專利名稱：一種高性能錫基釬料合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錫基釬料合金，尤其是一種高性能顆粒增強(qiáng)錫基釬料合金。本發(fā)明還涉及高性能錫基釬料合金的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品向體積微型化和功能集成化方向的迅速發(fā)展，使得它們對(duì)現(xiàn)有封裝材料的可靠性提出了更高要求。顆粒增強(qiáng)釬料目前被認(rèn)為是提高釬料性能的很有應(yīng)用前景的一種電子封裝材料，通過(guò)向釬料基體中加入硬質(zhì)難熔第二相(如陶瓷和高熔點(diǎn)金屬顆粒)，可以實(shí)現(xiàn)在較小影響釬料熔點(diǎn)和韌性的前提下大幅度提高釬料的強(qiáng)度和有效使用溫度區(qū)間。
對(duì)于一般的顆粒增強(qiáng)合金而言，其性能提升的關(guān)鍵在于盡可能減小增強(qiáng)顆粒的粒徑并讓他們均勻分布于金屬基體內(nèi)。然而對(duì)于顆粒增強(qiáng)釬料而言，由于在實(shí)際使用時(shí)還需要經(jīng)過(guò)不同溫度和時(shí)間的重熔，因此其對(duì)顆粒增強(qiáng)相在熔融釬料內(nèi)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。避免顆粒增強(qiáng)相在熔融釬料內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚和分離是提高復(fù)合釬料焊點(diǎn)可靠性的關(guān)鍵所在。在復(fù)合釬料重熔時(shí)，顆粒增強(qiáng)相的團(tuán)聚與增強(qiáng)相的粒徑、釬料內(nèi)的孔隙率以及增強(qiáng)相與釬料基體的界面結(jié)合性能有關(guān)，粒徑越小、孔隙度越高、界面結(jié)合性能越差，則顆粒增強(qiáng)相越容易在熔融釬料內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚。顆粒增強(qiáng)的分離主要受增強(qiáng)相密度和粒徑的影響，具體的關(guān)系為增強(qiáng)相的分離速度與增強(qiáng)相和釬料基體密度的差值成正比，與增強(qiáng)相的粒徑平方成反比。對(duì)于均勻彌散分布的納米顆粒增強(qiáng)相而言，增強(qiáng)相的分離速度將變得非常緩慢，在通常的釬料重熔焊接時(shí)，納米顆粒增強(qiáng)相的分離幾乎可以忽略。然而，一旦釬料內(nèi)存在氣泡或釬料與增強(qiáng)相結(jié)合性能較差時(shí)，納米增強(qiáng)相將極易團(tuán)聚，并加快增強(qiáng)相的分離。
機(jī)械合金化法和粉末冶金方法是常用的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備方式，采用該種方法制備的復(fù)合材料其增強(qiáng)顆粒能達(dá)到很好的彌散度，然而該方法制備的復(fù)合釬料孔隙度高，在釬料的重熔過(guò)程中，熔融釬料內(nèi)的氣孔將促進(jìn)維納顆粒增強(qiáng)相的團(tuán)聚，并降低顆粒增強(qiáng)相的強(qiáng)化效果；此外，團(tuán)聚后的增強(qiáng)相將更容易在熔融的液態(tài)釬料內(nèi)發(fā)生分離，從而進(jìn)一步衰減增強(qiáng)相的強(qiáng)化效果。再者，由于陶瓷增強(qiáng)相普遍具有較低的界面結(jié)合性能，對(duì)于低熔點(diǎn)的錫基釬料合金而言，例如Sn-Ag-Cu、Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Pb, Sn-Bi和Sn-Si等錫基系列合金，很難通過(guò)機(jī)械合金化的方法來(lái)改善釬料合金與增強(qiáng)相之間的結(jié)合性能，而這也將引起增強(qiáng)相的團(tuán)聚。
