一种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料及其加工制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种焊接材料，具体涉及一种用于埋弧焊接领域的无铅焊料，所述无铅焊料由下述重量百分比的组分组成：Cu:0.2-0.8%，Ni-V合金颗粒：0.075-0.5%，纳米ZrO2颗粒：0.1-1.2%，余量为Sn。还涉及其制备方法，包括以下步骤：将无铅焊料的组分按所述的质量配比混合均匀后，放入Al2O3坩埚中，将坩埚置于400℃至600℃的电阻炉中进行熔炼，完全熔化后，进行100min至200min保温，保温后进行充分搅拌，出炉，浇注于焊条模具中，冷却后获得无铅焊料条。该无铅焊料同时具备润湿性好但不产生电磁感应的、具有好的蠕变性能并且耐氧化等优点。
【专利说明】一种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料及其加工制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种焊接材料，具体涉及一种用于埋弧焊接领域的无铅焊料。
【背景技术】
[0002] 传统的焊料为Pb-Sn焊料，此种焊料由于润湿性好，焊接后的可靠性较高并且价 格便宜，得到了广泛的应用。但是，由于Pb元素具有毒性，由Pb焊料制造后的产品会对环 境和人体造成极大的危害，不符合"绿色工业"与"可持续发展"的要求。因此世界各国都 明确规定禁止使用Pb焊料，如欧盟于2003年发布的WEEE指令与ROHS指令。而我国也明 确规定自2007年3月起禁止使用含Pb焊料。因此无铅焊料的发展是势在必行的。
[0003] 目前应用较多的无铅焊料有如下种类：Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Ag-Cu。但上述焊 料在使用过程中都存在一些问题，如：Sn-Cu焊料价格便宜但润湿性差；Sn-Ag焊料润湿性 虽优于Sn-Cu，但由于贵金属Ag的存在，故成本太高；Sn-Zn焊料具有高的懦变抗力和热疲 劳性能，但由于Zn活性太大，Sn-Zn焊料耐蚀性很差。专利号CN201410228913《一种无铅 焊料》中提出采用加入纳米Ni颗粒来提高焊料的润湿性的方法。但是由于Ni属于铁磁性 物质，并且其在常温下的磁化率可达1〇_ 3数量级，对于焊料合金而言，容易产生电磁感应， 会对焊料使用中的稳定性造成很大影响。
【发明内容】
[0004] 针对上述提到的问题，本发明所要解决的问题就是开发一种用于埋弧焊接领域的 无铅焊料，该无铅焊料同时具备润湿性好但不产生电磁感应的、具有好的蠕变性能并且耐 氧化等优点。本发明的目的是通过下列技术方案实现的： 一种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料，其特征在于它由下述重量百分比的组分组成： Cu :0· 2-0. 8%，Ni-V 合金颗粒：0· 075-0. 5%，纳米 ZrO2颗粒：0· 1-1. 2%，余量为 Sn。
[0005] 所述Ni-V合金颗粒为Ni3V颗粒、Ni2V颗粒或附％颗粒中的一种。
[0006] 优选的，所述Ni-V合金颗粒为Ni3V颗粒，由下述重量百分比的组分组成：Ni : 77. 3%，V :22· 7%。
[0007] 优选的，所述Ni-V合金颗粒为Ni2V颗粒，由下述重量百分比的组分组成： Ni:69. 5%，V :30· 5%。
[0008] 优选的，所述Ni-V合金颗粒为NiV3颗粒，由下述重量百分比的组分组成：Ni : 27. 5%，V :72· 5%。
[0009] 所述Ni-V合金颗粒是由下述方法制得： 将上述质量百分数的Ni粉与V粒混合后进行真空电弧熔炼，完全熔炼后，取出。而后 将熔炼后的Ni-V合金放入700°C至900°C的退火炉中进行为期5至9天的退火，取出退火 后的Ni-V合金，利用纳米球磨机进行球磨，设置转速为1000 rpm至2000rpm，球磨时间为 5h至8h，即得所述Ni-V合金颗粒。
[0010] 优选的，上述的退火炉的温度为800°c。
[0011] 优选的，利用纳米球磨机进行球磨，设置转速为1500rpm。
[0012] 优选的，上述球磨时间为6h。
[0013] 所述Ni-V合金颗粒粒径为3 μ m至40 μ m。
[0014] 所述纳米ZrO2颗粒粒径为10 nm至60nm。
