專利名稱：一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電器制造領(lǐng)域，涉及電器元器件焊接表面搪錫所使用的錫基合金，具 體地說是一種Sn-CU基高溫抗氧化型無鉛搪錫合金。
背景技術(shù)：
金屬表面的熱搪錫是一種古老而實(shí)用的技術(shù)，它是將被搪錫的金屬零件，經(jīng)過表 面機(jī)械或化學(xué)處理除去表面氧化膜后，浸入高溫液態(tài)錫基合金中，通過液態(tài)錫與金屬表面 的界面冶金反應(yīng)在待搪錫的零件表面形成一層液態(tài)金屬膜，然后將其取出，除去表面多余 的液態(tài)金屬，凝固后在金屬零件表面形成一層熱鍍錫膜，供進(jìn)一步進(jìn)行金屬軟釬焊使用。金 屬表面的熱搪錫技術(shù)廣泛應(yīng)用于電器或電子元件的制造業(yè)，涉及的被鍍金屬包括并不限于 銅及銅合金、碳鋼及不銹鋼、鋁及鋁合金等。傳統(tǒng)的熱搪錫合金主要是錫-鉛二元合金，尤其是錫-鉛共晶合金 (Sn63% _Pb37% )，其熔點(diǎn)僅為183°C，合金的原料成本低，高溫下液態(tài)合金流動性高，搪錫 層的可釬焊性好，因而被工業(yè)界廣泛使用。然而，由于鉛是一種有毒的重金屬，當(dāng)大量舊電 器被廢棄和掩埋后，錫鉛合金中有毒的鉛元素會逐漸被自然界中的水溶液腐蝕和溶解，通 過自然界的地下水及生物鏈循環(huán)，逐漸進(jìn)入人的食物鏈，人體吸收低劑量的Pb即可引起鉛 中毒癥狀，尤其是鉛對人的神經(jīng)系統(tǒng)十分有害。為了抑制這種鉛污染的后果，世界各國已相 繼出臺了一些相關(guān)的法令和規(guī)定，限制或禁止在電子或電器制造工業(yè)中使用鉛。在此背景 下，人們已進(jìn)行了大量的研究工作，發(fā)展新一代的無鉛合金，替代原有的錫鉛焊料。目前，在無鉛焊料領(lǐng)域Sn-Cu合金是替代錫鉛合金最主要的無鉛焊料之一，其中 Sn-0. 7Cu共晶合金，其熔點(diǎn)為227°C，由于它不含有貴金屬Ag，其原料成本相對較低，因此 在波峰焊領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用。同時，Sn-Cu合金也是目前用于高溫搪錫的主要候選 無鉛合金，其中Cu的主要作用是在高溫搪錫時，減少Cu基體向液態(tài)Sn中的溶解速度。根 據(jù)Sn-Cu 二元合金相圖，液態(tài)Sn中銅的飽和溶解度隨溫度的升高而提高，當(dāng)溫度達(dá)到400°C 時，液相線銅含量可達(dá)4%左右，而Sn-Cu共晶點(diǎn)227°C，液態(tài)中的Cu含量為0. 7%。采用Su-Cu無鉛合金進(jìn)行搪錫作業(yè)時，存在的主要問題是液態(tài)合金的強(qiáng)烈的高溫 氧化行為。與Sn-Pb合金相比，Sn-Cu合金需要的搪錫溫度必須大幅度提高，其主要原因 有下列兩點(diǎn)第一，Sn-Cu合金的熔點(diǎn)比Su-Pb合金高得多，即使Sn-Cu共晶合金，熔點(diǎn)為 227°C,比Sn-Pb共晶溫度183°C高出44°C ；第二，由于合金中Cu的存在，當(dāng)熔體的溫度低 于液相線時，熔體中有一部分過飽和的銅呈固體Cu6Sn5化合物粒子存在，其大幅提高了液 態(tài)合金的粘度。后者使搪錫作業(yè)中基體表面的搪錫層過厚，導(dǎo)致提高了單位搪錫面積的錫 耗，大幅提高了生產(chǎn)成本。因此，搪錫作業(yè)中必須提高溫度，使固體Cu6Sn5K合物粒子充分 溶解，以降低合金熔體的粘度。與錫-鉛合金相比，由于合金中高含量的Sn，以及合金中Cu 的存在，兩者均使合金熔體在大氣下的氧化傾向增大。因此，在溫度提高和合金氧化傾向增 加的雙重因素作用下，Sn-Cu無鉛合金在大氣下的表面氧化速度大大加快。在快速氧化的 情況下，熔體表面形成一層浮渣，將嚴(yán)重阻礙液態(tài)金屬對被搪基材表面的潤濕和粘附，因此必須定時地進(jìn)行人工除渣，由此不但使搪錫作業(yè)工藝難度加大，而且造成了大量的錫損，并 使搪錫工藝的生產(chǎn)成本大幅度提高。