專利名稱：一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
釬料種類和牌號(hào)多達(dá)數(shù)百種，根據(jù)組成釬料的主要元素含量的多少可以劃分為Sn 基、Pb基、Zn基、In基、Ag基、Ni基、Ti基、Al基、Co基、Cu基、Zr基、Pd基禾口 Au基等。針料根據(jù)其熔化溫度又可以劃分為軟釬料和硬釬料。釬料液相線低于450°C的稱為軟釬料，液相線高于450°C的稱為硬釬料。適合釬焊銅和鋼的軟釬料主要有SnPb釬料和無(wú)Pb釬料。SnPb釬料是在純Sn 中加入Pb，Sn的含量在10-90% (Wt/%，質(zhì)量百分比)范圍變化，同時(shí)為了改善釬料的性能，通常加入少量Ag、Zn、Bi和Sb等元素，熔化溫度范圍183°C -300°C，釬焊接頭抗拉強(qiáng)度 30Mpa-50Mpa,剪切強(qiáng)度25Mpa-35Mpa ；特點(diǎn)就是熔化溫度低，流動(dòng)性和潤(rùn)濕性好，適應(yīng)于釬焊接頭強(qiáng)度要求較低和工作溫度一般低于100°C的部件。SnPb釬料可以釬焊銅、鐵、鋼和各種合金鋼等材料，廣泛應(yīng)用于電子與機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)。SnPb釬料含有一定量的Pb，Pb是一種具有毒性的金屬元素，長(zhǎng)期與含鉛物質(zhì)接觸將對(duì)人體健康造成危害。從2006年7月1日起，電子與機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)普遍采用無(wú)Pb釬料進(jìn)行釬焊。無(wú)Pb釬料主要有兩大類，SnAgCu 系合金(包括SnAg、SnCu)和SnZn系合金，熔化溫度范圍180_250°C。其中，SnZn系合金熔化溫度低，其共晶成分的熔點(diǎn)為198°C，與SnPb共晶釬料的熔點(diǎn)183°C相接近，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)發(fā)明專利多達(dá)百件，已授權(quán)發(fā)明專利幾十件，相關(guān)發(fā)明專利〔1〕“含稀土的錫基無(wú)鉛釬料及其制備方法”，授權(quán)專利號(hào)=200410101248. 3，該釬料含有重量百分比為4-10 %的Zn, 0. 05-1 % 的Re，其余為Sn ；〔2〕"SnZn系無(wú)鉛釬料”，授權(quán)專利號(hào)200410069250. 7，該無(wú)鉛釬料按重量百分比含有4-12 %的Zn，0. 05-2. 0 %的Ag或1-5 %的Bi，0-1 %的La稀土或Ce稀土或 La/Ce混合稀土，其余為Sn。日本、歐洲和美國(guó)等國(guó)家有關(guān)SnZn系無(wú)鉛釬料授權(quán)發(fā)明專利也有幾十件。適合釬焊銅的硬釬料主要有Ag基、Cu基釬料和CuP釬料；而適合釬焊鋼的硬釬料種類較多，主要有Ag基、Cu基、Ni基、Ti基、Co基、Pd基和Au基等釬料。硬釬料的特點(diǎn)就是熔化溫度較高，釬焊溫度通常高于650°C以上，釬焊過(guò)程中釬料與被焊材料在界面發(fā)生作用，對(duì)材料的組織和性能有一定的影響，適應(yīng)于接頭強(qiáng)度和工作溫度要求較高的部件。近年來(lái)，隨著技術(shù)創(chuàng)新與高技術(shù)產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，對(duì)釬焊技術(shù)和釬料提出了新的要求，尤其是一些新型功能材料在連接過(guò)程中，采用軟釬料釬焊，接頭強(qiáng)度和使用工作溫度不能滿足要求；采用硬釬料釬焊，由于其組織與性能對(duì)溫度與成分變化極為敏感，釬焊后材料組織和性能受到較大的損傷。如TiNi形狀記憶合金釬焊溫度超過(guò)50(TC，拉斷應(yīng)力降低40 %以上，超彈性降低50 %。儀表工業(yè)常用的壓鑄銅及鍍銀銅，采用硬釬料釬焊，表面會(huì)出現(xiàn)起泡、鍍銀層剝落現(xiàn)象；銅的再結(jié)晶退火溫度為470°C左右，硬釬料釬焊后接頭熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，薄件釬焊易變形。同時(shí)，為了滿足復(fù)雜部件進(jìn)行多步釬焊工藝的需要，通過(guò)降低釬焊溫度減小部件的變形，節(jié)省釬焊后的整型工時(shí)，迫切希望提供熔化溫度在350-500°C的釬料。如銅制散熱器的釬焊，由于其生產(chǎn)特點(diǎn)，其釬焊次序不一致，如果前后釬縫所用的釬料熔化溫度相差不大，往往在后道釬縫的釬焊時(shí)，造成前道釬縫熔化，導(dǎo)致散熱器的這些部位漏水，釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料可以用來(lái)解決汽車、拖拉機(jī)散熱器水室與進(jìn)出水管、冷卻管與主片的釬焊，提高這些部位釬縫的再熔化溫度及其強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供熔化溫度范圍350-500°C，綜合性能優(yōu)良，成本低廉的釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料。本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料，以Zn作為釬料的基礎(chǔ)合金成分，添加Sn， Cu、Bi、Ni元素構(gòu)成中溫鋅基釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/% =Zn :85-95，Sn 1-5，Cu :1-4，Bi :2-4，Ni :1_2。