采用超聲輔助輕合金鑄造的方法已經(jīng)有了較多研究和報(bào)道，通過(guò)在合金凝固過(guò)程中持續(xù)超聲，超聲的空化作用和液流攪拌作用可以起到很好的均勻組織、細(xì)化晶粒作用；此外，當(dāng)熔融合金中含有未熔的第二相時(shí)，超聲不僅可以使第二相彌散均勻分布，還可以促進(jìn)液態(tài)基體與未熔第二相之間的潤(rùn)濕，使得未熔第二相在合金熔化時(shí)起到形核劑的作用， 細(xì)化晶粒并增強(qiáng)合金力學(xué)性能。對(duì)于錫基釬料合金而言，由于該合金具有較大的密度(約 6. 5g/cm3)，而常用的顆粒增強(qiáng)相密度較低(約3. 5g/cm3),因此在釬料熔融的過(guò)程中即便有超聲或機(jī)械輔助攪拌也很難將足量的增強(qiáng)相加入到釬料基體中。正因?yàn)槿绱?，目前尚未發(fā)現(xiàn)有人采用超聲輔助的方法制備顆粒增強(qiáng)錫基釬料合金，也未能獲得能克服釬料合金重熔時(shí)顆粒增強(qiáng)相團(tuán)聚、力學(xué)性能得到明顯提高的錫基釬料合金。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高性能錫基釬料合金，這種錫基釬料合金具有明顯提高的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。本發(fā)明還提供了高性能錫基釬料合金的制備方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種高性能錫基釬料合金，包括錫基釬料基體和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相，所述高性能錫基釬料合金還包括重量百分含量為ο. 01% m的摻雜元素，所述摻雜元素為狗、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb中的一種或幾種。
優(yōu)選的，所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相為SiC、TiO2, ZrO2, Y2O3> MgO、Al2O3、TiB2, CNTs (碳納米管，以下同)和Cu6Sn5中的一種或幾種，其重量百分含量為0. 02% 洲。
優(yōu)選的，所述錫基釬料基體為Sn-Ag-Cu、Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Pb, Sn-Bi 或 Sn-Si 合^^ ο
本發(fā)明的制備如上所述的高性能錫基釬料合金的方法，其中形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括錫基釬料粉末或者不少于錫基釬料基體重量10%的錫基釬料粉末和余下重量的鑄態(tài)錫基釬料，所述制備方法包括依次進(jìn)行的下列步驟Al、將所述錫基釬料粉末、難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末和摻雜元素粉末與乙醇和/或釬劑混合制成漿狀或者膏狀混合物；A2、將所制得的漿狀或者膏狀混合物置于50°C 100°C下真空干燥，然后在400MPa 700ΜΙ^壓力下冷壓成型得復(fù)合合金塊；A3、將鑄態(tài)錫基釬料、復(fù)合合金塊置于容器中完全融化成熔體，并使熔體溫度高于所述錫基釬料的液相線溫度10°C 200°C ；A4、對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)1 20次，每次超聲振動(dòng)時(shí)間為5 300秒，當(dāng)施加兩次以上時(shí)超聲間隔時(shí)間為5 60秒，然后澆鑄成型得高性能錫基釬料合金。
作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟Al中的混合采用球磨法，球磨氣氛為Ar，球料比為 5 1 20 1，轉(zhuǎn)速為IOOrpm 300rmp，球磨時(shí)間為1 10小時(shí)；或者直接采用手工或機(jī)械攪拌混合，攪拌時(shí)間為5 60分鐘。
作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟A4中施加超聲振動(dòng)時(shí)將超聲變幅桿伸入熔體內(nèi)直接施加于熔體，或者將超聲變幅桿施加超聲振動(dòng)于容器側(cè)面或底部。
