，该稀土锡基合金在铜合金基体表面（尤其是以含有Ni元素的铜合金为基体合金）的润湿性良好，热镀层IMC厚度薄且厚度长大趋势小，使用中不易产生空洞和晶须。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：铜合金热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.1-1.0%的Cu，0.01-0.25%的Y，0.003-0.05%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素。
进一步地，所述的稀土锡基合金由纯Sn、中间合金SnCu7（指该中间合金中Cu质量分数为7%，Sn质量分数为93%）、中间合金SnY10（指该中间合金中Y质量分数为10%，Sn质量分数为90%）和中间合金CuP1.5（指该中间合金中P质量分数为1.5%，Cu质量分数为98.5%）制成。
进一步地，所述纯Sn的纯度以质量分数计为：Sn≥99.95%。
进一步地，所述中间合金SnCu7的纯度以质量分数计为：Cu≥6.9%，余量为Sn。
进一步地，所述中间合金SnY10的纯度以质量分数计为：Y≥9.95%，余量为Sn。
进一步地，所述中间合金CuP1.5的纯度以质量分数计为：P≥1.49%，余量为Cu。
进一步地，所述的铜合金为Cu-Ni系列合金板带。
一种稀土锡基合金的制备方法，包括以下步骤：按照以上所述稀土锡基合金中各元素质量分数称取纯Sn、中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5，将纯Sn放入中频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为0.005-0.010Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，升温至550-650℃，保温至纯Sn完全熔化；加入中间合金SnCu7，保温至中间合金SnCu7完全熔化；加入中间合金CuP1.5和中间合金SnY10，保温至中间合金CuP1.5和中间合金SnY10完全熔化；降温至400℃浇注成锭，即制得稀土锡基合金。
进一步地，所述中频真空熔炼炉内的炉衬材料为镁砂。
进一步地，中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5中至少一种采用如下方法制得：按照中间合金各元素质量分数称取配料，放入水冷铜套真空非自耗熔炼炉，抽真空至炉内压强为0.005-0.010Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，电弧熔炼至配料完全熔化，关闭电弧使熔体冷却至完全凝固，将凝固后熔体翻面，重复熔化、冷却、翻面步骤2-4次，即制得相应的中间合金。
有益效果：本发明稀土锡基合金在铜合金基体表面润湿性良好，尤其是以含有Ni元素的铜合金板带为基体合金进行热浸镀锡时，本发明中的Cu有助于在基体合金表面形成合金中间化合物（CuNi）6Sn5，进而提高锡合金与铜基体之间的润湿性，改善液态合金在铜基体上的铺展能力，同时具有固溶强化提高合金硬度、改善合金耐磨性的作用；本发明中稀土元素Y具有脱氧脱硫、净化合金熔体的作用，还能够降低合金熔融态粘度、提高合金流动性，以及防止合金表面进一步氧化，阻碍合金表面锡晶须的形成；热镀时，本发明中的P在液态锡合金表面形成保护层，阻挡液态锡的进一步氧化，减少合金氧化生渣造成的损耗；本发明提供的制备方法制得的铜合金板带热镀用稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3343-0.3442V，熔点182.9-193.1℃，抗拉强度59.1-90.7MPa，延伸率21.3-47.4%；本发明的稀土锡基合金作为镀层合金，其具有热镀层IMC厚度薄且厚度长大趋势小、使用中不易产生空洞和晶须等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.2%的Cu，0.05%的Y，0.005%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
所述稀土锡基合金的制备方法包括以下步骤：
（1）中间合金的制备：采用如下方法分别制备中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5：按照所述中间合金各元素质量分数称取配料（以SnCu7为例，按质量比93:7称取Sn和Cu），放入水冷铜套真空非自耗熔炼炉，抽真空至炉内压强为0.007Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，电弧熔炼至配料完全熔化，关闭电弧使熔体冷却至完全凝固，将凝固后熔体翻面，重复熔化、冷却、翻面步骤3次，即制得相应的中间合金；制得的各中间合金的纯度如下：中间合金SnCu7的纯度以质量分数计为：Cu≥6.9%，余量为Sn；中间合金SnY10的纯度以质量分数计为：Y≥9.95%，余量为Sn；中间合金CuP1.5的纯度以质量分数计为：P≥1.49%，余量为Cu；
（2）按照所述各元素质量分数称取纯Sn、中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5，将纯Sn（纯度以质量分数计为：Sn≥99.95%）放入中频真空熔炼炉内进行熔炼，炉衬材料为镁砂，抽真空至炉内压强为0.008Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，升温至600℃，保温至纯Sn完全熔化（约30-60min）；加入中间合金SnCu7，600℃保温至待中间合金SnCu7完全熔化（约30-60min）；加入中间合金CuP1.5和中间合金SnY10，600℃保温至中间合金完全熔化（约30-60min）；降温至400℃，搅拌，选用钢模作为模具浇注成锭，即制得稀土锡基合金；
