CN100364713C - 一种Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡，其组分及重量百分比含量为：0.1～0.2%Ag、0.001～1.0%Al、2.0～3.0%Cu、0.1～0.5%Ni，其余为Sn和不可避免的杂质。发明的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡接近于共晶成分，根据成分含量的不同，其熔点在210～220℃，熔点低于或等于Sn96.5Ag3.5；成分简单，成本低，不含有毒成分铅。用石英玻璃管和真空感应熔炼炉熔炼的同一成分的无铅焊锡的熔点相同。
Description
技术领域
本发明涉及焊锡材料，特别是一种适合用于电子组装与封装及电器设备、通讯器材等领域的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡。
背景技术
用Sn63Pb37焊锡制造的电子产品中不可避免地含有铅，这样的电子产品被废弃或回收过程中，对环境造成污染、对人的健康带来危害。为了消除废弃电子产品中铅对环境的污染和对人类健康的危害，我国***于2003年3月制定了《电子信息产品污染防治管理办法》，明确规定：“生产者应当采取措施逐步减少并淘汰电子信息产品中铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯(PBB)、聚合溴化联苯***(PBDE)及其他有毒有害物质的含量”。因此，按照《电子信息产品污染防治管理办法》，必须用无铅焊锡代替有铅焊锡。电子信息产品涉及电子通信产品、计算机产品、家用电子产品、电子材料产品等诸多领域，而这些产品不可避免地要用到焊锡。目前应用较多的Sn96.5Ag3.5无铅焊锡的熔点为221℃，因含有银，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本较低、对环境友好的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡。
本发明的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡，其组分及重量百分比含量为：0.1～0.2％Ag、0.001～1.0％Al、2.0～3.0％Cu、0.1～0.5％Ni，其余为Sn和不可避免的杂质。
制备Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡的方法，有以下两种：
方法1，步骤如下：
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比0.1～1.5％Ag、0.001～1.0％Al、1.6～10.0％Cu、0.001～1.5％Ni，其余为Sn，配制合金料；
2)将合金料装入直径为10～20mm的石英玻璃管中，抽真空，火焰下密封石英玻璃管口；
3)将密封的石英玻璃管放入电炉中，然后以1～3℃/分钟的速率升温至800～900℃，保温1～4小时，冷却至200～300℃，取出石英玻璃管并立即放入冷水中，得到无铅焊锡。
方法2，步骤如下：
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比0.1～1.5％Ag、0.001～1.0％Al、1.6～10.0％Cu、0.001～1.5％Ni，其余为Sn，配制合金料；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气，在800～1100℃温度下熔炼，熔化后浇铸，得到无铅焊锡合金锭。
本发明的有益效果是：
发明的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡接近于共晶成分，根据成分含量的不同，其熔点在210～220℃，熔点低于或等于Sn96.5Ag3.5；成分简单，成本低，不含有毒成分铅。用石英玻璃管和真空感应熔炼炉熔炼的同一成分的无铅焊锡的熔点相同。
附图说明
图1是本发明实施例1无铅焊锡在升温和降温过程的差示扫描量热(DSC)曲线；
图2是本发明实施例2无铅焊锡在升温和降温过程的DSC曲线；
图3是本发明实施例3无铅焊锡在升温和降温过程的DSC曲线；
图4是本发明实施例4无铅焊锡在升温和降温过程的DSC曲线；
图5是本发明实施例5无铅焊锡在升温和降温过程的DSC曲线；
图6是本发明实施例9无铅焊锡在升温和降温过程的DSC曲线。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明。
实施例1
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0gAg、0.01gAl、20.0gCu、5.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到950℃进行熔炼，熔炼后浇铸成直径为28mm的棒材，机械加工成直径为5mm的拉伸试样，并取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.001％Al、2.0％Cu、0.5％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
DSC测样品的熔点为219.0℃，拉伸强度为52MPa，延伸率为21.1％，图1是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
实施例2
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0gAg、1.0gAl、20.0gCu、2.0gNi，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到900℃进行熔炼，熔炼后浇铸成直径为28mm的棒材，机械加工成直径为5mm的拉伸试样，并取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.1％Al、2.0％Cu、0.2％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
DSC测样品的熔点为219.9℃，拉伸强度为13MPa，延伸率为33.3％，图2是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
实施例3
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0gAg、5.0gAl、20.0gCu、0.01g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到900℃进行熔炼，熔炼后浇铸成直径为28mm的棒材，机械加工成直径为5mm的拉伸试样，并取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.5％Al、2.0％Cu、0.001％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
DSC测样品的熔点为220.0℃，拉伸强度为11.6MPa，延伸率为25.0％，图3是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