作為進(jìn)一步改進(jìn)，當(dāng)形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括鑄態(tài)錫基釬料時(shí)，所述步驟A3包括以下分步驟先使鑄態(tài)錫基釬料在容器中完全熔化，然后再加入復(fù)合合金塊使之融化。
作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末的平均粒徑為30 2000nm，更優(yōu)選為60 IOOOnm ；所述錫基釬料粉末的平均粒徑為1 500Mm，更優(yōu)選為1 200Mm。
另外，在本發(fā)明制備方法的構(gòu)思下，還提供了一種不含摻雜元素的高性能錫基釬料合金的制備方法，所述高性能錫基釬料合金包括錫基釬料基體和重量百分含量為 0. 02% m的難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相，所述錫基釬料基體為Sn-Ag-Cu、Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Pb, Sn-Bi或Sn-Zn合金，所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相為SiC、TiO2, ZrO2, Y2O3> MgO、Al2O3、TiB2,5CNTs和Cu6Sn5中的一種或幾種，形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括錫基釬料粉末或者不少于錫基釬料基體重量10%的錫基釬料粉末和余下重量的鑄態(tài)錫基釬料，所述制備方法包括依次進(jìn)行的下列步驟Bi、將所述錫基釬料粉末和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末與乙醇和/或釬劑混合制成漿狀或者膏狀混合物；B2、將所制得的漿狀或者膏狀混合物置于50°C 100°C下真空干燥，然后在400MPa 700ΜΙ^壓力下冷壓成型得復(fù)合合金塊；Β3、將鑄態(tài)錫基釬料、復(fù)合合金塊置于容器中完全融化成熔體，并使熔體溫度高于所述錫基釬料的液相線溫度10°C 200°C ；B4、對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)1 20次，每次超聲振動(dòng)時(shí)間為5 300秒，超聲間隔時(shí)間為 5 60秒，然后澆鑄成型得高性能錫基釬料合金。
本發(fā)明的高性能錫基釬料合金通過(guò)摻雜相的加入，改善了錫基釬料基體與顆粒增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合性能，減少顆粒增強(qiáng)相在重熔時(shí)的團(tuán)聚，從而力學(xué)性能得到提高；此外摻雜相的加入還提高了錫基釬料合金的耐腐蝕性能。
本發(fā)明的高性能錫基釬料合金的制備方法將粉末冶金制備過(guò)程和超聲輔助熔鑄過(guò)程結(jié)合使顆粒增強(qiáng)相、摻雜元素高度彌散均勻分布；粉末冶金與超聲作用相結(jié)合的方法還克服了單純采用超聲熔鑄方法難以加入顆粒增強(qiáng)相的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了含有較大質(zhì)量百分比顆粒增強(qiáng)相復(fù)合釬料的制備；在釬料熔融時(shí)超聲的空化作用能徹底的吸附納米增強(qiáng)顆粒界面的氣膜，從而促進(jìn)顆粒增強(qiáng)相的分布，促進(jìn)界面潤(rùn)濕和界面反應(yīng)的進(jìn)行；避免了錫基釬料合金在后續(xù)的重熔使用中顆粒增強(qiáng)相再次發(fā)生團(tuán)聚以及避免了釬料中夾雜物的存在，從而提高了錫基釬料合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，而且釬料重熔后其性能基本保持穩(wěn)定。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，通過(guò)這些實(shí)施例可以進(jìn)一步清楚地了解本發(fā)明。但它們不是對(duì)本發(fā)明的限定。