本实施例制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3426V，熔点184.3℃，抗拉强度59.1MPa，延伸率47.4%。
实施例2
一种Cu-Ni系列铜合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.6%的Cu，0.125%的Y，0.0075%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
制备方法同实施例1；制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3381V，熔点188.6℃，抗拉强度75.5MPa，延伸率30.7%。
实施例3
一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：1.0%的Cu，0.2%的Y，0.01%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
其制备方法同实施例1；制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3346V，熔点193.1℃，抗拉强度89.4MPa，延伸率21.3%。
实施例4
一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.1%的Cu，0.01%的Y，0.003%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
其制备方法同实施例1；制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3442V，熔点182.9℃，抗拉强度67.1MPa，延伸率35.8%。
实施例5
一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.3%的Cu，0.08%的Y，0.05%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
其制备方法同实施例1；制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3410V，熔点185.5℃，抗拉强度73.9MPa，延伸率33.1。
实施例6
一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，由以下质量分数的元素组成：0.8%的Cu，0.25%的Y，0.009%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
其制备方法同实施例1；制得的稀土锡基合金的性能指标为：标准电极电位0.3343V，熔点192.0℃，抗拉强度90.7MPa，延伸率25.3%。
以上实施例仅为本发明的部分具体实施例，在不脱离本发明基本构思的情况下，任何替换和改进均应纳入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Cu-Ni系列合金板带热镀用稀土锡基合金，其特征在于，由以下质量分数的元素组成：0.1-1.0%的Cu，0.01-0.25%的Y，0.003-0.05%的P，余量为Sn和不可避免的杂质元素；
所述的稀土锡基合金的制备方法包括以下步骤：按照所述各元素质量分数称取纯Sn、中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5，将纯Sn放入中频真空熔炼炉内进行熔炼，抽真空至炉内压强为0.005-0.010Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，升温至550-650℃，保温至纯Sn完全熔化；加入中间合金SnCu7，保温至中间合金SnCu7完全熔化；加入中间合金CuP1.5和中间合金SnY10，保温至中间合金CuP1.5和中间合金SnY10完全熔化；降温至400℃浇注成锭，即制得稀土锡基合金。
2.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于，所述纯Sn的纯度以质量分数计为：Sn≥99.95%。
3.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于，所述中间合金SnCu7的纯度以质量分数计为：Cu≥6.9%，余量为Sn。
4.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于，所述中间合金SnY10的纯度以质量分数计为：Y≥9.95%，余量为Sn。
5.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于，所述中间合金CuP1.5的纯度以质量分数计为：P≥1.49%，余量为Cu。
6.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于：所述中频真空熔炼炉内的炉衬材料为镁砂。
7.根据权利要求1所述的稀土锡基合金，其特征在于，所述的中间合金SnCu7、中间合金SnY10和中间合金CuP1.5中至少一种采用如下方法制得：按照中间合金各元素质量分数称取配料，放入水冷铜套真空非自耗熔炼炉，抽真空至炉内压强为0.005-0.010Pa，然后充入氩气至0.2-0.3MPa，电弧熔炼至配料完全熔化，关闭电弧使熔体冷却至完全凝固，将凝固后熔体翻面，重复熔化、冷却、翻面步骤2-4次，即制得相应的中间合金。
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