实施例4
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0gAg、0.01gAl、50.0gCu、10.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到1000℃进行熔炼，熔炼后浇铸成直径为28mm的棒材，取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.001％Al、5.0％Cu、1.0％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
DSC测样品的熔点为218.6℃，图4是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
实施例5
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0gAg、0.01gAl、100.0gCu、10.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到1000℃进行熔炼后，浇铸成直径为28mm的棒材，取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.001％Al、10.0％Cu、1.0％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
由DSC测得样品的熔点为218.6℃，图5是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
实施例6
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制100g合金料，其中1.0g Ag、0.001gAl、10.0g Cu、1.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入直径为12mm的石英玻璃管中，抽真空，在保持合金料温度不升高的条件下，在高温火焰下密封石英玻璃管口；
3)将密封的石英玻璃管放入立式电炉中，以2℃/分钟的速率升温至850℃，保温2小时后断电，随炉冷却至300℃，取出石英玻璃管并立即放入冷水中，得到无铅焊锡样品，成分为1.0％Ag、0.001％Al、10.0％Cu、1.0％Ni其余为Sn和不可避免的杂质，固相点温度为217.1℃，与实施例5得到得熔点相基本一致，表明用石英玻璃管和真空感应熔炼炉熔炼无铅焊锡，对无铅焊锡熔点无明显影响。
实施例7
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制100g合金料，其中1.0g Ag、0.001gAl、10.0g Cu、1.5gNi，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入直径为12mm的石英玻璃管中，抽真空，在保持合金料温度不升高的条件下，在高温火焰下密封石英玻璃管口；
3)将密封的石英玻璃管放入立式电炉中，以2℃/分钟的速率升温至950℃，保温2小时后断电，随炉冷却至300℃，取出石英玻璃管并立即放入冷水中，得到无铅焊锡样品，成分为1.0％Ag、0.001％Al、10.0％Cu、1.5％Ni其余为Sn和不可避免的杂质，熔点温度为211.7℃。
实施例8
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中2.0g Ag、0.01gAl、30.0g Cu、5.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到950℃进行熔炼后，浇铸成直径为28mm的棒材，取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为0.2％Ag、0.001％Al、3.0％Cu、0.5％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
由DSC测得样品的固相点为219.5℃。
实施例9
1)以纯Ag、纯Al、纯Cu、纯Ni、纯Sn为原料，按重量百分比配制1kg合金料，其中10.0g Ag、0.01gAl、10.0g Cu、5.0g Ni，其余为Sn和不可避免的杂质；
2)将合金料装入真空感应熔炼炉中，抽真空，然后充入氩气；
3)调节感应熔炼炉功率，使炉温达到1000℃进行熔炼后，浇铸成直径为28mm的棒材，机械加工成直径为5mm的拉伸试样，并取样进行示差扫描量热(DSC)曲线的测量，无铅焊锡样品的成分为1.0％Ag、0.001％Al、1.0％Cu、0.5％Ni其余为Sn和不可避免的杂质。
由DSC测得样品的固相点为218.0℃，从图可以看出固相点和液相点发生明显的分离；拉伸强度为3.0MPa，延伸率为27.5％，图6是该样品升温、降温过程的DSC曲线。
试验表明，该系列无铅焊锡合金中铜含量低于1.6％时，合金的强度偏低。实施例9(1％Cu)的强度只有实施例1(2％Cu)强度的1/17。
表1列出了Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡的成分含量和熔点温度。由表可见，发明的Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡的熔点大多在210～220℃，低于或相当Sn96.5Ag3.5的熔点。为了对比，表1中也列出了1.0％Ag、0.001％Al、1.0％Cu、0.5％Ni，其余为Sn的合金的熔点。
表1
| No | 成分(重量％) | 熔点(℃) | ||||
| Ag | Al | Cu | Ni | Sn | ||
| 1 | 1.0 | 0.001 | 2.0 | 0.5 | 余量 | 219.0 |
| 2 | 1.0 | 0.1 | 2.0 | 0.2 | 余量 | 219.9 |
| 3 | 1.0 | 0.5 | 2.0 | 0.001 | 余量 | 220.0 |
| 4 | 1.0 | 0.001 | 5.0 | 1.0 | 余量 | 218.6 |
| 5 | 1.0 | 0.001 | 10.0 | 1.0 | 余量 | 218.6 |
| 6 | 1.0 | 0.001 | 10.0 | 1.5 | 余量 | 211.7 |
| 7 | 1.0 | 0.001 | 10.0 | 1.2 | 余量 | 210.4 |
| 8 | 0.2 | 0.001 | 3.0 | 0.5 | 余量 | 219.5 |
| 9 | 1.0 | 0.001 | 1.0 | 0.5 | 余量 | 218.1 |
| 10 | 1.5 | 0.001 | 1.6 | 1.0 | 余量 | 218.5 |
| 11 | 0.1 | 1.0 | 2.0 | 0.1 | 余量 | 217.4 |
Claims (1)
1.一种Ag-Al-Cu-Ni-Sn系无铅焊锡，其特征在于它的组分及重量百分比含量为：0.1～0.2％Ag、0.001～1.0％Al、2.0～3.0％Cu、0.1～0.5％Ni，其余为Sn和不可避免的杂质。
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