本發(fā)明的優(yōu)選的高性能錫基釬料合金，包括錫基釬料基體和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相和重量百分含量為0. 01% m的摻雜元素，摻雜元素選自Fe、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb中的一種或幾種；難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相選自SiC、TiO2, ZrO2, Y2O3> MgO、Al2O3、TiB2, CNTs和 Cu6Sn5中的一種或幾種，其重量百分含量為0. 0洲 洲；錫基釬料基體為Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、 Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi或Sn-Si合金。摻雜元素的優(yōu)選含量為0. 05 0. 5%，難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相的優(yōu)選含量為0. 1 1%。
可以通過(guò)下列步驟制備高性能錫基釬料合金，其中形成錫基釬料基體的錫基釬料可以全部是錫基釬料粉末，或者既使用錫基釬料粉末又使用鑄態(tài)錫基釬料，但錫基釬料粉末的用量不少于錫基釬料基體重量的10%。下列步驟是依次進(jìn)行的(1)、將錫基釬料粉末、難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末和摻雜元素粉末與乙醇和/或釬劑混合制成漿狀或者膏狀混合物；其中難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末的平均粒徑優(yōu)選為30 2000nm,更優(yōu)選為60 IOOOnm ；錫基釬料粉末的平均粒徑優(yōu)選為1 500Mm，更優(yōu)選為1 200Mm，摻雜元素粉末的粒徑?jīng)]有特別要求；釬劑沒有特別要求，采用通用的產(chǎn)品即可，乙醇和釬劑的用量也沒有特別限定，以體積計(jì)量為混合粉料的1/1(Γ /5為佳；混合的方法也沒有特別要求，例如采用球磨法，球磨氣氛為Ar，球料比為5 1 20 1，轉(zhuǎn)速為IOOrpm 300rmp，球磨時(shí)間為1 10小時(shí)；或者直接采用手工或機(jī)械攪拌混合，攪拌時(shí)間為5 60 分鐘。
O)、將所制得的漿狀或者膏狀混合物置于50°C 100°C下真空干燥，除去揮發(fā)物，然后在400MPa 700MPa壓力下冷壓成型得復(fù)合合金塊；(3)、將鑄態(tài)錫基釬料、復(fù)合合金塊置于容器中完全融化成熔體，并使熔體溫度高于錫基釬料的液相線溫度10°C 200°C;當(dāng)錫基釬料包括鑄態(tài)錫基釬料時(shí)，優(yōu)選的方法是先使鑄態(tài)錫基釬料在容器中完全熔化，然后再加入復(fù)合合金塊使之融化得到熔體，能夠防止冷壓成型的復(fù)合合金塊在融化過(guò)程中過(guò)度氧化；所用容器可以選用鈦合金錫鍋。
(4)、將超聲變幅桿伸入熔體中，浸入熔體的深度優(yōu)選為5 50mm，預(yù)熱3 IOs后啟動(dòng)超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)一定時(shí)間后停止振動(dòng)并從熔融釬料內(nèi)拔出超聲變幅桿，停頓一定時(shí)間后再次將超聲變幅桿伸入熔融釬料內(nèi)，經(jīng)預(yù)熱后重新啟動(dòng)超聲振動(dòng)，對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)1 20次，每次超聲振動(dòng)時(shí)間為5 300秒，超聲間隔時(shí)間為5 60秒；優(yōu)選的參數(shù)為超聲頻率15 70KHz、、輸入的超聲功率值與被作用熔體體積的比值為5 200W/cm3、 超聲振幅10 150微米；超聲變幅桿也可以不伸入熔體內(nèi)，而是作用于容器側(cè)面或底部，通過(guò)對(duì)容器施加超聲振動(dòng)，再通過(guò)容器將超聲間接傳遞至熔體。超聲作用結(jié)束后將熔體澆鑄成型得高性能錫基釬料合金。
