长寿命烙铁头制备工艺

铜烙铁头虽具有导热好，对锡浸润性好的优点，但由于铜在高温下易氧化、"发黑"、"掉皮"以及容易磨损，易被焊料腐蚀。因此，铜烙铁头的使用寿命短，一个烙铁头在流水线上只能使用3〜5天。延长烙铁头的使用寿命不仅是为了节约，也是一个提髙工效、提高焊件质量、降低成本的问题。目前与锡焊有关的各单位迫切要求提高烙铁头的使用寿命。

一、烙铁头的腐蚀机理

要提高烙铁头的使用寿命，就需要了解烙铁头的腐蚀机理，以便采取相应的措施来防止腐蚀。烙铁头在使用过程中的腐蚀方式大致可分为：高温氧化、合金化熔蚀和机械磨损。

1、高温氧化

烙铁头工作面的操作温度一般在300℃左右，而非工作面的温度则更高。在连续使用过程中，铜表面生成黑色的氧化铜，其内层为红色的氧化亚铜。在氧化膜成长过程中，由于氧化物的体积大于金属的体积，膜增厚时，其体积也增大。结果在氧化膜中产生平行于金属面方向的内应力与使氧化膜脱离金属的垂直于金属表面的拉应力。膜越厚，其内应力就越大，当越过了膜本身的强度时，氧化膜就会出现裂缝，如果拉应力大于金属与膜的附着力时，氧化膜就从金属上剥落下来。由于铜与氧化膜热膨胀系数不同，在烙铁头加热和冷却的反复过程中，也会使氧化膜剥落。如剥落的氧化膜掺杂于焊点中，就会影响焊件质量。

2、合金化溶蚀

常用的焊锡是铅锡合金,熔点为183℃，在锡焊操作温度下呈熔融状态，对烙铁头有浸蚀作用，铜不断向液态焊料中扩散合金化，使烙铁头工作部分产生凹坑和缺角，即合金化溶蚀现象。

3、机械磨损

在锡焊过程中烙铁头不断与一些坚硬、锋利的焊件摩擦接触，同时为使热量传给焊件， 还带有一定的压力进行操作，因而产生机械磨损。

二、提高烙铁头寿命的方法

由上述烙铁头的腐蚀机理可知，要提高烙铁头的寿命，必须提高烙铁头的抗氧化、抗溶蚀和抗磨损性能，但其前提条件是对锡的浸蚀性和导热性好，满足工艺上连续使用的要求。

目前提高烙铁头的寿命大致有二种方法：一是改善材料本身的耐蚀性，研制新型合金的合金法。如在铜中单独或复合添加Ti、Cr、Si、Fe、Co、Ni、Zr、Al等元素，可显著提高铜的抗氧化性和耐蚀性，其中以Cu-Fe-Cr和Cu-Fe-Al合金等用得较为成功，其寿命可比紫铜提高2-5倍。但由于元素添加量小于2%（高于2%后导热性显著降低，还须考虑到制造工艺、成本等因素），铜合金在锡焊操作温度下还会发生氧化及腐蚀，虽然其过程比紫铜缓慢得多，但使用寿命不如下述的复合法那样长，目前国内还用得不多。二是在铜外面加镀层的复合法，这种烙铁头的使用寿命很长，在流水线上可连续使用2个月以上，目前正在推广使用。

三、复合法长寿命烙铁头镀层的作用及镀层材料的选择

复合法的特点是利用不同金属的特性，取其所长，互相结合。如用铜作芯材，以保留其导热性好的优点。其外层采用抗氧化性和耐蚀性好的铬、镍、铝等镀层。由于铜上直接镀铬、铝时，其结合强度差，故目前使用两层结构，一般均在铜上镀镍或镍合金，镀层厚度小于0.03mm。铜上镀一层镍合金，导热性还很好，耐蚀性得到显著提高。但由于镀层薄，特别在烙铁头的工作部分，镀层使用不长就坏。它虽比紫铜提高几倍，但还不能达到连续操作所要求的寿命。若使镍镀层厚度大于0.03mm，电镀时间显著延长，且镀层结合强度变差，表面质量变坏，成本提高，因此这种两层结构的烙铁头也不能得到理想的长寿命。

