一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法与流程

本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种通过添加na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法。

背景技术

在电子封装、汽车、航空等领域，含铅高温钎料如pb5sn和pb10sn合金有着广泛应用。为了保护人类健康和环境，欧盟出台法令限制了含铅焊料的应用。开发可用于高温焊料的无铅新材料成为科研和产业界的迫切需求。

锌铝共晶合金的熔点较高（381℃），耐蚀性好，且具有高机械强度。利用锌铝共晶合金作为高温钎料，连接al/al、al/cu、cu/cu、ni/ni、mg/mg衬底有着良好的效果。且锌铝共晶合金不含铅，满足欧盟环保法令的要求。应用新的微结构加工技术，锌铝共晶合金展示出的高应变率和超塑性，使其在机械减振器和抗地震器件领域具有潜在应用价值。

然而，作为运输、海洋和航空航天领域迫切需求的高温无铅焊料，需要具备低热膨胀系数，良好的耐蚀性和高机械强度。传统铸态锌铝共晶合金的硬度偏低，热膨胀系数偏高，限制了其在高温焊料领域的应用。na元素广泛分布于陆地和海洋中，是一种人体必需的微量元素，符合开发环保合金的要求。而目前国内外并无添加na元素改善锌铝共晶合金硬度和热膨胀系数的相关专利。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过添加na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法，在提高合金硬度的同时，降低合金的热膨胀系数，使合金可作为高温钎料应用。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：提供一种通过添加na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法，包括步骤：采用纯度为99.9%al、纯度为99.9%zn和纯度为99.95%na为原料，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度500~700℃，保温时间20~40min，模具预热温度300~500℃，浇铸冷却速度0.05~10k/s；所得锌铝共晶合金中na元素含量为0.1~3.0wt%。

所述的频率为150～10000hz的中频感应炉，是为了使熔炼过程中电磁搅拌效果好，减少偏析。

所述的熔炼温度500~700℃，保温时间20~40min，该熔炼条件下可发生固态相变，使铸态锌铝共晶合金中除了zn基体相和共晶α+η相组织外，出现nazn13沉淀相。

所述的模具预热温度300~500℃，浇铸冷却速度0.05~10k/s，是为了使铸态锌铝共晶合金中在凝固过程中组织均匀，避免出现缺陷和内应力。

所述的锌铝共晶合金由如下质量百分比的组元组成：3~7wt%al，0.1~3.0wt%na，余量为zn及不可避免的杂质。

本发明的有益效果是：本发明提供的方法能够使铸态锌铝共晶合金中除了zn基体相和共晶α+η相组织外，出现nazn13沉淀相，从而大幅提高合金的硬度。本发明提供的方法制备的含na锌铝共晶合金硬度高达310hv，相比传统铸态锌铝共晶合金的硬度为75hv，合金硬度有了大幅提高。本发明制得的铸态锌铝共晶合金热膨胀系数小于铸态锌铝共晶合金，可作为高温钎料应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的xrd微观相组成标定图。

图2是本发明实施例1的扫描电镜微观组织形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

采用纯度为99.9%的al、纯度为99.9%的zn和纯度为99.95%的na为原料，按照na元素含量为0.2wt%、al元素含量为5.0wt%、余量为zn的配比，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度500℃，保温时间20min，模具预热温度300℃，浇铸冷却速度0.05k/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样，在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为101hv。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso7991-2007《玻璃.平均线热膨胀系数的测定》规定，切割成10mm×5mm×2mm的试样，在taq400型热膨胀系数仪上进行热膨胀系数试验。试验温度氛围为-50~300°c，加热速度为5°c/min，保护气体为氦气。通过热膨胀系数试验，测得试样的热膨胀系数为29.6×10^-6/k。

将铸造的锌铝共晶合金进行xrd测试，其微观相构成如图1所示，发现试样由富铝α相、富锌η相以及nazn13沉淀相构成。

将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，其微观形貌如图2所示，发现试样由细小层片状的共晶α+η相、粗大枝晶zn基体相和细小颗粒状nazn13沉淀相组成。