在步驟( 和(4)的過(guò)程中，均在真空或惰性氣體如氬氣氣氛下實(shí)施，對(duì)避免合金的氧化是有利的。
制備方法的步驟(1)中不使用摻雜元素，其他條件和步驟不變，可制得不含摻雜元素的高性能錫基釬料合金。
實(shí)施例1本實(shí)例所用的材料為粒徑約為2Mm的Sn-3. OAg-O. 5Cu (SAC305)錫基釬料粉末、純鈦金屬粉末和粒徑為60nm的SiC粉末。錫鍋材質(zhì)為純鈦，尺寸為038mmX35mm，實(shí)際操作中一次熔錫量為200g。超聲變幅桿材質(zhì)為鈦合金(Ti-6A1-4V)，超聲功率為1000W，超聲振動(dòng)時(shí)間為120秒，超聲頻率為20KHz，超聲變幅桿浸入熔融釬料中的深度為5mm。
取SAC305釬料粉199. 4g、SiC粉末0. 4g和純鈦金屬粉末0. 2g，將上述粉末倒入球磨罐中進(jìn)行球磨。球料比為5:1，球磨罐和磨球材質(zhì)均為氧化鋯，球磨介質(zhì)為釬劑和酒精的混合液，球磨保護(hù)氣氛為Ar，球磨時(shí)間為lh，球磨轉(zhuǎn)速為200rpm。將球磨好的漿狀混合物取出后于真空干燥箱中烘干，隨后通過(guò)冷壓成型工藝將粉末壓成平均質(zhì)量為40g的復(fù)合合金塊。
將總質(zhì)量為200g的上述復(fù)合合金塊放入純錫錫鍋內(nèi)，通過(guò)錫爐將快速加熱至 300°C并保持恒溫，使復(fù)合合金塊完全熔化成熔體；將超聲變幅桿伸入熔體中，預(yù)熱5秒后開啟超聲振動(dòng)。待超聲振動(dòng)250秒后結(jié)束超聲振動(dòng)并將超聲變幅桿拔出，同時(shí)取出純錫鍋將熔體澆注于鋼模內(nèi)，至此完成錫基釬料合金的制備。上述過(guò)程均在Ar保護(hù)氣氛下完成。
SEM表征結(jié)果表明，該錫基釬料合金內(nèi)顯微組織顆粒細(xì)小、尺寸均一、分布均勻，并且經(jīng)過(guò)一定溫度重熔后該組織基本保持穩(wěn)定。釬料熔點(diǎn)和顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明該新型釬料合金的熔點(diǎn)為217.2°C，與普通SAC305熔點(diǎn)(218°C)相當(dāng)；新型釬料合金的平均硬度為 23. 27HV，相比普通釬料硬度(16. 32HV)，該新型釬料合金硬度提高了 42. 59%。
實(shí)施例2本實(shí)例所用的材料為Sn-0. 3Ag-0. 7Cu鑄造合金條、Hf粉、粒徑約為IOMm的 Sn-0. 3Ag-0. 7Cu釬料合金粉末和粒徑約為IMm的^O2粉末。錫鍋材質(zhì)為純鈦，尺寸為 038mmX35mm，實(shí)際操作中一次熔錫量為200g。超聲變幅桿材質(zhì)為鈦合金(Ti_6Al_4V)，超聲功率為1200W，超聲頻率為20KHz，超聲變幅桿浸入熔融釬料中的深度為5mm。
取Sn-0. 3Ag-0. 7Cu釬料粉97. 8克、ZrO2粉末2g和Hf粉(油浸Hf粉，真空烘干后稱重)0. 2克，將上述導(dǎo)入球磨罐中進(jìn)行球磨。球料比為10:1，球磨罐和磨球材質(zhì)均為氧化鋯，球磨介質(zhì)為釬劑和酒精的混合液，球磨保護(hù)氣氛為Ar，球磨時(shí)間為2h，球磨轉(zhuǎn)速為 200rpmo將球磨好的釬料粉取出后于真空干燥箱中烘干，隨后通過(guò)冷壓成型工藝將粉末壓成5個(gè)平均質(zhì)量為20g的復(fù)合合金塊。
