專利名稱：Sn基低熔點焊料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于能在金屬之間，特別是將表面形成堅固氧化膜的不銹鋼等進行真空焊接時使用的，具有優(yōu)良的潤濕性和流動性的Sn基低熔點焊料。
過去，在不銹鋼的焊接中，使用的是JIS中所規(guī)定的耐熱的Ni焊料(BNi-1～7，JISZ3265)或Ag焊料(BAg-1～8，JISZ3261)等。Ni焊料是以Ni為主要成分，含有Cr、B、Si、P等的合金，由于其具有自熔性而不必使用助熔劑，能夠生產(chǎn)用于真空焊接等的良好的焊接部件，但由于其熔點高而需要1000℃(BNi-6，7)～1200℃(BNi-5)高的焊接溫度。Ag焊料是以Ag-Cu為主要成分，含有Zn、Cd、Ni、Sn等的合金組成，熔點也比較低，可以在650℃～900℃進行焊接，但因無自熔性而需要使用助熔劑，并由于含有大量的高蒸氣壓的鋅，因而不適于真空焊接。
Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Pb-Ag、Sn-Pb-Sb等焊錫(JISH4341等)熔點低，約為200℃，能用于不銹鋼的焊接上，但由于需要助熔劑，與Ag焊料同樣，在真空焊接場合中，和不銹鋼的潤濕性不好，不能得到良好的焊接部件。
如上所述，表面形成堅固氧化膜的不銹鋼等的焊接來說，在不銹鋼的敏感化處理溫度(約650℃)以下，或者低溫加工件的退火軟化起始溫度(18-8不銹鋼約600℃，25 Cr鋼約500℃，參見不銹鋼手冊)以下，即在600℃以下的溫度，不采用助熔劑的真空焊接等中，需要發(fā)揮良好潤濕性的焊接材料的情況下，過去的焊接材料或焊錫在熔點或潤濕性方面，均不能達到上述目的。
本發(fā)明的目的在于，提供一種將表面形成堅固氧化膜的不銹鋼等，在500℃-600℃的低溫下，而且不能使用助熔劑的真空焊接等情況下，使之組成元素不蒸發(fā)，并能發(fā)揮良好的潤濕性和流動性的，過去還沒有的低熔點的焊料。
本發(fā)明者們，為了尋找將表面形成堅固氧化膜的不銹鋼等，能夠在500-600℃低溫下，不使用助熔劑而進行焊接的，潤濕性良好的焊料的合金組成，進行了各種基質(zhì)成份和添加成份的研究，其結(jié)果，作為基質(zhì)成分，選擇了在實際所用金屬中熔點最低的，為232℃的，蒸氣壓也較低的(在Ag和Cu之間)，且無毒及耐腐蝕性好，價格穩(wěn)定的Sn。研究了作為其添加成分的各種元素的效果，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過添加少量的P，在焊接過程中因發(fā)揮自熔性而破壞了不銹鋼母材表面的堅固的氧化膜，并提高了潤濕性。另外，還發(fā)現(xiàn)通過往其中添加Ni，可抑制真空焊接過程中P的蒸發(fā)，具有減少爐或排氣裝置的污染的效果。進而，通過往其中添加Cu或Ag，進一步提高了焊接過程中焊料的流動性，并發(fā)現(xiàn)Cu和Ag可單獨添加或者也可一起添加，并且在600℃焊接時通過限定發(fā)揮良好的潤濕性的添加成分的范圍而完成了本發(fā)明的產(chǎn)品。
即、本發(fā)明是(1)由P 0.05～1.5重量％，Ni 0.5～5.0重量％，剩余部分為Sn和不可避免雜質(zhì)組成的Sn基低熔點焊料。
(2)由P 0.05～1.5重量％，Ni 0.5～5.0重量％，Cu在30重量％以下，或/和Ag在10重量％以下，Ni和Cu和Ag合計在35重量％以下，剩余部分為Sn和不可避免雜質(zhì)組成的Sn基低熔點焊料。
下面描述在本發(fā)明中，如前所述地進行限定各成分范圍的理由。
添加到本焊料中的P，與各成分經(jīng)合金化形成磷化物(Sn4P3、Ni3P、Cu3P、AgP等)，在焊接過程中發(fā)揮自熔性，具有以通過破壞不銹鋼表面的堅固氧化膜而改善潤濕性的效果，但不到0.05％時，不能發(fā)揮這種效果，而超過1.5％時，上述效果變慢的同時，又產(chǎn)生在真空焊接過程中P的蒸發(fā)的危險性。因此P的添加范圍限定在0.05-1.5％。
