专利名称：一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术：
钎料种类和牌号多达数百种，根据组成钎料的主要元素含量的多少可以划分为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。针料根据其熔化温度又可以划分为软钎料和硬钎料。钎料液相线低于450°C的称为软钎料，液相线高于450°C的称为硬钎料。适合钎焊铜和钢的软钎料主要有SnPb钎料和无Pb钎料。SnPb钎料是在纯Sn 中加入Pb，Sn的含量在10-90% (Wt/%，质量百分比)范围变化，同时为了改善钎料的性能，通常加入少量Ag、Zn、Bi和Sb等元素，熔化温度范围183°C -300°C，钎焊接头抗拉强度 30Mpa-50Mpa,剪切强度25Mpa-35Mpa ；特点就是熔化温度低，流动性和润湿性好，适应于钎焊接头强度要求较低和工作温度一般低于100°C的部件。SnPb钎料可以钎焊铜、铁、钢和各种合金钢等材料，广泛应用于电子与机电产品的生产。SnPb钎料含有一定量的Pb，Pb是一种具有毒性的金属元素，长期与含铅物质接触将对人体健康造成危害。从2006年7月1日起，电子与机电产品的生产普遍采用无Pb钎料进行钎焊。无Pb钎料主要有两大类，SnAgCu 系合金(包括SnAg、SnCu)和SnZn系合金，熔化温度范围180_250°C。其中，SnZn系合金熔化温度低，其共晶成分的熔点为198°C，与SnPb共晶钎料的熔点183°C相接近，国内申请发明专利多达百件，已授权发明专利几十件，相关发明专利〔1〕“含稀土的锡基无铅钎料及其制备方法”，授权专利号=200410101248. 3，该钎料含有重量百分比为4-10 %的Zn, 0. 05-1 % 的Re，其余为Sn ；〔2〕"SnZn系无铅钎料”，授权专利号200410069250. 7，该无铅钎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，其余为Sn。日本、欧洲和美国等国家有关SnZn系无铅钎料授权发明专利也有几十件。适合钎焊铜的硬钎料主要有Ag基、Cu基钎料和CuP钎料；而适合钎焊钢的硬钎料种类较多，主要有Ag基、Cu基、Ni基、Ti基、Co基、Pd基和Au基等钎料。硬钎料的特点就是熔化温度较高，钎焊温度通常高于650°C以上，钎焊过程中钎料与被焊材料在界面发生作用，对材料的组织和性能有一定的影响，适应于接头强度和工作温度要求较高的部件。近年来，随着技术创新与高技术产品的不断涌现，对钎焊技术和钎料提出了新的要求，尤其是一些新型功能材料在连接过程中，采用软钎料钎焊，接头强度和使用工作温度不能满足要求；采用硬钎料钎焊，由于其组织与性能对温度与成分变化极为敏感，钎焊后材料组织和性能受到较大的损伤。如TiNi形状记忆合金钎焊温度超过50(TC，拉断应力降低40 %以上，超弹性降低50 %。仪表工业常用的压铸铜及镀银铜，采用硬钎料钎焊，表面会出现起泡、镀银层剥落现象；铜的再结晶退火温度为470°C左右，硬钎料钎焊后接头热影响区出现软化现象，薄件钎焊易变形。同时，为了满足复杂部件进行多步钎焊工艺的需要，通过降低钎焊温度减小部件的变形，节省钎焊后的整型工时，迫切希望提供熔化温度在350-500°C的钎料。如铜制散热器的钎焊，由于其生产特点，其钎焊次序不一致，如果前后钎缝所用的钎料熔化温度相差不大，往往在后道钎缝的钎焊时，造成前道钎缝熔化，导致散热器的这些部位漏水，钎焊铜和钢的中温锌基钎料可以用来解决汽车、拖拉机散热器水室与进出水管、冷却管与主片的钎焊，提高这些部位钎缝的再熔化温度及其强度。
发明内容
本发明的目的是提供熔化温度范围350-500°C，综合性能优良，成本低廉的钎焊铜和钢的中温锌基钎料。本发明的上述目的是这样实现的所述一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料，以Zn作为钎料的基础合金成分，添加Sn， Cu、Bi、Ni元素构成中温锌基钎料，钎料合金成分按质量百分比计Wt/% =Zn :85-95，Sn 1-5，Cu :1-4，Bi :2-4，Ni :1_2。如上述的一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料的制备方法，采用纯度为99. 99%，并按优化试验配比组合称取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩埚；再将坩埚置于井式电阻炉中加热并熔化，用热电偶直接插入炉体进行加热温度监测；冶炼时，钎料表面添加覆盖剂，以减少合金元素的氧化与烧损，并使熔融的钎料充分除气与脱渣；熔炼温度控制在500-550°C范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均勻。所添加的覆盖剂为金属盐，金属盐成分按质量百分比计Wt/% =ZnCl2 :50，NaCl 20，CdCl2 :30ο钎料合金成分按优化试验配比组合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 本发明的钎焊铜和钢的中温锌基钎料是以Zn作为基础合金成分，添加Sn，Cu、Bi、 Ni元素构成中温锌基钎料。添加Cu和Ni可以提高钎料的组织致密性和力学性能，Ni元素还能提高钎料的抗氧化和腐蚀性能。钎料中添加Cu和M元素含量过多会使液相线显著提高，导致钎料熔化温度的提高。添加Sn和Bi元素可以改善钎料的工艺性能(润湿性、漫流性和填缝性等)。钎料中添加Sn和Bi元素含量过多又会使固相线显著降低，导致钎料熔化温度的降低。本发明根据各种添加元素的作用机理，在综合考虑到钎料的成本、熔化温度范围、工艺性能、物理、化学和力学性能的基础上，采用兼有上下界约束的混料试验极端顶点设计方法，对加入的合金元素进行优化，使钎料的熔化温度范围在350-500°C之间。