如上述的一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料的制備方法，采用純度為99. 99%，并按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合稱取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩堝；再將坩堝置于井式電阻爐中加熱并熔化，用熱電偶直接插入爐體進(jìn)行加熱溫度監(jiān)測(cè)；冶煉時(shí)，釬料表面添加覆蓋劑，以減少合金元素的氧化與燒損，并使熔融的釬料充分除氣與脫渣；熔煉溫度控制在500-550°C范圍，保溫時(shí)間10分鐘，并充分將合金元素?cái)嚢杈鶆?。所添加的覆蓋劑為金屬鹽，金屬鹽成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/% =ZnCl2 :50，NaCl 20，CdCl2 :30ο釬料合金成分按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合Wt/% (I)Zn:85，Sn:5, Cu4，Bi:4，Ni2
(2) Zn:90，Sn:2，Cu2，Bi:4，Ni2
(3) Zn:90，Sn:1, Cu4，Bi:4，Ni1
⑷Zn:92，Sn:3, Cu1，Bi:3，Ni1
(5) Zn:92，Sn:3, Cu1，Bi:2，Ni2
(6) Zn:92，Sn:1, Cu3，Bi:3，Ni1
(7) Zn:93，Sn:3, Cu1，Bi:2，Ni1
(8) Zn:94，Sn:1, Cu1，Bi:3，Ni1
(9) Zn:95，Sn:1, Cu1，Bi:2，Ni1 本發(fā)明的釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料是以Zn作為基礎(chǔ)合金成分，添加Sn，Cu、Bi、 Ni元素構(gòu)成中溫鋅基釬料。添加Cu和Ni可以提高釬料的組織致密性和力學(xué)性能，Ni元素還能提高釬料的抗氧化和腐蝕性能。釬料中添加Cu和M元素含量過(guò)多會(huì)使液相線顯著提高，導(dǎo)致釬料熔化溫度的提高。添加Sn和Bi元素可以改善釬料的工藝性能(潤(rùn)濕性、漫流性和填縫性等)。釬料中添加Sn和Bi元素含量過(guò)多又會(huì)使固相線顯著降低，導(dǎo)致釬料熔化溫度的降低。本發(fā)明根據(jù)各種添加元素的作用機(jī)理，在綜合考慮到釬料的成本、熔化溫度范圍、工藝性能、物理、化學(xué)和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，采用兼有上下界約束的混料試驗(yàn)極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)加入的合金元素進(jìn)行優(yōu)化，使釬料的熔化溫度范圍在350-500°C之間。
具體實(shí)施例方式通過(guò)以下給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步具體闡述。一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料，以Zn作為釬料的基礎(chǔ)合金成分，添加Sn，Cu、 Bi、Ni元素構(gòu)成中溫鋅基釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)(Wt/% ) =Zn :85-95，Sn 1-5，Cu :1-4，Bi :2-4，Ni :1_2。熔點(diǎn)在350_500°C的金屬有Zn、Pb和Cd三種元素。Pb的密度大，在固態(tài)和液態(tài)與銅和鋼的相互作用能力差，且Pb和Pb化合物有毒，給人類環(huán)境和安全帶來(lái)不可忽視的危險(xiǎn)。Cd給人類環(huán)境和安全帶來(lái)的危害比Pb更嚴(yán)重。Pb和Cd不適合作釬料基礎(chǔ)成分。Zn 的熔點(diǎn)是419°C，加入合適的合金元素可將釬料熔化溫度范圍調(diào)整到350-500°C內(nèi)；同時(shí)， Zn與Cu、Fe的相互作用能力較強(qiáng)，因此，只有Zn適合用來(lái)作釬料的基礎(chǔ)成分。純Zn很脆， 組織不致密，易氧化，為了改善Zn基釬料的工藝性能(潤(rùn)濕性、漫流性和填縫性等)、提高其物理、化學(xué)和力學(xué)性能，采取了加入多元、微量合金元素的方法。合金元素的選擇應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素(1)調(diào)整釬料合金系統(tǒng)熔化溫度范圍應(yīng)能控制在350-500°C之間；(2)改善釬料的工藝性能；(3)提高釬料的力學(xué)性能和組織致密性；(4)提高釬料的抗氧化性能和耐蝕性能。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在多元合金元素的作用下，由于加入的合金元素要與被釬焊材料和釬料中的其它元素同時(shí)作用，使得各合金元素對(duì)釬料的組織、物理、化學(xué)和力學(xué)性能的貢獻(xiàn)大小是不一樣的。本發(fā)明所用材料Zn、Sn、Cu、Bi和Ni純度均為99. 99%，按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合稱取Zn、Sn、CU、Bi和Ni放入陶瓷坩堝，再將坩堝置于井式電阻爐中加熱并熔化，用熱電偶直接插入爐體進(jìn)行加熱溫度監(jiān)測(cè)。冶煉時(shí)，釬料表面添加特殊配制的覆蓋劑，以最大限度地減少合金元素的氧化與燒損，并使熔融的釬料充分除氣與脫渣。所添加的覆蓋劑為金屬鹽， 金屬鹽成分按質(zhì)量百分比計(jì)(Wt/% ) =ZnCl2 :50，NaCl :20，CdCl2 :30。熔煉溫度應(yīng)控制在 500-550°C范圍，保溫時(shí)間10分鐘，并充分將合金元素?cái)嚢杈鶆?。