为了提高镍、铬、铝镀层与基体的结合强度，可采用三层结构。以铜为芯，中间加镀铁层，再加外层。中间镀铁层的优点如下：

（1)       电镀铁的沉积速度快，一次镀厚可达1mm；

（2)       铁镀层与铜的结合强度高，与镍、铬、铝的结合性也很好；

（3)       铁镀层的硬度高，耐磨性好，特别适用于烙铁头的工作部分；

（4)       纯铁有较好的导热性；

（5)       价廉。

因此铁镀层是一种很合适的中间过渡层。

由于镍、铬的电镀工艺较为成熟，国内普遍采用镍或铬作外镀层，但从导热性和抗氧化性来看，外层用铝比镍、铬更好，使用寿命也长些。

四、三层结构复合法的镀层工艺

1.镀铁工艺

复合法长寿命烙铁头三层结构的中间层是采用镀铁工艺。镀主要是在氯化亚铁水溶浓中进行，以纯铁为阳极，零件为阴极。对镀层耍求如下：

①    烙铁头中不同部位的镀层厚度耍冇所变化；

②    与铜基体的结合强度高；

③    镀层中不存在微裂。

1)镀铁液配方

FeCl₂﹒4H₂O   350〜450g/L

HCl     1.0-1.5mL/L

酸度PH    1.5-2.0；

电流密度  5-25A/(dm)²

镀液温度大于20℃，此外再加有MnCl₂等添加剂。

2)镀层厚度

由于长寿命烙铁头中不同部位镀铁层的作用不同，其厚度应该有所变化。例如，烙铁头工作部分主要靠镀铁层进行锡焊操作，所以要厚些，约为0.4-0.5mm，能起耐磨、耐蚀作用，保证长寿命。而在非工作部分只起中间过渡层的作用，太厚会影响导热性，因此只要0.1-0.15mm厚就够了。其结构参看图1。

图1 烙铁头镀铁层厚度分布

3）镀铁工艺对镀层质量的影响

镀层工艺参数主要指电镀液的浓度、酸度、温度和电流密度这四大因素，这些参数对电极结晶过程（即铁镀层质量）的影响简述如下，

①    镀液浓度主要影响镀液的导电率，提高浓度,使结晶变粗，应力小，硬度低，含氢少。

②    镀液酸度大，导电好，镀层软韧。

③    镀液温度主要影响导电粒子的运动速度，温度髙，离子运动速度快，镀液内阻变小，镀速快，晶粒变大，应力和硬度下降。

④    电流密度主要影响阴极极化的大小，极化大，晶核形成速度快，晶粒细密。

综上所述，镀铁工艺参数对镀层质量的影响，主要是晶粒的粗细、应力的大小、硬度的高低、含氢的多少以及微裂缝的有无。

除上述参数外，采用特殊波形电源（交-直流叠加电源）镀铁工艺，可使镀铁层与基体的结合强度提高，沉积速度较快，一次镀厚能力提髙，晶粒更加细密，微裂缝减少，镀层表面光洁度好以及耐腐蚀性高等。

长寿命烙铁头中镀铁层不要求太髙的硬度，但要求镀层中微裂缝少，以保证连续操作时镀层不会氧化剥落。优选工艺参数以及采用特殊波形电源可以减少镀层微裂缝，微裂缝主要与镀层中的氢气富集有关。采用热镀，即提高镀液温度到70℃以上时，镀层中的氢含量显著降低，微裂缝也就减少。如再加热(200℃)去氢，微裂缝将基本消除。

2、镀铝方法

由于铝对锡不浸润，因此在长寿命烙铁头的工作部分就不镀铝，而在非工作部分的镀铝层厚度约为0.1mm。

铁表面镀铝的常用方法有如下几种：1）热浸法；2）喷涂法,3）真空蒸发法；4）熔融盐(非水溶液)电镀法,5）铝化处理,6）表面合金化等。不管采用哪种方法，除了保证镀铝层的质量外，还应与基体结合牢固，不易剥落；镀层致密、光滑；在300℃下能长期使用，还要求工艺简单，适于大批量生产；且成本便宜。

五、长寿命烙铁铁头结构举例

两种常用的长寿命烙铁头结构如下：

1、外层镀铬

在铜芯上镀铁后，再镀上一层较薄的镍(约5µm)，然后在非工作部分镀上铬，在工作部分镍层上搪锡，其结构参看图2（a）。

 图2 长寿命烙铁头的结构示意图

2、外层镀铝

在铜芯上镀铁后，在非工作部分镀铝，在工作部分铁层上搪锡即成，其结构参看图2（b）.

有些长寿命烙铁头还在工作部分的尖端处镀上铝，其作用是操作时不会拉锡，使焊点圆滑。

六、结论与展望

1.长寿命烙铁头的导热性比铜烙铁头差，这是材料本质所决定的。为了使它适应连续操作，必须加大电烙铁的功率。但为了尽量减少能量消耗，电烙铁可加控温装置，并改进烙铁头的结构。由于长寿命烙铁头不须磨锉修整，长度可尽量缩短，以便减少散热。在实际使用中确巳收到很好的效果，证明长寿命烙铁头完全能适应连续操作。

2.长寿命烙铁头的工作部分是镍或铁层，它们与铜不一样，在最初搪锡时，要选用合适的助熔剂进行处理后，才能得到良好的挂锡性能。

3.由于焊接的产品和工艺不同，目前使用的铜烙铁头形状各异，这给长寿命烙铁头的推广和生产带来一定的困难，今后应逐歩实现系列化和标准化。