[0015] 作为优选，在上述无铅焊料合金中，所述无铅焊料合金含有以下成分的重量百分 比： Cu :0· 3-0. 8%，Ni3V :0· 1-0. 3%，纳米 ZrO2: 0· 1-1. 2%，余量为 Sn。
[0016] 作为优选，在上述无铅焊料合金中，所述无铅焊料合金含有以下成分的重量百分 比： Cu:0. 3-0. 8%，Ni2V:0. 15-0. 4%，纳米 Zr02:0. 1-1. 2%，余量为 Sn。
[0017] 作为优选，在上述无铅焊料合金中，所述无铅焊料合金含有以下成分的重量百分 比： Cu:0. 3-0. 8%，NiV3:0. 08-0. 2%，纳米 Zr02:0. 1-1. 2%，余量为 Sn。
[0018] 本发明还提供了上述无铅焊料的制备方法，其技术方案如下： 一种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：将Cu粉、纳米ZrO2 颗粒、制备的Ni-V合金颗粒、Sn块按照上述质量百分比混合均匀放入Al2O3坩埚中，将坩埚 置于400°C至600°C的电阻炉中进行熔炼，完全熔化后，进行IOOmin至200min保温，保温后 进行充分搅拌，出炉，浇注于焊条模具中，冷却后获得无铅焊料条。
[0019] 优选的，在电阻炉中进行熔炼的温度为500°C。
[0020] 优选的，完全熔化后，进行保温的时间为150min。
[0021] 本发明的优点是： (i> Ni-V合金的添加可以充当表面活性剂，吸附在熔融焊料表面，利于焊料在基板表面 的铺展，减小其润湿角，从而提高焊料的润湿性。
[0022] l2) Ni-V合金的添加还可与Sn形成扩散阻碍层Ni3Sng VSn 2，可有效的抑制焊料 合金中的Cu元素以及在封装过程中基板Cu元素扩散到Sn中形成Cu3Sn等降低封装质量 的金属间化合物。
[0023] ?3) V的加入有效的消除了 Ni的磁性，因此大大的提高了焊料合金的稳定性。
[0024] (4)添加的纳米ZrO2材料由于晶粒度细小，可以起到细晶强化的作用，有效的提高 焊料合金的强度和塑性，进而提高焊接接头的蠕变性能。
[0025] ΙΛ>纳米21"02具有较好的抗氧化性能，因此还可以大大的改善本无铅焊料的耐氧化 性。
[0026] 综上，本发明无铅焊料润湿性好，但不具有磁性。同时具有好的强韧性与蠕变性 能，且有一定的耐氧化性，是一种综合性能优良的无铅焊料。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图I :纳米ZrO2的添加对焊料合金蠕变断裂性能的影响。
[0028] 图2 :添加纳米ZrO2颗粒前的焊料合金的显微组织。
[0029] 图3 :添加纳米ZrO2颗粒后的焊料合金的显微组织。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合实施例对发明进行进一步说明。
[0031] 实施例1 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 5%，Ni3V :0. 2%，纳米 ZrO2颗粒：0. 6%，余量为 Sn。
[0032] 按照上述的重量百分比，将Cu粉，Ni3V颗粒，纳米ZrO2颗粒，以及Sn块，混合均勾 后，取总质量2Kg，放置于Al 2O3坩埚中，而后将其送入500°C的电阻炉中进行熔炼。完全熔 化后，保温150min，充分搅拌后出炉，浇注于焊条模具中，冷却后获得无铅焊料条。
[0033] 实施例2 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 7%，Ni2V :0· 3%，纳米 ZrO2颗粒：0· 5%，余量为 Sn。
[0034] 该实施例中无铅焊料条的制备方法与实施例1中的无铅焊料条的制备方法一致， 区别仅在于无铅焊料条中的各组分的重量百分比按照本实施例中称取。
[0035] 实施例3 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 5%，NiV3:0. 1%，纳米 ZrO2颗粒：0· 8%，余量为 Sn。
[0036] 该实施例中无铅焊料条的制备方法与实施例1中的无铅焊料条的制备方法一致， 区别仅在于无铅焊料条中的各组分的重量百分比按照本实施例中称取。
[0037] 实施例4 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 5%，Ni2V :0· 2%，纳米 ZrO2颗粒：0· 7%，余量为 Sn。
