[發明專利]一種新型納米金屬焊料及其制備方法

無效

• 申請號: 01127105.1
• 申請日: 2001-08-11
• 公開（公告）號: CN1337295A
• 公開（公告）日: 2002-02-27
• 發明（設計）人: 盧金山;杭勝偉
• 申請（專利權）人: 無錫威孚吉大新材料應用開發有限公司
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24;B23K9/16;B23K35/02;B23K28/02;C01F7/00
• 代理公司: 無錫市大為專利事務所
• 代理人: 曹祖良

技術領域????

本發明涉及焊接材料領域。尤其是指一種利用金屬納米微粉制備的新型高性能焊接材料及其制備方法。

背景技術

主要用于金屬材料的釬焊和壓焊。更確切地說，使用本發明制備的納米金屬焊料(粉狀、片狀和膏狀)焊接金屬材料具有焊料使用量少(成本低)、工藝簡便以及焊接強度高等特點，特別適合復雜和變形量小的機械部件焊接。使用焊料膏焊接時，焊件不需要預先定位，具有自支撐能力。

納米材料由于顆粒尺寸細小、比表面積大以及表面化學活性高等特點，使得材料的物性與傳統材料有很大差異，如熔點和燒結溫度明顯降低；材料的結構細化，導致缺陷臨界尺寸減小，硬度和斷裂強度顯著提高；以及界面原子擴散增強等等。利用納米材料在顯微結構和熱學性能上的優異性能，有望開發出新型高性能焊接材料，這種新型焊接材料已成為高性能焊料發展的一個新方向，目前國內外已有的少量研究結果表明這種新型焊料具有十分廣闊的應用前景。

日本北海道大學的Antarashiya利用平均粒徑為400納米的鋁超細復合粉(含30wt％?AlN)作為焊料，研究氮化鋁片、鐵片與這種超細鋁復合粉的片狀焊料之間的焊接界面，發現在焊料與氮化鋁片的界面上形成金屬鋁中間層，這一中間層起到了釬焊層的作用，由此推測焊料中的超細鋁顆粒在氮化過程中放出的反應生成熱使得部分超細鋁顆粒在低于熔點時就已熔化，并在結合面處形成釬焊層。這種超細復合粉的片狀焊料與鐵片之間的釬焊在界面上形成Al-Fe金屬間化合物。美國朗訊技術公司貝爾實驗室的Mavoori等人利用粉體包裹技術，制備出納米氧化物包裹焊料粉體Pb-Sn的復合粉體，利用這種復合粉體可以制備出一種新型抗蠕變的低熔點焊錫，應用于光學和光電器件封裝，具有尺寸穩定、工作溫度較高、焊接區拉伸強度提高4-5倍等優異性能。中國臺灣義守大學材料工程系的Jang和Shih研究了鎳基釬焊料通過機械合金化過程中的細微結構變化以及釬焊性能，結果表明經過10小時的機械研磨，釬焊料轉變為具有面心立方結構的納米固熔體，這種焊料對AISI?304不銹鋼的釬焊性能與同樣化學成分的非晶鎳基商品釬焊料相似，但納米結構的焊料比相同成分的商品非晶焊料成本對于設備的要求低的多，前者采用常規的高能球磨，而后者利用的是價格昂貴的非晶制備設備。美國專利US?5902498，5964963以及世界知識產權組織專利WO?96/06700公開了一種含納米金屬顆粒(如Al，Mg，Cr，Au，Cd，Cu，Zn，Si，B等)及其納米合金和納米化合物的釬焊膏，這種釬焊膏的突出特點是熔點很低，只有100-200攝氏度，通過激光、火焰、電弧或等離子體等熱源對被焊金屬之間涂覆的含納米尺寸的釬焊膏進行加熱，可以使金屬焊件在較低的溫度下實現可靠焊接，避免由于高溫釬焊引起焊件退火、變形的問題。

現有的焊料為了提高焊料與被焊金屬間的潤濕性能以及降低焊料的熔點通常加入磷、硼和鉛，其中磷和鉛容易揮發，對設備和操作人員具有腐蝕性和毒性，而且磷和硼在焊接過程中與鐵合金形成脆性相，降低焊層與金屬焊件之間的結合強度。最近幾年國外新出現的以納米顆粒為焊料組分的個別專利和研究文章主要是有關低熔點焊料，主要用途在于電子元器件的封裝。對于將納米材料應用于中溫或高溫下工作的金屬部件焊接則尚未見公開報道。

技術內容

本發明的目的是利用金屬納米微粉制備高性能金屬焊接材料，這種焊料仍然使用傳統的焊接設備在真空或惰性保護氣氛下進行焊接，適合金屬材料的壓焊和釬焊工藝，尤其是點焊。這種焊料可以使焊接金屬之間達到原子間結合，能夠明顯提高焊接強度，特別適用于復雜和變形量小的機械部件焊接。

其主要技術方案是由一種或多種金屬納米微粉組成，金屬納米微粉由主加組分與輔加組分組成，其中主加組分為鎳、銅中的一種或其組合，相對含量在65-100wt％；輔加組分為鋁、鐵、鋅、鈦、鉻、硅中的一種或多種金屬的組合，相對含量在0-35wt％，單位為重量百分數。

上述納米微粉的平均粒徑小于100納米。

所述焊料的形狀可以為粉狀、片狀或膏狀。

所述的焊料的制備方法是片狀焊料由金屬納米微粉在50-200MPa壓力下成型，得到厚度為0.2-0.8毫米之間的焊片。

所述膏狀焊料由焊料粉體、釬劑、粘接劑、專用添加劑、有機溶劑5種成分組成，后4種成分首先在容器內60-90攝氏度下均勻攪拌，得到粘稠的溶液，待溶液冷卻到室溫附近時加入金屬納米微粉，繼續攪拌混合，得到金屬納米微粉均勻分布的焊料膏。