因此，減少搪錫合金的表面氧化是無鉛搪錫工藝中迫 切要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服無鉛搪錫技術(shù)中液態(tài)合金高溫氧化問題，本發(fā)明提供一種抗高溫氧化的 無鉛搪錫合金，主要通過在合金中添加微量的第三組元成份，提高液態(tài)合金表面的抗氧化 能力，從而減少搪錫工藝中的氧化渣量，降低錫耗，達(dá)到減少生產(chǎn)成本的目的。本發(fā)明的技 術(shù)方案是一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，以Sn-Cu合金為基本組成，添加一種或一組第 三組元作為微量添加劑，其合金的重量百分比組成為Cu0. 1-5. 0% (優(yōu)選范圍為 0. 7-4. 0% )；第三組元0. 001-0. 05% (優(yōu)選范圍為 0. 005-0· 02% )；Sn及其不可避免的雜質(zhì) 余量。本發(fā)明中所述的第三組元指Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge, Al，Ga, Zr中的一種或兩種 以上組合，在幾種組合的情況下，其總量不超過其成份規(guī)定的濃度范圍。本發(fā)明提供的高溫抗氧化型無鉛搪錫合金可以選擇一種普通的熔煉技術(shù)，使之進(jìn) 行合金化，將配制的各種合金元素加入熔化的Sn中，并使之均勻化，凝固后即可獲得合金產(chǎn)品。本發(fā)明中，第三組元元素的主要作用是當(dāng)合金處于熔融狀態(tài)時，提高合金表面的 抗氧化能力，但合金的其它物理性能(如熔點(diǎn)、密度、熱膨脹率等)影響不大，因此是現(xiàn)有 Sn-Cu合金一種理想的升級產(chǎn)品。本發(fā)明的原理如下本發(fā)明通過對Sn基合金表面氧化膜組成的研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)Sn表面的氧化膜組成 主要是Sn的氧化物，如SnO2和Sn3O4等，這種氧化膜覆蓋液態(tài)表面后對進(jìn)一步防止液態(tài)金 屬氧化作用不大。本發(fā)明在合金添加微量第三組元合金，當(dāng)合金熔化后，由于熱力學(xué)的原 因，這些第三組元將偏析于合金熔體表面，改變表面氧化膜的成份與結(jié)構(gòu)，通過這種機(jī)制在 熔體表面形成一層保護(hù)性的氧化膜，達(dá)到提高合金高溫氧化抗力的目的。本發(fā)明中，第三組元含量的添加原則是在提高合金表面抗氧化性能的條件下，第 三組元以最小添加量進(jìn)行添加。換言之，當(dāng)?shù)谌M元合金添加過少時，不能形成連續(xù)性的保 護(hù)性氧化膜，合金的抗氧化性能沒有提高，而第三組元添加量過多時，合金的一些基本性能 (如熔點(diǎn)、粘度、潤濕性等)均會發(fā)生一些不確定的變化，后者可能會影響合金的基本焊接 性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的合金與現(xiàn)有的Sn-Cu搪錫工藝相容性匹配較好，因此 易于獲得推廣使用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下本發(fā)明合金不含有重金屬鉛，同時由于第三組元的加入，液態(tài) 合金可以在280-400°C范圍有較好的抗高溫氧化的能力，氧化渣較少，因此可提高產(chǎn)品質(zhì) 量，降低搪錫工藝中的錫耗，節(jié)省生產(chǎn)成本。本發(fā)明可廣泛的應(yīng)用于Cu或銅合金、普通碳鋼 或不銹鋼，以及鋁或鋁合金的表面無鉛搪錫工藝。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于下述具體合金成份。