Ni，添加到本焊料中，經(jīng)合金化形成穩(wěn)定的Ni3P等，在發(fā)揮自熔性的同時，還具有在真空焊接過程中抑制P的蒸發(fā)的效果，但不到0.5％時，這種效果很少，而超過了5.0％時，合金的熔點(液相線溫度)就會上升到不理想的溫度(600℃以上)。因此Ni的添加范圍限定在0.5-5.0％。
Sn-P-Ni三元合金也具有良好的潤濕性，能進行不蒸發(fā)P的穩(wěn)定的真空焊接，通過往其中添加Cu和Ag，使液相溫度降至比Sn-P-Ni三元合金更低，進而具有提高焊料擴展性即其流動性的效果。Cu和Ag不管是分別單獨添加還是一同添加，均能產(chǎn)生同樣的上述效果。但是，如果添加Cu超過30％，液相線溫度就會上升到600℃以上，容易發(fā)生分別熔化等焊接不良的情況。添加Ag時，如果超過10％，焊料的韌性會降低，焊接部位容易產(chǎn)生裂紋。另外，將Cu和Ag一同添加時，當Ni、Cu和Ag的總量超過35％時，產(chǎn)生上述不良情況。因此，要分別限定Cu在30％以下，Ag在10％以下，一同添加時，Ni和Cu和Ag合計限定在35％以下。
Sn是作為本發(fā)明的主要成分，可含有約65％以上，由于Sn本身熔點低，即使與上述添加成分合金化，也不再降低熔點，而且，與P和Ni結(jié)合發(fā)揮自熔性的同時，通過與Cu或Ag結(jié)合而形成流動性良好的焊料合金。
本發(fā)明的Sn基低熔點焊料，可以由通常的氣體噴霧法等而成形為粉末或箔、線等來使用，而且，也能夠用于不銹鋼以外的母材的焊接上。
下面結(jié)合附圖及表對本發(fā)明的實施例加以說明。


圖1表示說明焊材焊接試驗的模型圖，其中，圖1A表示將焊接試驗片放于不銹鋼母材上的示意圖；圖1B表示將試驗片與不銹鋼母材進行焊接處理后的示意圖；圖1C表示將焊接后的試驗片彎曲90°的示意圖。
符號說明So焊接試驗片的橫截面S焊接后合金的擴展面積W焊接擴大系數(shù)(S/So)1 母材(SUS304不銹鋼)2 焊接前焊料試驗片(5φ×約5mm)3 焊接后熔化了的擴大的焊料合金本發(fā)明的實施例的合金的組成和熔點以及在600℃時的焊接實驗結(jié)果、加熱后的P分析結(jié)果示于表1中，比較例的合金組成和各實驗的結(jié)果示于表2中。還有，熔點的測定方法，焊接的實驗方法以及加熱后P的分析方法如下。
(1)熔點(液相線、固相線)測定將實施例和比較例的合金放在電爐里，在氬氣氛圍中熔化，用熱分析法測定其熔點。即，將記錄器與插入金屬熔液中間部位的熱電偶連結(jié)，畫出熱分析曲線，從這個冷卻曲線上可讀出液相線和固相線上的各個溫度。
(2)焊接試驗將實施例和比較例的合金放入電爐內(nèi)，在氬氣氛圍中熔化、將此金屬熔液澆鑄到石墨模中，制得5mm的棒狀澆鑄片，將其切成5mm高，用作焊接試驗片。接著，如圖1A所示，將焊接試驗片放在SUS304不銹鋼母材上，在600℃下，30分鐘內(nèi)，約10-4毫米汞柱的真空中進行焊接熱處理(以下稱為焊接)。焊接后，如圖1B所示，測定焊料熔化而擴大了的面積S，可求出此面積S與焊接前的焊接試驗片的橫截面面積S0的比值，即焊料擴大系數(shù)W(＝S/S0)，作為相對于SUS304不銹鋼母材的焊料合金的潤濕性、流動性的指標。
另外，圖1C所示，將焊接試驗片彎曲90°，檢查此時的粘附層分離狀況，評價焊料合金對于SUS304不銹鋼母材的附著力。另外，表中所示的附著力評價是按照下述基準而進行的。
附著力(90°彎曲)◎不分離○局部、端部分離×全面分離(3)加熱后P的分析對于實施例和對比例(No.a～e)的合金，將與(2)的焊接實驗同樣的方法得到的焊接試驗片放入磁性瓶中，在與焊接實驗同樣的條件下進行加熱處理。
將由此得到的加熱后的焊料合金的P含量，通過化學分析法進行定量分析。從加熱前的焊料的P含量中減去此值所得的值，即，求出P的減少量，并調(diào)查了在焊接過程中焊料合金中蒸發(fā)可能性最大的P的舉動。
