CN107511603B - 一种核壳结构双金属复合焊粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，所述制备方法包括将两种金属原料粉末置于整形机中，抽真空、搅拌混合，然后调整至一定温度后进行包覆整形，控制整形机工作强度和时间使锡或锡合金粉末与铜或铜合金粉末间相互粘连和压入形成核壳结构的双金属复合焊粉；所制得的双金属复合焊粉的壳层为锡或锡合金，核心为铜或铜合金，且所述铜或铜合金为球形或近球形，所述复合焊粉的粒径小于300目；壳层的锡或锡合金层占复合焊粉的比例为10‑50wt％。能够在较低温度条件下熔化，促进铜及铜合金的焊合或烧结，从而降低整体钎焊温度，达到节能降耗和降低对被焊母材热冲击的作用。

Description

一种核壳结构双金属复合焊粉及其制备方法

技术领域

本发明属于钎焊材料技术领域；特别是涉及一种具有核壳结构的双金属复合焊粉及其制备方法。

背景技术

核壳型金属粉末作为一种新型的复合材料，因其外壳和核心材料在理化性能和原料成本上的差异，使其在粉末冶金、电子电气等领域具有广阔的应用前景。目前常用的制备方法主要以热分解-还原法、化学镀、胶体粒子模板法、多元醇还原法、共沉积法、置换法、电化学法等化学法为主，该类方法最重要的特征是所制备的粉末处于“湿”态，因而需要分离、洗涤、真空干燥或还原干燥等多道次工序，且由于制粉过程需要大量的溶液和化工药剂，容易产生环境污染。另一类是物理法，如申请号201510064436.1(发明名称为《核壳结构微米和纳米复合金属球形粉末的制造方法》)，公布的复合型金属粉末制备方法，是利用高温热处理使其中一种熔点较低的金属熔融进而包覆于未熔粉末之上的方法；申请号200810070976.0(发明名称为《铜基合金/不锈钢自组装复合粉体及其制备方法》)公布了一种非混溶体系合金在凝固过程中自身偏析法制备复合粉末技术；此外，机械合金化法制备复合粉具有处理时间短、反应过程易于控制、可连续批量等优点，被广泛应用于粉末冶金技术领域。所谓机械合金化法，即将不同金属粉末或弥散强化粉末装入高能球磨机，磨球对混合粉末产生强有力的撞击，使不同的原料粉末达到原子级紧密结合。如，邓景泉等利用高能球磨法制备了Cu-Zr复合粉、X.Zhu等利用机械合金化法制备了Al-Li复合粉、申请号201210556041.X(发明名称为《一种锡包铜复合粉末的制备方法》)也公布了一种球磨法制备含油轴承用双金属复合粉的方法，但上述机械合金化法在球磨制粉过程中易产生磨球对原料自身的污染，严重影响粉末的最终使用性能，特别是在钎焊材料技术领域应严格避免。

铜及铜合金是汽车、电气电子和暖通空调等行业常用的一种钎焊材料，然而Cu易于氧化，严重影响钎焊特性，特别是以钎焊粉末形态使用过程中必须进行表面钝化处理；另一方面，为降低钎焊过程对被焊母材热冲击的影响、顺应节能降耗理念，特别需要一种能够在较低温度下(过热度很小，或低于钎料熔点)实现钎焊，而其焊后又能够保持较高的耐温能力的焊料。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明设计一种核壳结构双金属复合焊粉，表层为锡或锡基合金，核心为铜或铜基合金，并提供了一种无化学过程污染、无磨球污染的物理法制备技术。众所周知，锡及锡合金的耐氧化性优于铜及铜合金，作为双金属复合焊粉的外壳时具有保护核心的作用，防止铜及铜基合金直接与外界接触而氧化；更为重要的是锡及锡基合金的熔化温度显著低于铜及铜基合金，能够在较低温度条件下熔化，促进铜及铜合金的焊合和烧结，从而降低整体钎焊温度，达到节能降耗和降低对被焊母材热冲击的作用。

为实现上述目的之一，本发明采用的技术方案如下：

一种具有核壳结构的双金属复合焊粉，所述双金属焊粉的壳层为锡或锡合金，核心为铜或铜合金，且所述铜或铜合金为球形或近球形，所述复合焊粉的粒径小于300目；壳层的锡或锡基合金层占复合焊粉的比例10-50wt％。

进一步，上述的核壳结构的双金属复合焊粉，其中所述壳层锡或锡合金为Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-In或Sn-Bi合金中的一种。

进一步，上述的核壳结构的双金属复合焊粉，其中所述核心铜或铜合金为Cu、Cu-Sn、Cu-P、Cu-Ti或Cu-Zn合金中的一种。

优选，所述核心铜或铜合金表层预镀镍处理。

为实现上述目的之二，本发明采用的技术方案如下：

一种具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

1)根据壳层厚度，计算双金属复合焊粉壳层所需的锡或锡合金及核心所需的铜或铜合金的量，按比例称量锡或锡合金、铜或铜合金原料粉末；

2)将上述两种原料粉末置于整形机中，抽真空、搅拌混合，然后调整至一定温度后进行包覆整形，控制整形机工作强度和时间使锡或锡合金粉末与铜或铜合金粉末间相互粘连和压入形成核壳结构的双金属复合焊粉混合料；

