发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足之处,提供一种Sn-Zn-Bi-Cr合金无铅焊料的制备方法,使其通过在Sn-Zn-Bi合金中加入Cr元素,使焊料在保持Sn-Zn-Bi合金原有低熔点、良好润湿性等优点的同时,焊料的抗氧化性、耐腐蚀性大为改善,延展性等机械性能明显提高,同时由于抗氧化性和耐腐蚀性的改善,润湿性也得到了进一步的提高。
本发明是通过以下技术方案实现的,本发明包括以下步骤:
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.005-1.5%,Zn为3-12%,Bi为0.5-12%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn,并在室温下,将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空或有氩气、氢气保护气氛条件下,将温度升至金属Cr的熔点以上,即控制在1857-2100℃范围内,熔化后保温30分钟,并充分搅拌。此方法采用在真空或有氩气、氢气保护气氛条件下熔炼,其目的是更有效地防止金属在熔炼过程中的氧化烧损。
③将剩余的Sn原料加到炉中,待熔化后,降温至800℃,保温60分钟,同时继续搅拌。到此,Sn-Cr中间熔炼完成,可进行下一步最终合金的熔炼。
(2)Sn-Zn-Bi-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.005-1.5%,Zn为3-12%,Bi为0.5-12%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn和Bi。将上述Zn和Bi原料放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中,待全部熔化后充分搅拌,并保温30分钟。
②温度降至250℃,在不断搅拌条件下,保温2小时。本步骤的目的是进一步使材料的化学组成和金相组织更加均匀。由于在高温下Zn的挥发较快,故等形成四元低熔点合金后,应尽可能降低温度,在低温下完成本步骤。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
由于Sn-Zn-Bi-Cr合金新型无铅焊料中的Cr元素熔点高达1857℃,且极易氧化,采用通常方法很难与低熔点金属Sn、Zn、Bi形成合金,熔炼难度较大。在该方法中我们采用了高温熔炼先制取中间合金Sn-Cr,再与Zn、Bi一起熔炼,形成最终的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的熔炼方法。从而可以克服诸如高熔点金属Cr难于完全熔化,焊料的化学组成和金相组织不均匀等缺点。
本发明之所以选用Sn-Cr合金作为中间合金制备Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料是基于以下原因:首先,根据热平衡相图,Bi与Cr在所有的组成范围内无法形成Bi-Cr中间合金。其次,由于Zn的熔点约为420℃,但沸点只有907℃,而Cr的熔点高达1857℃,远远高于Zn的沸点,在高温下不等Cr熔化,Zn已成为气态,难于制得Zn-Cr中间合金。如果制取Sn-Zn中间合金,同样加入Cr后,由于Zn的存在,无法达到Cr的熔化温度,很难获得均匀的Sn-Zn-Bi-Cr合金。然而,Sn的熔点虽只有231℃,但它的沸点却高达2603℃,远远高出Cr的熔点,在制取Sn-Cr中间合金时,即使熔炼温度超过Cr的熔点,也不会发生Sn大量蒸发气化的现象。因此,采取Sn-Cr中间合金制备Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的方法是一种最佳的选择。
本发明特点在于通过在Sn-Zn-Bi合金中加入Cr元素,使焊料在保持Sn-Zn-Bi合金原有低熔点、良好润湿性等优点的同时,焊料的抗氧化性、耐腐蚀性提高1倍以上,克服了原Sn-Zn-Bi合金脆性较大的缺点,使延展性提高5-100%,同时由于抗氧化性和耐腐蚀性的改善,润湿性也得到了进一步的提高,润湿时间由Sn-Zn-Bi合金焊料的平均3秒缩短0.5-2.5秒。特别是由于本发明的焊料其脆性的降低,将有望用于要求焊料熔点较低,易滑落摔损的手机等产品。
本发明制备的Sn-Zn-Bi-Cr合金无铅焊料,其化学组成和金相组织均匀,能够最大限度地发挥Sn-Zn-Bi-Cr合金无铅焊料的上述优良特性。
具体实施方式
实施例1
本发明材料的组分及其质量百分比为:Cr为0.005%,Zn为3%,Bi为0.5%,余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.005%,Zn为3%,Bi为0.5%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn,并在室温下,将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在氢气保护气氛条件下,将温度升至金属Cr的熔点以上,即控制在1857℃,熔化后保温30分钟,并充分搅拌。
③将剩余的Sn原料加到炉中,待熔化后,降温至800℃,保温60分钟,同时继续搅拌。Sn-Cr中间熔炼完成。
(2)Sn-Zn-Bi-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.005%,Zn为3%,Bi为0.5%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn和Bi,并放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中,待全部熔化后充分搅拌,并保温30分钟。