實(shí)施例1配制Cu4.0%，AgO. 01%, GaO. 01%, SbO. 01%, SiO. 01%，其余為 Sn 的 Sn-Cu 合 金，選擇一種普通的熔煉技術(shù)將Sn熔化，然后加入已按重量百分比稱好的合金元素加入到 熔融的Sn中，使之溶解并攪拌均勻，最后鑄錠備用。取該合金置于一敞口坩堝中，用馬弗爐加熱熔化，并升溫至40(TC，保溫20分鐘， 然后用鋼片將表面初始氧化渣輕輕刮去露出面表銀白色金屬熔體，并繼續(xù)在大氣下氧化1 小時，金屬熔體表面仍然呈銀白色光澤，說明合金在此溫度下，抗氧化性能優(yōu)良。實(shí)施例2配制CuO. 7 %，GeO. 005 %，其余為Sn的Sn-Cu合金，采用實(shí)施例1的方法進(jìn)行試 驗(yàn)，氧化溫度為280°C，氧化1小時后，液面仍然保持銀亮色，說明合金抗氧化性能優(yōu)良。實(shí)施例3配制CuO. 1 %，TiO. 001%, P0. 01%, NiO. 001%,其余為 Sn 的合金，按照實(shí)施例 1 的方法進(jìn)行試驗(yàn)，氧化溫度為300°C，大氣下氧化1小時，熔體液面仍然保持銀亮色，說明抗 氧化能力優(yōu)良。實(shí)施例4配制Cu3%，A10. 001%, SiO. 005%, GeO. 005%, ZrO. 001%，其余為 Sn 的合金，按 照實(shí)施例1的方法進(jìn)行試驗(yàn)，氧化溫度為350°C，大氣下氧化1小時熔體液面仍然保持銀亮 色，說明該合金抗氧化能力優(yōu)良。對比例1配制Cu4%，其余為Sn的Sn-Cu合金，按實(shí)施例1的方法進(jìn)行試驗(yàn)，大氣下氧化2 分鐘后，即形成一層可見的表面氧化膜，失去金屬光澤，說明該合金大氣下的抗氧化能力很 低。對比例2配制CuO. 1%，GeO. 0005%，其余為Sn的合金(低于本發(fā)明的濃度下限)，采用實(shí) 施例1的方法進(jìn)行試驗(yàn)，氧化溫度為300°C，大氣下氧化約3分鐘后，表面即形成一層可見的 氧化膜，說明合金的抗氧化能力較低。
權(quán)利要求
一種抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特征是，在Sn Cu 元合金的基礎(chǔ)上，添加微量的第三組元；無鉛搪錫合金的重量百分組成為Cu 0.1 5.0％；第三組元 0.001 0.05％；Sn及不可避免的雜質(zhì) 余量；其中，第三組元指Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge，Al，Ga，Zr中的一種或兩種以上元素之復(fù)合。
2.按權(quán)利要求1所述的抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特征是，Cu含量的優(yōu)選范圍為 0. 7-4. O0丄
3.按權(quán)利要求1所述的抗高溫氧化的無鉛搪錫合金，其特征是，第三組元含量的優(yōu)選 范圍為 0. 005-0. 02%。
全文摘要
本發(fā)明屬于電器制造領(lǐng)域，涉及電器元器件焊接表面搪錫所使用的錫基合金，具體地說是一種Sn-Cu基高溫抗氧化型無鉛搪錫合金，其合金的組成為Cu0.1-5.0％，第三組元(Ag，Sb，P，Si，Ti，Ni，Ge，Al，Ga，Zr中的一種或幾種復(fù)合)含量為0.001-0.05％，其余為Sn及不可避免的雜質(zhì)(以上均按重量百分比)。與普通錫合金相比，本發(fā)明合金不含有重金屬鉛，同時由于第三組元的加入，液態(tài)合金可以在280-400℃范圍有較好的抗高溫氧化的能力，可廣泛的應(yīng)用于Cu或銅合金、普通碳鋼或不銹鋼，以及鋁或鋁合金的表面無鉛搪錫工藝。
文檔編號B23K1/20GK101988165SQ200910012840
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者冼愛平 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所