用上述方法冶煉釬料，成分均勻，釬料總燒損系數(shù)小于0. 1%。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 11364-2008釬料潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法》 和《GB/T 11363-2008釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)定了釬料的潤(rùn)濕性能和接頭強(qiáng)度。本發(fā)明的釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)(1)熔化溫度范圍 392-418 0C ；⑵潤(rùn)濕性良好對(duì)銅的潤(rùn)濕面積達(dá)到180-220mm2，對(duì)鋼的潤(rùn)濕面積達(dá)到 140-180mm2 ； (3)釬焊銅和鋼接頭抗剪強(qiáng)度為35_45Mpa。下述所有實(shí)施例均采用純度為99. 99%的Zn、Sn、Cu、Bi和Ni金屬，運(yùn)用兼有上下界約束混料試驗(yàn)極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，對(duì)釬料合金成分進(jìn)行優(yōu)化，形成以下技術(shù)方案，按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合稱取Zn、Sn、CU、Bi和Ni放入陶瓷坩堝加熱熔化。釬料熔煉工藝相同，即 熔煉溫度應(yīng)控制在500-550°C范圍，保溫時(shí)間10分鐘，并充分將合金元素?cái)嚢杈鶆?，冶煉過(guò)程中，釬料表面添加覆蓋劑，覆蓋劑成分為金屬鹽，金屬鹽成分按質(zhì)量百分比計(jì)(Wt/%) ZnCl2 :50，NaCl :20，CdCl2 :30。實(shí)施例見(jiàn)下表1和2:表1中溫鋅基釬料成分及其釬焊銅的性能
權(quán)利要求
1.一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料，其特征在于，以Zn作為釬料的基礎(chǔ)合金成分，添加Sn，Cu,Bi,Ni元素構(gòu)成中溫鋅基釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/% =Zn =85-95, Sn 1-5, Cu 1-4, Bi :2_4，Ni :1_2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料的制備方法，其特征在于，采用純度為99. 99%,并按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合稱取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩堝；再將坩堝置于井式電阻爐中加熱并熔化，用熱電偶直接插入爐體進(jìn)行加熱溫度監(jiān)測(cè)；冶煉時(shí)，釬料表面添加覆蓋劑，以減少合金元素的氧化與燒損，并使熔融的釬料充分除氣與脫渣；熔煉溫度控制在500-550°C范圍，保溫時(shí)間10分鐘，并充分將合金元素?cái)嚢杈鶆颉?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料制備方法，其特征在于，所添加的覆蓋劑為金屬鹽，金屬鹽成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/% =ZnCl2 50, NaCl :20，CdCl2 :30。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料制備方法，其特征在于，釬料合金成分按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合Wt/% l)Zn:85，Sn:5，Cu4，Bi:4，Ni22) Zn:90，Sn:2，Cu2，Bi:4，Ni23) Zn:90，Sn:1，Cu4，Bi:4，Ni14) Zn:92，Sn:3，Cu1，Bi:3，Ni15) Zn:92，Sn:3，Cu1，Bi:2，Ni26) Zn:92，Sn:1，Cu3，Bi:3，Ni17) Zn:93，Sn:3，Cu1，Bi:2，Ni18) Zn:94，Sn:1，Cu1，Bi:3，Ni19) Zn:95，Sn:1，Cu1，Bi:2，Ni全文摘要
本發(fā)明涉及一種釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料及其制備方法。其目的是提供一種綜合性能優(yōu)良，成本低廉的釬焊銅和鋼的中溫鋅基釬料。該釬料以Zn作為釬料的基礎(chǔ)合金成分，添加Sn，Cu、Bi、Ni元素構(gòu)成中溫鋅基釬料，釬料合金成分按質(zhì)量百分比計(jì)Wt/％Zn85-95，Sn1-5，Cu1-4，Bi2-4，Ni1-2。制備方法，采用純度為99.99％，并按優(yōu)化試驗(yàn)配比組合稱取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩堝；再將坩堝置于井式電阻爐中加熱并熔化，用熱電偶直接插入爐體進(jìn)行加熱溫度監(jiān)測(cè)；冶煉時(shí)，釬料表面添加覆蓋劑；熔煉溫度控制在500-550℃范圍，保溫時(shí)間10分鐘，并充分將合金元素?cái)嚢杈鶆颉?br> 文檔編號(hào)C22C18/00GK102500949SQ20111034167
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月3日
發(fā)明者白楊, 邢飛, 邱小明, 馬菲 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)