將質(zhì)量為IOOg的Sn-0. 3Ag_0. 7Cu鑄造合金條放入純錫錫鍋內(nèi)，通過(guò)錫爐將釬料加熱至280°C并保持恒溫，此時(shí)釬料處于熔融狀態(tài)；將采用粉末冶金方法制得的IOOg復(fù)合合金塊置入熔融釬料內(nèi)，同時(shí)將超聲變幅桿伸入熔融釬料中，預(yù)熱5秒后開啟超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)時(shí)間為200秒，振動(dòng)結(jié)束后拔出超聲變幅桿讓熔融釬料靜置10秒，隨后再次將超聲變幅桿伸入釬料中并開啟超聲振動(dòng)，接下來(lái)的步驟與第一次超聲作用一致，如此一共往復(fù)3 次。待第三次超聲作用結(jié)束后將超聲變幅桿拔出，同時(shí)取出純錫鍋將熔融釬料澆注于鋼模內(nèi)，至此完成高性能錫基釬料合金的制備。上述過(guò)程均在Ar保護(hù)氣氛下完成。
對(duì)該錫基釬料合金進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明新型釬料的平均硬度為 25. 67HV，相比普通釬料硬度(14. 61HV)，該新型釬料硬度提高了 75. 7%。
實(shí)施例3本實(shí)例所用的材料為Sn-0. 3Ag-0. 7Cu鑄造合金條、Ti粉、粒徑約為IOMm的 Sn-0. 3Ag-0. 7Cu釬料粉末以及平均管徑為和長(zhǎng)度分別為IOnm和IOMm的多壁碳納米管 (CNTs)粉末。錫鍋材質(zhì)為純鈦，尺寸為038mmX35mm，實(shí)際操作中一次熔錫量為200g。超聲變幅桿材質(zhì)為鈦合金(Ti-6A1-4V)，超聲功率為1200W，超聲頻率為20KHz，超聲變幅桿浸入熔融釬料中的深度為5mm。
取Sn-0. 3Ag-0. 7Cu釬料粉末198. 6克、CNTs粉末1克和Ti粉0. 4克，將上述粉末倒入球磨罐中進(jìn)行球磨。球料比為10:1，球磨罐和磨球材質(zhì)均為氧化鋯，球磨介質(zhì)為釬劑和酒精的混合液，球磨保護(hù)氣氛為Ar，球磨時(shí)間為池，球磨轉(zhuǎn)速為200rpm。將球磨好的釬料粉取出后于真空干燥箱中烘干，隨后通過(guò)冷壓成型工藝將粉末壓成平均質(zhì)量為40g的復(fù)合合金塊。
將總質(zhì)量為200g的上述復(fù)合合金塊放入純錫錫鍋內(nèi)，快速加熱至260°C并保持恒溫，此時(shí)復(fù)合合金塊處于熔融狀態(tài)；將超聲變幅桿伸入熔體中，預(yù)熱5秒后開啟超聲振動(dòng)， 超聲振動(dòng)時(shí)間為30秒，振動(dòng)結(jié)束后拔出超聲變幅桿讓熔體靜置5秒，隨后再次將超聲變幅桿伸入熔體中并開啟超聲振動(dòng)，接下來(lái)的步驟與第一次超聲作用一致，如此一共往復(fù)8次。 待第八次超聲作用結(jié)束后將超聲變幅桿拔出，同時(shí)取出純錫鍋將熔融釬料合金澆注于鋼模內(nèi)，至此完成高性能錫基釬料合金的制備。上述過(guò)程均在Ar保護(hù)氣氛下完成。
對(duì)該錫基釬料合金進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明新型釬料的平均硬度為 23. 82HV，相比普通釬料硬度(14. 61HV)，該新型釬料硬度提高了 63. 0%。
實(shí)施例4本實(shí)例所用的材料為SAC305鑄造合金條、粒徑約為2Mm的SAC305錫基釬料粉末和粒徑為700nm的SiC粉末。錫鍋材質(zhì)為純鈦，尺寸為038mmX 35mm，實(shí)際操作中一次熔錫量為 200g。超聲變幅桿材質(zhì)為鈦合金(Ti-6A1-4V)，超聲功率為1200W，超聲頻率為20KHz，超聲變幅桿浸入熔融釬料中的深度為5mm。
取SAC305釬料粉39g和SiC粉末lg，將兩者倒入燒杯中，并通過(guò)不銹鋼勺進(jìn)行手工攪拌，在攪拌的過(guò)程中不斷加入酒精，以保證混合釬料始終處于粘稠狀。攪拌持續(xù)30分鐘后，將盛有釬料的燒杯至于真空干燥箱中烘干，隨后通過(guò)冷壓成型工藝將烘干后的混合粉末壓成質(zhì)量為40g的復(fù)合釬料塊。