[0038] 该实施例中无铅焊料条的制备方法与实施例1中的无铅焊料条的制备方法一致， 区别仅在于无铅焊料条中的各组分的重量百分比按照本实施例中称取。
[0039] 实施例5 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 5%，Ni2V :0. 2%，纳米 ZrO2颗粒：0. 9%，余量为 Sn。
[0040] 该实施例中无铅焊料条的制备方法与实施例1中的无铅焊料条的制备方法一致， 区别仅在于无铅焊料条中的各组分的重量百分比按照本实施例中称取。
[0041] 实施例6 一种高润湿耐氧化无铅焊料，由下述重量百分比的原料组成： Cu:0. 5%，Ni2V :0. 2%，纳米 ZrO2颗粒：1. 0%，余量为 Sn。
[0042] 该实施例中无铅焊料条的制备方法与实施例1中的无铅焊料条的制备方法一致， 区别仅在于无铅焊料条中的各组分的重量百分比按照本实施例中称取。
[0043] 将实施例1-6提供的无铅焊料进行性能测试，测试方法如表1所示： 表1性能测试所用方法及仪器列表
【权利要求】
1. 一种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料，其特征在于：它由下述重量百分比的组分组 成： Cu:0. 2-0. 8%，Ni-V 合金颗粒：0? 075-0. 5%，纳米 Zr02颗粒：0? 1-1. 2%，余量为 Sn。
2. 如权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于：所述Ni-V合金颗粒为Ni 3V颗粒、Ni2V 颗粒或NiV3颗粒中的一种。
3. 如权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于：由下述重量百分比的组分组成：Cu : 0? 3-0. 8%，Ni3V :0? 1-0. 3%，纳米 Zr02:0. 1-1. 2%，余量为 Sn。
4. 如权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于：由下述重量百分比的组分组成： Cu:0. 3-0. 8%，Ni2V:0. 15-0. 4%，纳米 Zr02:0. 1-1. 2%，余量为 Sn。
5. 如权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于：由下述重量百分比的组分组成： Cu:0. 3-0. 8%，NiV3:0. 08-0. 2%，纳米 Zr02:0. 1-1. 2%，余量为 Sn。
6. 如权利要求1所述，其特征在于：所述纳米ZrO 2颗粒的粒径为10 nm至60nm。
7. 如权利要求2所述，其特征在于：所述Ni-V合金颗粒的粒径为3 y m至40 y m。
8. 如权利要求2所述的无铅焊料，其特征在于：所述Ni-V合金颗粒是由下述重量百分 比的组分组成： Ni-V合金颗粒为Ni3V，其中Ni :77. 3%，V :22. 7% ;或者Ni-V合金颗粒为Ni2V，其中Ni : 69. 5%，V :30. 5% ;或者 Ni-V 合金颗粒为 NiV3,其中 Ni :27. 5%，V :72. 5%。
9. 如权利要求2至5任一项所述的无铅焊料，其特征在于：所述Ni-V合金颗粒是由下 述方法制得： 将Ni粉与V粒混合后进行真空电弧熔炼，完全熔炼后，取出Ni-V合金，放入700°C至 900°C的退火炉中进行为期5至9天的退火，取出退火后的Ni-V合金，利用纳米球磨机进行 球磨，设置转速为1000 rpm至2000rpm，球磨时间为5h至8h，即得所述Ni-V合金颗粒。
10. -种埋弧焊用高润湿耐氧化无铅焊料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤： 将如权利要求1所述的无铅焊料的组分按所述的质量配比混合均匀后，放入A1203坩埚 中，将坩埚置于400°C至600°C的电阻炉中进行熔炼，完全熔化后，进行lOOmin至200min保 温，保温后进行充分搅拌，出炉，浇注于焊条模具中，冷却后获得无铅焊料条。
【文档编号】B23K35/362GK104476006SQ201410653989
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】姚正军, 姚一波, 罗西希, 林玉划, 周艳军 申请人:南京航空航天大学