②温度降至250℃,在不断搅拌条件下,保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果:经金相组织观察和ICP化学组成分析:所得合金焊料金相组织均匀,铸锭的上、中、下的化学组成一致,基本与配料组成相同。而按文献1所述方法制得的同组成焊料铸锭下端,Cr含量比上端高达7%,经金相组织观察和EDX能谱分析下端明显有未熔化的大颗粒Cr存在。
实施例2
本发明材料的组分及其质量百分比为:Cr为0.75%,Zn为8%,Bi为6%,余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.75%,Zn为8%,Bi为6%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn,并在室温下,将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在氩气保护气氛条件下,将温度升至金属Cr的熔点以上,即控制在1857℃,熔化后保温30分钟,并充分搅拌。
③将剩余的Sn原料加到炉中,待熔化后,降温至800℃,保温60分钟,同时继续搅拌。Sn-Cr中间熔炼完成。
(2)Sn-Zn-Bi-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.75%,Zn为8%,Bi为6%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn和Bi,并放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中,待全部熔化后充分搅拌,并保温30分钟。
②温度降至250℃,在不断搅拌条件下,保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果:经金相组织观察和ICP化学组成分析:所得合金焊料金相组织均匀,铸锭的上、中、下的化学组成一致,基本与配料组成相同。而按文献1所述方法制得的同组成焊料铸锭下端,Cr含量比上端高达14%,经金相组织观察和EDX能谱分析下端明显有未熔化的大颗粒Cr存在。
实施例3
本发明材料的组分及其质量百分比为:Cr为1.5%,Zn为12%,Bi为12%,余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为1.5%,Zn为12%,Bi为12%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn,并在室温下,将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空条件下,将温度升至金属Cr的熔点以上,即控制在1857℃,熔化后保温30分钟,并充分搅拌。
③将剩余的Sn原料加到炉中,待熔化后,降温至800℃,保温60分钟,同时继续搅拌。Sn-Cr中间熔炼完成。
(2)Sn-Zn-Bi-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为1.5%,Zn为12%,Bi为12%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn和Bi,并放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中,待全部熔化后充分搅拌,并保温30分钟。
②温度降至250℃,在不断搅拌条件下,保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果:经金相组织观察和ICP化学组成分析:所得合金焊料金相组织均匀,铸锭的上、中、下的化学组成一致,基本与配料组成相同。而按文献1所述方法制得的同组成焊料铸锭下端,Cr含量比上端高达21%,且固体残渣较多。经金相组织观察和EDX能谱分析焊料内存在大量未熔化的Cr颗粒。
实施例4
本发明材料的组分及其质量百分比为:Cr为0.25%,Zn为8%,Bi为3%,余量为Sn。
(1)中间合金Sn-Cr的制备
①按照Cr为0.25%,Zn为8%,Bi为3%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求先分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Cr和Sn,并在室温下,将全部的Cr原料和与Cr原料同等重量的Sn原料进行充分混合。
②在真空条件下,将温度升至金属Cr的熔点以上,即控制在1857℃,熔化后保温30分钟,并充分搅拌。
③将剩余的Sn原料加到炉中,待熔化后,降温至800℃,保温60分钟,同时继续搅拌。Sn-Cr中间熔炼完成。
(2)Sn-Zn-Bi-Cr合金熔炼
①按照上述Cr为0.25%,Zn为8%,Bi为3%,余量为Sn的Sn-Zn-Bi-Cr合金焊料的组成要求分别称取块状、粒状或粉末状纯金属Zn和Bi,并放入800℃熔融的Sn-Cr中间合金中,待全部熔化后充分搅拌,并保温30分钟。
②温度降至250℃,在不断搅拌条件下,保温2小时。
③冷却至室温或根据需要浇铸成锭。
实施效果:经金相组织观察和ICP化学组成分析:所得合金焊料金相组织均匀,铸锭的上、中、下的化学组成一致,基本与配料组成相同。而按文献1所述方法制得的同组成焊料铸锭下端,Cr含量比上端高达10%,经金相组织观察和EDX能谱分析下端明显有未熔化的大颗粒Cr存在。