將質(zhì)量為160g的SAC305鑄造合金條放入純錫錫鍋內(nèi)，通過(guò)錫爐將釬料加熱至 300°C并保持恒溫，此時(shí)釬料處于熔融狀態(tài)；將采用粉末冶金方法制得的40g復(fù)合釬料塊置入熔融釬料內(nèi)，并將超聲變幅桿伸入熔融釬料中，預(yù)熱5秒后開啟超聲振動(dòng)，超聲振動(dòng)時(shí)間為60秒，振動(dòng)結(jié)束后拔出超聲變幅桿讓熔融釬料靜置20秒，隨后再次將超聲變幅桿伸入釬料中并開啟超聲振動(dòng)，接下來(lái)的步驟與第一次超聲作用一致，如此一共往復(fù)3次。待第三次超聲作用結(jié)束后將超聲變幅桿拔出釬料，同時(shí)取出純錫鍋將熔融釬料澆注于鋼模內(nèi)，至此完成顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料的制備。上述過(guò)程均在Ar保護(hù)氣氛下完成。
SEM表征結(jié)果表明，該復(fù)合釬料合金內(nèi)顯微組織顆粒細(xì)小、尺寸均一、分布均勻， 并且經(jīng)過(guò)一定溫度重熔后該組織基本保持穩(wěn)定。釬料熔點(diǎn)和顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明該新型釬料的熔點(diǎn)為216.8°C，與普通SAC305熔點(diǎn)(218°C)相當(dāng)；新型釬料的平均硬度為 24. 67HV，相比普通釬料硬度(16. 32HV)，該新型釬料硬度提高了 51. 16%。
權(quán)利要求
1.一種高性能錫基釬料合金，包括錫基釬料基體和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相，其特征在于 所述高性能錫基釬料合金還包括重量百分含量為0.01% m的摻雜元素，所述摻雜元素為 Fe、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb 中的一種或幾種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能錫基釬料合金，其特征在于所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相為 SiC, TiO2, ZrO2, Y203>MgO, Al2O3 > TiB2, CNTs 和 Cu6Sn5 中的一種或幾種，其重量百分含量為0. 02% 2%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高性能錫基釬料合金，其特征在于所述錫基釬料基體為 Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi 或 Sn-Zn 合金。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的高性能錫基釬料合金的制備方法，其特征在于形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括錫基釬料粉末或者不少于錫基釬料基體重量10%的錫基釬料粉末和余下重量的鑄態(tài)錫基釬料，所述制備方法包括依次進(jìn)行的下列步驟Al、將所述錫基釬料粉末、難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末和摻雜元素粉末與乙醇和/或釬劑混合制成漿狀或者膏狀混合物；Α2、將所制得的漿狀或者膏狀混合物置于50°C 100°C下真空干燥，然后在400MPa 700MPa壓力下冷壓成型得復(fù)合合金塊；A3、將鑄態(tài)錫基釬料、復(fù)合合金塊置于容器中完全融化成熔體，并使熔體溫度高于所述錫基釬料的液相線溫度10°C 200°C ；A4、對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)1 20次，每次超聲振動(dòng)時(shí)間為5 300秒，當(dāng)施加兩次以上時(shí)超聲間隔時(shí)間為5 60秒，然后澆鑄成型得高性能錫基釬料合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能錫基釬料合金的制備方法，其特征在于所述步驟Al 中的混合采用球磨法，球磨氣氛為Ar，球料比為5 1 20 1，轉(zhuǎn)速為IOOrpm 300rmp， 球磨時(shí)間為1 10小時(shí)；或者直接采用手工或機(jī)械攪拌混合，攪拌時(shí)間為5 60分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高性能錫基釬料合金的制備方法，其特征在于所述步驟A4中施加超聲振動(dòng)時(shí)將超聲變幅桿伸入熔體內(nèi)直接施加于熔體，或者將超聲變幅桿施加超聲振動(dòng)于容器側(cè)面或底部。