实施例2：

采用纯度为99.9%的al、纯度为99.9%的zn和纯度为99.95%的na为原料，按照na元素含量为0.5wt%、al元素含量为5.0wt%、余量为zn的配比，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度550℃，保温时间25min，模具预热温度350℃，浇铸冷却速度1k/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样，在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为168hv。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso7991-2007《玻璃.平均线热膨胀系数的测定》规定，切割成10mm×5mm×2mm的试样，在taq400型热膨胀系数仪上进行热膨胀系数试验。试验温度氛围为-50~300°c，加热速度为5°c/min，保护气体为氦气。通过热膨胀系数试验，测得试样的热膨胀系数为25.8×10^-6/k。

将铸造的锌铝共晶合金进行xrd测试，发现试样由富铝α相、富锌η相以及nazn13沉淀相构成。

将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样由细小层片状的共晶α+η相、粗大枝晶zn基体相和细小颗粒状nazn13沉淀相组成。

实施例3:

采用纯度为99.9%的al、纯度为99.9%的zn和纯度为99.95%的na为原料，按照na元素含量为1.0wt%、al元素含量为5.0wt%、余量为zn的配比，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度600℃，保温时间30min，模具预热温度400℃，浇铸冷却速度1.5k/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样，在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为209hv。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso7991-2007《玻璃.平均线热膨胀系数的测定》规定，切割成10mm×5mm×2mm的试样，在taq400型热膨胀系数仪上进行热膨胀系数试验。试验温度氛围为-50~300°c，加热速度为5°c/min，保护气体为氦气。通过热膨胀系数试验，测得试样的热膨胀系数为23.7×10^-6/k。

将铸造的锌铝共晶合金进行xrd测试，发现试样由富铝α相、富锌η相以及nazn13沉淀相构成。

将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样由细小层片状的共晶α+η相、粗大枝晶zn基体相和细小颗粒状nazn13沉淀相组成。

实施例4：

采用纯度为99.9%的al、纯度为99.9%的zn和纯度为99.95%的na为原料，按照na元素含量为3.0wt%、al元素含量为5.0wt%、余量为zn的配比，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度700℃，保温时间40min，模具预热温度500℃，浇铸冷却速度10k/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样，在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为310hv。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso7991-2007《玻璃.平均线热膨胀系数的测定》规定，切割成10mm×5mm×2mm的试样，在taq400型热膨胀系数仪上进行热膨胀系数试验。试验温度氛围为-50~300°c，加热速度为5°c/min，保护气体为氦气。通过热膨胀系数试验，测得试样的热膨胀系数为21.9×10^-6/k。

将铸造的锌铝共晶合金进行xrd测试，发现试样由富铝α相、富锌η相以及nazn13沉淀相构成。

将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样由细小层片状的共晶α+η相、粗大枝晶zn基体相和细小颗粒状nazn13沉淀相组成。

实施例5-10：

除了合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度按照表1中数值进行变化以外，其余操作同实施例1，制得合金试样。由表1可以看出，经硬度测试，本发明提供的方法可以大幅提高铸态锌铝共晶合金的硬度。

表1不同合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度

下的铸态锌铝共晶合金的硬度

对比例1：

采用纯度为99.9%的al、纯度为99.9%的zn为原料，按照al元素含量为5.0wt%、余量为zn的配比，在频率为150～10000hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度500℃，保温时间20min，模具预热温度300℃，浇铸冷却速度0.05k/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso6507-1:2005《金属材料维氏硬度试验》规定，切割成10mm×10mm×6mm的试样，在hv-1000型显微硬度计上进行硬度试验。试验温度为25°c，载荷为1.96n，加载时间为10s。通过硬度试验，测得试样的维氏硬度为75hv。

将铸造的锌铝共晶合金，按照iso7991-2007《玻璃.平均线热膨胀系数的测定》规定，切割成10mm×5mm×2mm的试样，在taq400型热膨胀系数仪上进行热膨胀系数试验。试验温度氛围为-50~300°c，加热速度为5°c/min，保护气体为氦气。通过热膨胀系数试验，测得试样的热膨胀系数为29.8×10^-6/k。

将铸造的锌铝共晶合金进行xrd测试，发现试样由富铝α相、富锌η相构成。

将铸造的锌铝共晶合金进行扫描电镜测试，发现试样由细小层片状的共晶α+η相和粗大枝晶zn基体相组成。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。