[发明专利]一种新型纳米金属焊料及其制备方法

说明书

技术领域    

本发明涉及焊接材料领域。尤其是指一种利用金属纳米微粉制备的新型高性能焊接材料及其制备方法。

背景技术

主要用于金属材料的钎焊和压焊。更确切地说，使用本发明制备的纳米金属焊料(粉状、片状和膏状)焊接金属材料具有焊料使用量少(成本低)、工艺简便以及焊接强度高等特点，特别适合复杂和变形量小的机械部件焊接。使用焊料膏焊接时，焊件不需要预先定位，具有自支撑能力。

纳米材料由于颗粒尺寸细小、比表面积大以及表面化学活性高等特点，使得材料的物性与传统材料有很大差异，如熔点和烧结温度明显降低；材料的结构细化，导致缺陷临界尺寸减小，硬度和断裂强度显著提高；以及界面原子扩散增强等等。利用纳米材料在显微结构和热学性能上的优异性能，有望开发出新型高性能焊接材料，这种新型焊接材料已成为高性能焊料发展的一个新方向，目前国内外已有的少量研究结果表明这种新型焊料具有十分广阔的应用前景。

日本北海道大学的Antarashiya利用平均粒径为400纳米的铝超细复合粉(含30wt％ AlN)作为焊料，研究氮化铝片、铁片与这种超细铝复合粉的片状焊料之间的焊接界面，发现在焊料与氮化铝片的界面上形成金属铝中间层，这一中间层起到了钎焊层的作用，由此推测焊料中的超细铝颗粒在氮化过程中放出的反应生成热使得部分超细铝颗粒在低于熔点时就已熔化，并在结合面处形成钎焊层。这种超细复合粉的片状焊料与铁片之间的钎焊在界面上形成Al-Fe金属间化合物。美国朗讯技术公司贝尔实验室的Mavoori等人利用粉体包裹技术，制备出纳米氧化物包裹焊料粉体Pb-Sn的复合粉体，利用这种复合粉体可以制备出一种新型抗蠕变的低熔点焊锡，应用于光学和光电器件封装，具有尺寸稳定、工作温度较高、焊接区拉伸强度提高4-5倍等优异性能。中国台湾義守大學材料工程系的Jang和Shih研究了镍基钎焊料通过机械合金化过程中的细微结构变化以及钎焊性能，结果表明经过10小时的机械研磨，钎焊料转变为具有面心立方结构的纳米固熔体，这种焊料对AISI 304不锈钢的钎焊性能与同样化学成分的非晶镍基商品钎焊料相似，但纳米结构的焊料比相同成分的商品非晶焊料成本对于设备的要求低的多，前者采用常规的高能球磨，而后者利用的是价格昂贵的非晶制备设备。美国专利US 5902498，5964963以及世界知识产权组织专利WO 96/06700公开了一种含纳米金属颗粒(如Al，Mg，Cr，Au，Cd，Cu，Zn，Si，B等)及其纳米合金和纳米化合物的钎焊膏，这种钎焊膏的突出特点是熔点很低，只有100-200摄氏度，通过激光、火焰、电弧或等离子体等热源对被焊金属之间涂覆的含纳米尺寸的钎焊膏进行加热，可以使金属焊件在较低的温度下实现可靠焊接，避免由于高温钎焊引起焊件退火、变形的问题。

现有的焊料为了提高焊料与被焊金属间的润湿性能以及降低焊料的熔点通常加入磷、硼和铅，其中磷和铅容易挥发，对设备和操作人员具有腐蚀性和毒性，而且磷和硼在焊接过程中与铁合金形成脆性相，降低焊层与金属焊件之间的结合强度。最近几年国外新出现的以纳米颗粒为焊料组分的个别专利和研究文章主要是有关低熔点焊料，主要用途在于电子元器件的封装。对于将纳米材料应用于中温或高温下工作的金属部件焊接则尚未见公开报道。

技术内容

本发明的目的是利用金属纳米微粉制备高性能金属焊接材料，这种焊料仍然使用传统的焊接设备在真空或惰性保护气氛下进行焊接，适合金属材料的压焊和钎焊工艺，尤其是点焊。这种焊料可以使焊接金属之间达到原子间结合，能够明显提高焊接强度，特别适用于复杂和变形量小的机械部件焊接。

其主要技术方案是由一种或多种金属纳米微粉组成，金属纳米微粉由主加组分与辅加组分组成，其中主加组分为镍、铜中的一种或其组合，相对含量在65-100wt％；辅加组分为铝、铁、锌、钛、铬、硅中的一种或多种金属的组合，相对含量在0-35wt％，单位为重量百分数。

上述纳米微粉的平均粒径小于100纳米。

所述焊料的形状可以为粉状、片状或膏状。

所述的焊料的制备方法是片状焊料由金属纳米微粉在50-200MPa压力下成型，得到厚度为0.2-0.8毫米之间的焊片。

所述膏状焊料由焊料粉体、钎剂、粘接剂、专用添加剂、有机溶剂5种成分组成，后4种成分首先在容器内60-90摄氏度下均匀搅拌，得到粘稠的溶液，待溶液冷却到室温附近时加入金属纳米微粉，继续搅拌混合，得到金属纳米微粉均匀分布的焊料膏。