具体实施例方式通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料，以Zn作为钎料的基础合金成分，添加Sn，Cu、 Bi、Ni元素构成中温锌基钎料，钎料合金成分按质量百分比计(Wt/% ) =Zn :85-95，Sn 1-5，Cu :1-4，Bi :2-4，Ni :1_2。熔点在350_500°C的金属有Zn、Pb和Cd三种元素。Pb的密度大，在固态和液态与铜和钢的相互作用能力差，且Pb和Pb化合物有毒，给人类环境和安全带来不可忽视的危险。Cd给人类环境和安全带来的危害比Pb更严重。Pb和Cd不适合作钎料基础成分。Zn 的熔点是419°C，加入合适的合金元素可将钎料熔化温度范围调整到350-500°C内；同时， Zn与Cu、Fe的相互作用能力较强，因此，只有Zn适合用来作钎料的基础成分。纯Zn很脆， 组织不致密，易氧化，为了改善Zn基钎料的工艺性能(润湿性、漫流性和填缝性等)、提高其物理、化学和力学性能，采取了加入多元、微量合金元素的方法。合金元素的选择应考虑以下几个因素(1)调整钎料合金系统熔化温度范围应能控制在350-500°C之间；(2)改善钎料的工艺性能；(3)提高钎料的力学性能和组织致密性；(4)提高钎料的抗氧化性能和耐蚀性能。试验研究发现，在多元合金元素的作用下，由于加入的合金元素要与被钎焊材料和钎料中的其它元素同时作用，使得各合金元素对钎料的组织、物理、化学和力学性能的贡献大小是不一样的。本发明所用材料Zn、Sn、Cu、Bi和Ni纯度均为99. 99%，按优化试验配比组合称取Zn、Sn、CU、Bi和Ni放入陶瓷坩埚，再将坩埚置于井式电阻炉中加热并熔化，用热电偶直接插入炉体进行加热温度监测。冶炼时，钎料表面添加特殊配制的覆盖剂，以最大限度地减少合金元素的氧化与烧损，并使熔融的钎料充分除气与脱渣。所添加的覆盖剂为金属盐， 金属盐成分按质量百分比计(Wt/% ) =ZnCl2 :50，NaCl :20，CdCl2 :30。熔炼温度应控制在 500-550°C范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均勻。用上述方法冶炼钎料，成分均勻，钎料总烧损系数小于0. 1%。按国家标准《GB/T 11364-2008钎料润湿性试验方法》 和《GB/T 11363-2008钎焊接头强度试验方法》测定了钎料的润湿性能和接头强度。本发明的钎焊铜和钢的中温锌基钎料，达到的技术指标(1)熔化温度范围 392-418 0C ；⑵润湿性良好对铜的润湿面积达到180-220mm2，对钢的润湿面积达到 140-180mm2 ； (3)钎焊铜和钢接头抗剪强度为35_45Mpa。下述所有实施例均采用纯度为99. 99%的Zn、Sn、Cu、Bi和Ni金属，运用兼有上下界约束混料试验极端顶点设计方法，对钎料合金成分进行优化，形成以下技术方案，按优化试验配比组合称取Zn、Sn、CU、Bi和Ni放入陶瓷坩埚加热熔化。钎料熔炼工艺相同，即 熔炼温度应控制在500-550°C范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均勻，冶炼过程中，钎料表面添加覆盖剂，覆盖剂成分为金属盐，金属盐成分按质量百分比计(Wt/%) ZnCl2 :50，NaCl :20，CdCl2 :30。实施例见下表1和2:表1中温锌基钎料成分及其钎焊铜的性能
权利要求
1.一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料，其特征在于，以Zn作为钎料的基础合金成分，添加Sn，Cu,Bi,Ni元素构成中温锌基钎料，钎料合金成分按质量百分比计Wt/% =Zn =85-95, Sn 1-5, Cu 1-4, Bi :2_4，Ni :1_2。
2.如权利要求1所述的一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料的制备方法，其特征在于，采用纯度为99. 99%,并按优化试验配比组合称取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩埚；再将坩埚置于井式电阻炉中加热并熔化，用热电偶直接插入炉体进行加热温度监测；冶炼时，钎料表面添加覆盖剂，以减少合金元素的氧化与烧损，并使熔融的钎料充分除气与脱渣；熔炼温度控制在500-550°C范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均勻。
3.根据权利要求2所述的一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料制备方法，其特征在于，所添加的覆盖剂为金属盐，金属盐成分按质量百分比计Wt/% =ZnCl2 50, NaCl :20，CdCl2 :30。
4.根据权利要求2所述的一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料制备方法，其特征在于，钎料合金成分按优化试验配比组合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
本发明涉及一种钎焊铜和钢的中温锌基钎料及其制备方法。其目的是提供一种综合性能优良，成本低廉的钎焊铜和钢的中温锌基钎料。该钎料以Zn作为钎料的基础合金成分，添加Sn，Cu、Bi、Ni元素构成中温锌基钎料，钎料合金成分按质量百分比计Wt/％Zn85-95，Sn1-5，Cu1-4，Bi2-4，Ni1-2。制备方法，采用纯度为99.99％，并按优化试验配比组合称取Zn、Sn、Cu、Bi和Ni放入陶瓷坩埚；再将坩埚置于井式电阻炉中加热并熔化，用热电偶直接插入炉体进行加热温度监测；冶炼时，钎料表面添加覆盖剂；熔炼温度控制在500-550℃范围，保温时间10分钟，并充分将合金元素搅拌均匀。
文档编号C22C18/00GK102500949SQ20111034167
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者白杨, 邢飞, 邱小明, 马菲 申请人:吉林大学