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的高性能錫基釬料合金的制備方法，其特征在于當(dāng)形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括鑄態(tài)錫基釬料時(shí)，所述步驟A3包括以下分步驟先使鑄態(tài)錫基釬料在容器中完全熔化，然后再加入復(fù)合合金塊使之融化。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的高性能錫基釬料合金的制備方法，其特征在于所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末的平均粒徑為30 2000nm，所述錫基釬料粉末的平均粒徑為1 500Mm。
9.一種高性能錫基釬料合金的制備方法，所述高性能錫基釬料合金包括錫基釬料基體和重量百分含量為0. 02% 21的難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相，所述錫基釬料基體為Sn-Ag-Cu、 Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Pb、Sn-Bi 或 Sn-Si 合金，所述難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相為 SiC、TiO2 JrO2、Y203、 Mg0、Al203 ,TiB2XNTs和Cu6Sn5中的一種或幾種，其特征在于形成所述錫基釬料基體的錫基釬料包括錫基釬料粉末或者不少于錫基釬料基體重量10%的錫基釬料粉末和余下重量的鑄態(tài)錫基釬料，所述制備方法包括依次進(jìn)行的下列步驟Bi、將所述錫基釬料粉末和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相粉末與乙醇和/或釬劑混合制成漿狀或者膏狀混合物；B2、將所制得的漿狀或者膏狀混合物置于50°C 100°C下真空干燥，然后在400MPa 700MPa壓力下冷壓成型得復(fù)合合金塊；B3、將鑄態(tài)錫基釬料、復(fù)合合金塊置于容器中完全融化成熔體，并使熔體溫度高于所述錫基釬料的液相線溫度10°C 200°C ；B4、對(duì)熔體施加超聲振動(dòng)1 20次，每次超聲振動(dòng)時(shí)間為5 300秒，超聲間隔時(shí)間為 5 60秒，然后澆鑄成型得高性能錫基釬料合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高性能錫基釬料合金，包括錫基釬料基體和難熔硬質(zhì)彌散強(qiáng)化相，所述高性能錫基釬料合金還包括重量百分含量為0.01%～2%的摻雜元素，所述摻雜元素為Fe、Ni、Y、Ag、Ti、Zr、Hf、Sb中的一種或幾種。本發(fā)明的錫基釬料合金通過(guò)摻雜相的加入，改善了錫基釬料基體與顆粒增強(qiáng)相之間的界面結(jié)合性能，減少顆粒增強(qiáng)相在重熔時(shí)的團(tuán)聚，從而力學(xué)性能得到提高。本發(fā)明還公開了高性能錫基釬料合金的制備方法。本發(fā)明方法將粉末冶金制備過(guò)程和超聲輔助熔鑄過(guò)程結(jié)合使顆粒增強(qiáng)相高度彌散均勻分布；并克服了單純采用超聲熔鑄方法難以加入顆粒增強(qiáng)相的問(wèn)題，提高了錫基釬料合金的力學(xué)性能，而且釬料重熔后其性能基本保持穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C22C13/00GK102513720SQ20111043761
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者李明雨, 肖勇, 計(jì)紅軍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院