《特种钎料的电化学制备及其应用》

钎焊是制造业中材料连接的重要方法之一,依靠熔融钎料与固态母材之间的扩散-溶解相互作用,形成冶金结合。钎料作为钎焊时最关键的填充材料,其性能在很大程度上决定钎焊连接件的质量和性能,在重型矿山、重载机电、超大负荷钻探等装备领域广泛应用。一方面,矿山装备和重载构件结构复杂、力学性能要求高,传统银基钎料及其制备方法已无法满足工程实际需求;而超大负荷超硬工具在复杂服役环境中,传统活性钎料连接的胎体与磨头、钻头容易出现脱落、剥落现象,直接影响超硬工具的使用寿命。另一方面,传统无铅钎料熔点高、组织迥异、抗疲劳性差,使得电子封装及芯片连接的使用可靠性无法保证。因此,传统方法制备的钎料,已无法满足国内外钎料市场的苛刻需求。

针对上述行业难题,在国家自然科学基金、国家重点实验室开放课题、高校人才项目的支持下,华北水利水电大学联合郑州机械研究所有限公司、江苏师范大学、河南黎明重工科技股份有限公司、河南机电职业学院等多家单位,组建专项研发团队,成功开发电化学制备钎料新技术,研制出5大系列12个种类的特种钎料,用于矿山装备、重载机电、超大负荷钻探工具、复杂集成线路制造等领域,项目开发的特种钎料熔点低、润湿性好,钎焊接头力学性能提高11%以上。

科技查新表明,国内外未有与该项目相同的科技成果报道。经国家金属制品质量监督检验中心、河南省焊接工程技术研究中心等权威机构检测,项目研制的特种钎料综合性能优于行业同类产品。项目成果通过中国机械工程学会组织的科技成果鉴定,项目整体技术达到国际先进水平。

主要科技创新成果如下:

1.研发电沉积制备微纳米颗粒强化钎料新技术。发明了铜箔表面化学镀银-电沉积锡复合新工艺,建立了特种钎料润湿熵、性能熵的定量表征模型,揭示了特种钎料的相变热力学特性,为制备三明治、多层膜、箔带钎料奠定理论基础。

2.提出了电化学沉积/扩散复合制备特种银基钎料的新方法,发明了超大负荷硬质合金与聚晶金刚石复合片(PDC)连接的新工艺。通过协同调控温度、时间、电流密度等参变量优化钎料中锡、镍、锡镍合金含量,成功研制系列特种银基钎料,用于矿山装备、重载机电构件钎焊,解决了传统钎焊连接强度低、成本高及金刚石钎焊性能弱化难题。

3.发明了电化学方法制备活性钎料的新技术,解决了超大负荷超硬工具在复杂服役环境中的钎焊难题。开发出单质钛阳极的电沉积钛新技术,研制出银铜钛、铜锡钛特种活性钎料,攻克了活性箔带钎料成形的难题。

4.研制出含有微纳米金属颗粒的特种无铅钎料。提出焊膏-凸点新技术和瞬时液相键合工艺,开发出含有亚微米记忆颗粒、金属颗粒、稀土的无铅钎料,用于微纳器件互连,解决了无铅焊点疲劳性差、氧化性差、可靠性低的难题。

项目执行期间,形成了一批具有自主知识产权的核心技术,获得授权发明专利11件、实用新型1件,主持起草并已颁布团体标准1项,出版专著1部;发表学术论文22篇,其中SCI检索12篇(SCI论文JCR一区3篇、二区1篇)、EI收录6篇,论文已被Acta Materialia、Applied Surface Science等国际知名SCI期刊引用,得到国内外同行的积极评价;培养青年技术骨干、研究生21名。项目部分成果曾获得2014年河南省装备制造工业科学技术一等奖、2018年河南省自然科学优秀学术论文三等奖和2019年河南省教育厅科技成果一等奖。

该项目产品已在郑州机械研究所有限公司、河南黎明重工科技股份有限公司、西安海特尔机电有限公司等知名企业推广应用,近三年累计实现销售收入15049万元,助推产业绿色转型,引领行业技术进步。

成果说明

该项目实施以前,传统银基钎料及其制备方法已无法满足工程实际需求,超大负荷超硬工具在复杂服役环境中,传统活性钎料连接的胎体与磨头、钻头容易出现脱落、剥落现象,直接影响超硬工具的使用寿命;另外,传统无铅钎料熔点高、组织迥异、抗疲劳性差,使得电子封装及芯片连接的使用可靠性无法保证。虽然年产量较高,但是利润特别低,3吨的年产量,利润仅有300多万。 项目开发的新型特种银基钎料、银铜钛和铜锡钛活性钎料、锡基无铅钎料,具有适宜的熔化温度、良好的润湿性及较高的接头强度,综合性能可取代传统高银钎料、无铅钎料、活性钎料,

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