3)将步骤2)中所得焊粉混合料进行粒度筛选，得到所需粒度的核壳结构的双金属复合焊粉。

进一步，所述步骤1)中的锡或锡合金粉末粒度小于铜或铜合金粉末的粒度，且满足铜粉粒度为锡粉粒度的1.44倍以上。

进一步，所述步骤2)中在整形机中加入定量的分散剂。优选，所述分散剂为乙醇或丙酮。目的为提高核壳结构双金属复合焊粉的球形度、避免粉末粘连。

进一步，所述步骤2)中需加热控温处理，控制温度范围为40-220℃，且低于锡合金粉末熔点。目的为促进包覆效果，提高核壳结构双金属复合焊粉的制备效率。

进一步，所述步骤2)中抽真空至-0.1MPa或更高真空度、搅拌混合10-40min，包覆整形时间为0.5-3h。

进一步，所述整形机为双盘磨机或圆盘式研磨机，所述控制整形机工作强度为控制磨盘转速为1000-1500r/min。

本发明采用整形机制备核壳结构焊粉，控制壳层结构的锡或锡合金的粉末粒度，加入比例，并且通过控制整形过程的温度，整形强度以及整形时间，在低于锡或锡合金熔点的情况下，使得软质、较小颗粒的锡或锡合金粉末在整形机的磨盘之间通过压力、剪切力和摩擦力的共同作用下碰撞、研磨和揉搓变形而包覆到硬质的、较大颗粒的铜或铜合金粉末上，从而形成核壳结构复合焊粉。该制备方法为一种无化学过程污染的物理法制备技术，区别于现有技术的化学湿法方法、低熔点金属熔融包覆法以及机械合金化制备核壳材料的方法，对核心包覆效果好、壳层厚度可控、粉末形貌近球形。由于锡及锡合金的耐氧化性优于铜及铜合金，作为双金属复合焊粉的外壳时具有保护核心的作用，防止铜及铜基合金直接与外界接触而氧化腐蚀；同时锡及锡基合金的熔化温度显著低于铜及铜基合金，能够在较低温度条件下熔化，促进铜及铜合金的焊合或烧结，从而降低整体钎焊温度，达到节能降耗和降低对被焊母材热冲击的作用，能够克服现有单纯合金型焊粉的技术不足。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

该核壳结构的双金属复合焊粉相比常规锡基合金焊粉而言，成本低廉、焊后耐温性高，满足大功率IGBT模块、变压器、逆变器等对钎料的焊接要求，特别适宜于瞬时液态扩散焊接技术领域，替代现有的高铅含量软钎料，实现高温软钎料的无铅环保化；相比铜基合金焊粉而言，该焊粉钎焊温度低、焊粉稳定性高。该制备方法属物理法制备技术，无化学过程对环境污染风险，相比常规球磨法而言所得粉末无磨球的污染，且外壳对核心包覆效果好、壳层厚度可控、粉末形貌近球形。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例1原料中使用的Sn-3.0Ag-0.5Cu锡基粉末的扫描电镜照片。

图2为本发明实施例1原料中使用的Cu-20Sn铜基粉末的扫描电镜照片。

图3为本发明实施例1所得到的近球形、具有核壳结构的锡包铜双金属复合焊粉的扫描电镜照片。

图4为图3的扫描电镜照片中的典型颗粒放大照片。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1：“10wt％的Sn-3.0Ag-0.5Cu包覆90wt％的Cu-20Sn”双金属复合焊粉的制备。

1)称量10g中位径为5μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu球形锡合金粉和90g的中位径为50μm的Cu-20Sn球形铜合金粉，两种金属粉末的形貌如图1和图2所示。

2)将上述两种粉末置于整形机中，抽真空至-0.1MPa，并加入200g的乙醇，机械搅拌混合10min，然后，升温至60℃，开启整形机电源进行包覆整形1.0h。

3)将步骤2)中所得粉末滤出、干燥，然后经350目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-350目的近球形的“10wt％的Sn-3.0Ag-0.5Cu包覆90wt％的Cu-20Sn”型壳核结构的双金属复合焊粉。所述复合焊粉的形貌如图3和图4所示。

实施例2：“50wt％的Sn包覆50wt％的Cu”的近球形核壳结构双金属复合焊粉的制备。

1)称量50g中位径为15μm的球形离心雾化纯锡粉和50g的经球化处理的中位径为45μm的电解纯铜粉。

2)将上述两种粉末置于整形机中，抽真空至-0.1MPa，并加入300g的丙酮，机械搅拌混合10min，然后，加热至40℃，开启整形机电源进行包覆整形2h。

3)将步骤2)中所得粉末滤出、干燥，用350目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-350目的近球形的“50wt％的Sn包覆50wt％的Cu”型壳核结构的双金属复合焊粉。

