工艺条件对气雾化制备SnAgCu合金粉末特性的影响

第19卷第6期中国有色金属学报2009年6月Vol.19No.6TheChineseJournalofNonferrousMetalsJun.2009文章编号：1004-0609(2009)06-1074-06工艺条件对气雾化制备SnAgCu合金粉末特性的影响刘文胜，彭芬，马运柱，崔鹏，陈仕奇，刘有长(中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙410083)摘要：采用紧耦合气雾化法制备SnAgCu无铅焊料合金粉末，研究雾化压力和熔体过热度对粉末粒径和形貌的影响。采用干筛筛分法对所制备的粉末进行分级，采用激光粒度分析仪和扫描电镜分别对粉末的粒径、形貌和微观组织进行表征。结果表明：当雾化压力为0.7MPa、熔体过热度为20~30℃时，制备的无铅焊料合金粉末中值粒径为40.10µm，颗粒表面光洁、球形度高；当过热度为20~30℃、雾化压力由0.7MPa增大至2.5~3.0MPa时，粉末中值粒径由40.10µm减小至32.22µm，颗粒表面缺陷明显增多；当雾化压力为0.7MPa、熔体过热度由30℃提高至50℃时，粉末粒径仅略微减小，但球形度明显降低；气雾化快速冷凝产生富Ag和Cu相，且富Ag和Cu相弥散分布在Sn基体内。关键词：SnAgCu；合金粉末；无铅；气雾化中图分类号：TF123.1文献标识码：AEffectofprocedureconditionsoncharacteristicsofSnAgCualloyedpowderpreparedbygasatomizationLIUWen-sheng,PENGFen,MAYun-zhu,CUIPeng,CHENShi-qi,LIUYou-chang(StateKeyLaboratoryofPowderMetallurgy,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract：SnAgCulead-freesolderpowderswerepreparedbyclose-coupledgasatomization.Theeffectsofgasatomizationpressureandmeltsuperheatonthepowdersizeandmorphologieswereinvestigated.Drysievingwasusedtoclassifythealloyedpowder.Laserlightdiffractometryandscanningelectricitymicroscopywereusedtocharacterizethesizeandmorphologiesofthepowder.Theresultsindicatethatwhenthegasatomizationpressureis0.7MPaandthemeltsuperheatis20−30,the℃alloyedpowderwithmassmediumdiameterof40.10µmisobtained,whichissatellite-freeandhighsphericity.Whenthesuperheatis20−30℃,withthegasatomizationpressureincreasingfrom0.7MPato2.5−3.0MPa,thepowdersizedecreasesfrom40.10µmto32.22µmwhereasthesurfacedefectiveofthepowderincreasesobviously.Whenthegasatomizationpressureis0.7MPa,withthemeltsuperheatincreasingfrom30℃to50℃,thepowdersizedecreasesalittlebutthesphericityofthepowderbecomesworse.RichAgandCuphaseformsduringquickcoolingofgasatomization,disperseswellintheSn-matrix.Keywords:SnAgCu;alloyedpowder;lead-free;gasatomization无铅化是表面组装技术用焊料的发展趋势。目前，无铅焊料的研究主要集中在中温段合金体系，如Sn-Cu、Sn-Ag和Sn-Zn等二元系合金，Sn-Ag-Cu[1]、Sn-Ag-Bi和Sn-Zn-Bi等三元合金。Sn-Ag-Cu系焊料能在降低Sn-Ag合金熔点的同时保持良好的焊接性能，并能减少所焊材料中铜的溶蚀[2]，逐渐成为无铅焊料研究的热点。目前，制备无铅焊料合金粉末的主要方法有超声基金项目：国家军工配套资助项目(JPPT-115-2-1057)收稿日期：2008-07-08；修订日期：2008-12-16通讯作者：刘文胜，副教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]第19卷第6期刘文胜，等：工艺条件对气雾化制备SnAgCu合金粉末特性的影响1075雾化、离心雾化和气雾化法，其中采用气雾化法所获得的粉末具有粒径细小、球形度高和氧含量低等特点[3−4]，具备规模化生产的能力。国内部分研究者采用气雾化法制备无铅焊料合金粉末[5−6]，所获得的粉末粒度细小，但形貌不理想。新型的紧耦合气雾化技术提高了能量传输效率，所获得的粉末具有粒度更细，分布更窄和球形度更高等优异性能[7]。本文作者采用紧耦合气雾化法制备SnAgCu无铅焊料合金粉末，并分别研究雾化压力和熔体过热度对粉末特性的影响。1实验实验采用银粉、铜粉和锡锭等为原材料，其纯度均达到99.95%。按照w(Sn)׃w(Ag)׃w(Cu)=96.5:3.0:0.5配比在ZGJL−0.01−50−4型真空中频感应熔炼炉中制备SnAgCu母合金。