如表1所示，可以看出，對于在600℃的焊接實驗中，本發(fā)明的實施例合金，都是焊接擴大系數(shù)大，附著力良好，對于SUS304不銹鋼母材的潤濕性和流動性良好。另外，600℃加熱后的P減少量非常小，為0-0.05％，表明在焊接過程中P幾乎不蒸發(fā)。而且可以確認本實施例的合金在500℃的焊接試驗中也顯示出良好的焊接附著性。
另一方面，對于表2所列的比較例合金，No.a～i是本發(fā)明合金以外的組成，其中，No.a～c為，P、Cu、Ag在本發(fā)明的范圍中又不含Ni的組成。這種情況下，焊接性能良好，但在焊接過程中P的減少量大，幾乎全部蒸發(fā)，污染爐或真空排氣裝置的危險性大。由此也明顯看出本發(fā)明合金所含的Ni對P蒸發(fā)的抑制效果。
No.d～i主要是P和Ni不在本發(fā)明合金范圍之內(nèi)的組成，它們在600℃焊接試驗中，焊接擴大系數(shù)小，附著力不好，相對于不銹鋼母材幾乎沒有潤濕性。由此也可以看出，本發(fā)明合金中的P，對于不銹鋼母材有著改善潤濕性的效果。No.j是在JIS中所規(guī)定的BAg-8、Ag焊料合金、No.k-m是Sn-Pb或Sn-Ag焊錫，是目前現(xiàn)有的。在Ag焊料的情況下，其熔點方面，不能在600℃進行焊接，在焊錫的情況下，盡管其熔點比實施例合金的低，但在600℃焊接時看出，在SUS304不銹鋼母材上幾乎不潤濕。
作為本發(fā)明的Sn基低熔點焊料的熔點特征，液相線為Ni3P、Ni-Cu(Ag)等的開始結(jié)晶的結(jié)晶溫度，固相線為它們與Sn的共結(jié)晶的溫度，都在220℃左右。固相線和液相線的范圍根據(jù)組成的變化而變化，這個范圍在200℃以上的場合很多，觀察捍接后的合金結(jié)構(gòu)的結(jié)果，結(jié)晶物在母相中均勻分布，沒有結(jié)構(gòu)偏差，也沒有任何分區(qū)熔化或存在空隙等不良焊接現(xiàn)象。
另外，通過EPMA等對實施例中的焊接試驗片的接合界面觀察的結(jié)果表明，不銹鋼母材表面的Cr、Fe氧化膜，完全不被焊料中的P還原，在接合界面沒有層分離現(xiàn)象，可以確認焊料和母材結(jié)合良好。
如上面詳述，本發(fā)明的Sn基低熔低焊料，能將表面形成堅固氧化膜的不銹鋼等在500℃-600℃的低溫下，并且不使用助熔劑情況下，可以進行真空焊接，并其組成成分中的易蒸發(fā)的元素P不蒸發(fā)，具有能發(fā)揮良好的潤濕性和流動性的效果，是能促進工業(yè)發(fā)展的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種Sn基低熔點焊料，由P0.05-1.5重量％、Ni0.5-5.0重量％、其余為Sn和不可避免雜質(zhì)組成。
2.一種Sn基低熔點焊料，由o0.05-1.5重量％、Ni0.5-5.0重量％、Cu在30重量％以下，或/和Ag在10重量％以下，Ni、Cu和Ag合計在35重量％以下，其余為Sn和不可避免雜質(zhì)組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠?qū)⒈砻嫘纬捎袌怨萄趸さ牟讳P鋼等在500-600℃低溫，并且不能使用助熔劑的真空焊接等情況下，組成元素不揮發(fā)，發(fā)揮良好潤濕性的新型低熔點焊料。它是由P0.05-1.5重量％、Ni0.5-5.0重量％、根據(jù)需要Cu在30重量％以下，或/和Ag10重量％以下，添加Ni、Cu和Ag合計為35重量％，其余為Sn和不可避免雜質(zhì)組成的Sn基低熔點焊料。
文檔編號B23K35/26GK1151927SQ9512154
公開日1997年6月18日 申請日期1995年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月12日
發(fā)明者永井省三, 田中完一, 日高謙介 申請人:福田金屬箔粉工業(yè)株式會社