实施例3：“50wt％的Sn-58Bi包覆50wt％的Cu镀Ni”的近球形核壳结构双金属复合焊粉的制备。

1)称量50g中位径为29μm的球形离心雾化Sn-58Bi合金粉末和50g的表面镀Ni的中位径为74μm的球形纯Cu粉末。

2)将上述两种粉末置于整形机中，抽真空至-0.1MPa，机械搅拌混合10min，然后，升温至120℃，开启整形机电源，进行包覆包覆整形0.5h。

3)将步骤2)中所得粉末冷却后，用350目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-350目的近球形的“50wt％的Sn-58Bi包覆50wt％的Cu镀Ni”型壳核结构的双金属复合焊粉。

实施例4：“25wt％的Sn-0.7Cu包覆75wt％的Cu-8P”的近球形核壳结构双金属复合焊粉的制备。

1)称量25g的20-38μm的Sn-0.7Cu球形合金粉末和75g的25-75μm的雾化球形Cu-8P合金粉末。

2)将上述两种粉末置于整形机中，抽真空至-0.1MPa、机械搅拌混合40min，然后,升温至220℃，并开启整形机电源进行包覆包覆整形0.5h。

3)将步骤2)中所得粉末冷却后，用400目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-400目的近球形的“25wt％的Sn-0.7Cu包覆75wt％的Cu-8P”型壳核结构的双金属复合焊粉。

实施例5：“50wt％的Sn-52In包覆50wt％的Cu-20Zn”的近球形核壳结构双金属复合焊粉的制备。

1)称量50g中位径为30μm的近球形Sn-52In合金粉末和50g的中位径为45μm的雾化球形Cu-20Zn合金粉末。

2)将上述两种粉末置于整形机中，抽真空至-0.1MPa，并加入200g乙醇，机械搅拌混合20min，然后，升温至40℃，并开启电源进行包覆整形1.5h。

3)将步骤2)中所得粉末过滤、干燥后，用350目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-350目的近球形的“50wt％的Sn-52In包覆50wt％的Cu-20Zn”型壳核结构的双金属复合焊粉。

实施例6：“20wt％的Sn-3.5Ag包覆80wt％的Cu-3Ti”的近球形核壳结构双金属复合焊粉的制备。

1)称量20g的粒度为25-45μm的球形Sn-3.5Ag合金粉末和80g的粒度为-180目的球形雾化Cu-3Ti合金粉末。

2)将上述两种粉末置于整形机中，加入200g乙醇，并机械搅拌混合20min，然后，升温至60℃，并开启电源进行包覆整形1.5h。

3)将步骤2)中所得粉末过滤、干燥后，用300目网进行粒度筛选，取筛下粉，即可得到-300目的近球形的“20wt％的Sn-3.5Ag包覆80wt％的Cu-3Ti”型壳核结构的双金属复合焊粉。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，其特征在于，所述双金属复合焊粉的壳层为锡或锡合金，核心为铜或铜合金，且所述铜或铜合金为球形或近球形，所述复合焊粉的粒径小于300目；壳层的锡或锡合金层占复合焊粉的比例为10-50wt％；所述制备方法包括如下步骤：

1)根据壳层厚度，计算双金属复合焊粉壳层所需的锡或锡合金及核心所需的铜或铜合金的量，按比例称量锡或锡合金、铜或铜合金原料粉末；所述锡或锡合金粉末粒度小于铜或铜合金粉末的粒度，且满足铜粉粒度为锡粉粒度的1.44倍以上；

2)将上述两种原料粉末置于整形机中，抽真空、搅拌混合，然后调整至一定温度后进行包覆整形，控制整形机工作强度和时间使锡或锡合金粉末与铜或铜合金粉末间相互粘连和压入形成核壳结构的双金属复合焊粉混合料；

3)将步骤2)中所得焊粉混合料进行粒度筛选，得到所需粒度的核壳结构的双金属复合焊粉。

2.如权利要求1所述的具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，其特征在于，上述的核壳结构的双金属复合焊粉，其中所述壳层锡或锡合金为Sn、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-In或Sn-Bi合金中的一种。

3.如权利要求1或2所述的具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，其特征在于，上述的核壳结构的双金属复合焊粉，其中所述核心铜或铜合金为Cu、Cu-Sn、Cu-P、Cu-Ti或Cu-Zn合金中的一种。

4.如权利要求3所述的具有核壳结构的双金属复合焊粉的制备方法，其特征在于，所述核心铜或铜合金表层经预镀镍处理。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中在整形机中加入定量的分散剂。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为乙醇或丙酮。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中需加热控温处理，控制温度范围为40-220℃，且低于锡合金粉末熔点。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中抽真空至-0.1MPa或更高真空度、搅拌混合10-40min，包覆整形时间为0.5-3h。

9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述整形机为双盘磨机或圆盘式研磨机，所述控制整形机工作强度为控制磨盘转速为1000-1500r/min。