然后以高纯氮气作为雾化气体，将母合金在PSIHERMIGAGasAtomisers紧耦合气雾化设备中雾化制备SnAgCu无铅焊料合金粉末。采用JEOL−6360LV扫描电子显微镜检测粉末表面形貌和截面微观组织形态，采用EDX分析系统对粉末的组分进行测试，采用MICRO−PLUS激光粒度分析仪(BSM)对粉末的粒度进行表征，并用干筛筛分法对所制备的合金粉末进行分级。2结果与分析2.1雾化压力和熔体过热度对粉末粒径的影响表1所列为不同过热度和雾化气体压力条件下所获得的粉末中值粒径检测结果。从表1可以看出，在30℃的熔体过热度条件下，粉末中值粒径随雾化压力的增大而降低，粉末中值粒径由0.7MPa时的40.10表1不同工艺条件所制得的粉末激光粒度检测结果Table1ResultsofpowdersizesbyBSMunderdifferentprocessconditionsMeltsuperheat/℃Gasatomizationpressure/MPaMassmediumdiameter/μm300.740.10302.534.09303.032.22200.740.55202.037.28151.044.04μm减小为3.0MPa时的32.22μm。而20℃熔体过热度条件下，粉末中值粒径也表现了相似的变化规律。这是因为雾化压力通过影响雾化气体出口速度和气体质量流率等来影响雾化过程，从而影响制备的粉末粒径。UNAL等[8]认为典型的雾化过程可以归纳为两步破碎过程：金属液流与雾化气体在喷嘴边缘相遇并发生强烈的动量和热量交换，熔体发生破碎，形成一系列的大液滴，这是初次雾化过程，该过程中雾化压力越大，气流速度与动能越大，气流与液流相互作用越强烈，所形成的流场紊乱度越高，破碎进行得越充分，初次雾化得到的液滴就越小；初次雾化得到的金属液滴受气流作用被加速，在加速过程中，作用在液滴上的气动力与表面张力的平衡受到破坏，液滴将进一步破碎，即经历二次雾化[9]。雾化压力越大，雾化气流的速度越大，气流与金属液流的相对速度越大，由于速度差而引起的二次雾化过程进行得越充分，从而得到更多更细的粉末颗粒。因而雾化压力增大，雾化破碎过程进行得更充分，所获得的粉末中值粒径减小。图1所示为雾化压力为0.7MPa时不同熔体过热度下所得粉末筛分分级结果。由图1可见，过热度分别为20和30℃时，所得筛分粉末各粒度级质量分数相差不大；当过热度增大到50℃时，筛分粉末的中细颗粒比例明显增多，说明适当提高过热度可降低所得粉末粒径。这是因为过热度的提高使得金属液流粘度和表面张力下降，金属液流更容易发生形变和破碎。在雾化气流剪切应力作用下，粘度小的流体容易被破碎，有利于粉末粒径的减小。金属液流破碎过程是体系表面积增大的过程。表面张力小的液流发生破碎时，图1雾化压力0.7MPa时不同熔体过热度获得的粉末粒度分布Fig.1Distributionofpowdersizesbysievingatgasatomizationpressureof0.7MPaanddifferentmeltsuperheats中国有色金属学报2009年6月1076环境需要对液流所做的表面功减小。因此，液流表面张力的下降有利于破碎。LUBASKA[10]研究了表面张力等影响粉末粒径的因素，得到了如下经验公式：1/222mmgt502gm(1)AdMdkGG⎡⎤⎢⎥=+⎢⎥⎣⎦ησρηρ(1)式中d50为粉末中值粒径，m；k在特定雾化气体压力和金属液流条件下为经验常数；ηm和ηg分别为金属液流与雾化气体的运动粘度，m2/s；ρm和ρg分别为金属液流和雾化气体的密度，kg/m3；M和G分别为金属液流和雾化气体的质量流率，单位为kg/s；σm为金属液的表面张力，kg/s2；A为雾化器环缝或环孔喷嘴的面积，m2；dt为导液管内径，m。由式(1)可见，金属液流的表面张力和粘度越小，所获得的粉末中值粒径越小。此外，熔体过热度的提高将使得金属液冷却凝固时间延长，液流发生形变破碎的时间相应延长，这也有利于破碎过程。由表1还可以看出，当雾化压力为0.7MPa、熔体过热度为30℃时，所获得粉末的中值粒径(40.10μm)比雾化压力为1.0MPa而熔体过热度为15℃所获得的(44.04μm)小。即使采用更高的雾化压力，过低的熔体过热度所获得的粉末粒径也较大，因此，过低的熔体过热度不利于得到细粉。但过高的熔体过热度也不利于制备细粒粉末，还将造成能源浪费和设备损耗。因此，适当提高熔体过热度，将降低金属液流的表面张力和粘度，使得发生破碎的时间延长，有利于雾化破碎，从而获得的粉末粒径更小。2.2熔体过热度和雾化压力对粉末形貌的影响图2所示为不同熔体过热度所制备粉末的SEM像。由图2可知，过热度50℃时，粉末球形度较差，部分颗粒呈近球形和水滴状，卫星颗粒很多(见图2(a))；过热度为20和30℃时所获得的粉末颗粒球形度较好，表面光洁(见图2(b)和(c))。过热度为15℃时所得粉末颗粒表面光洁，球形度较好，但存在长条和哑铃形粉末颗粒(见如图2(d))。气雾化时，金属液流破碎后形成的液滴会在随后的飞行过程中冷却凝固成颗粒。颗粒形貌即由其冷却凝固过程中的形变决定。液滴受表面张力的作用会发生球化，受重力和气流冲刷作用将发生不规则形变，液滴之间相互作用则产生粘接和焊接等现象。在液滴冷却凝固过程中，球化作用能否充分进行将决定最终粉末球形度。金属液滴球化是粘度和图2不同熔体过热度时制得粉末的SEM像Fig.2SEMimagesofpowderspreparedatdifferentmeltsuperheatsandgasatomizationpressures:(a)Meltsuperheat50℃,gaspressure0.7MPa;(b)Meltsuperheat30℃,gaspressure0.7MPa;(c)Meltsuperheat20℃,gaspressure0.7MPa;(d)Meltsuperheat15℃,gaspressure1.0MPa第19卷第6期刘文胜，等：工艺条件对气雾化制备SnAg