[发明专利]一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法

说明书

本发明公开了一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法，包括如下步骤：采用Al、Zn和Na为原料，在中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度500~700℃，保温时间20~40min，模具预热温度300~500℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s；所得锌铝共晶合金中Na元素含量为0.1~3.0wt%，Al元素含量为3~7wt%，余量为Zn及不可避免的杂质。本发明提供的方法能够使铸态锌铝共晶合金原本由Zn基体相和共晶α+η相构成的组织中，出现NaZn₁₃沉淀相，从而大幅提高铸态锌铝共晶合金的硬度。制得的铸态锌铝共晶合金热膨胀系数小于传统铸态锌铝共晶合金，可作为高温钎料应用。

技术领域

本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法。

背景技术

在电子封装、汽车、航空等领域，含铅高温钎料如Pb5Sn和Pb10Sn合金有着广泛应用。为了保护人类健康和环境，欧盟出台法令限制了含铅焊料的应用。开发可用于高温焊料的无铅新材料成为科研和产业界的迫切需求。

锌铝共晶合金的熔点较高（381℃），耐蚀性好，且具有高机械强度。利用锌铝共晶合金作为高温钎料，连接Al/Al、Al/Cu、Cu/Cu、Ni/Ni、Mg/Mg衬底有着良好的效果。且锌铝共晶合金不含铅，满足欧盟环保法令的要求。应用新的微结构加工技术，锌铝共晶合金展示出的高应变率和超塑性，使其在机械减振器和抗地震器件领域具有潜在应用价值。

然而，作为运输、海洋和航空航天领域迫切需求的高温无铅焊料，需要具备低热膨胀系数，良好的耐蚀性和高机械强度。传统铸态锌铝共晶合金的硬度偏低，热膨胀系数偏高，限制了其在高温焊料领域的应用。Na元素广泛分布于陆地和海洋中，是一种人体必需的微量元素，符合开发环保合金的要求。而目前国内外并无添加Na元素改善锌铝共晶合金硬度和热膨胀系数的相关专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法，在提高合金硬度的同时，降低合金的热膨胀系数，使合金可作为高温钎料应用。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：提供一种通过添加Na元素提高铸态锌铝共晶合金硬度的方法，包括步骤：采用纯度为99.9%Al、纯度为99.9%Zn和纯度为99.95%Na为原料，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，熔炼温度500~700℃，保温时间20~40min，模具预热温度300~500℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s；所得锌铝共晶合金中Na元素含量为0.1~3.0wt%。

所述的频率为150～10000Hz的中频感应炉，是为了使熔炼过程中电磁搅拌效果好，减少偏析。

所述的熔炼温度500~700℃，保温时间20~40min，该熔炼条件下可发生固态相变，使铸态锌铝共晶合金中除了Zn基体相和共晶α+η相组织外，出现NaZn₁₃沉淀相。

所述的模具预热温度300~500℃，浇铸冷却速度0.05~10K/s，是为了使铸态锌铝共晶合金中在凝固过程中组织均匀，避免出现缺陷和内应力。

所述的锌铝共晶合金由如下质量百分比的组元组成：3~7wt%Al，0.1~3.0wt%Na，余量为Zn及不可避免的杂质。

本发明的有益效果是：本发明提供的方法能够使铸态锌铝共晶合金中除了Zn基体相和共晶α+η相组织外，出现NaZn₁₃沉淀相，从而大幅提高合金的硬度。本发明提供的方法制备的含Na锌铝共晶合金硬度高达310HV，相比传统铸态锌铝共晶合金的硬度为75HV，合金硬度有了大幅提高。本发明制得的铸态锌铝共晶合金热膨胀系数小于铸态锌铝共晶合金，可作为高温钎料应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的XRD微观相组成标定图。