[发明专利]一种制备Sn-Bi合金丝的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备Sn-Bi合金丝的方法及装置，属于无铅焊料的制造领域。

背景技术

焊料从发明到使用已有几千年历史，含铅电子产品存在污染环境的问题，各个国家已积极通过立法来减少和禁止铅等有害元素的使用以及进行无铅焊料的开发研究活动。目前，锡银、锡铜、锡锌、锡铋合金是常用的无铅焊料，当前公认的无铅钎料设计要求包括以下几点:（1）熔点应低于或相当于Sn-Pb共晶合金的熔点（183℃）；（2）无毒无污染；（3）成本不太高；（4）具有与Sn-Pb相当或更好的性能。Sn-Bi合金系则被认为是唯一满足前三项要求、已应用于生产的无铅焊料。Sn-58Bi共晶钎料熔点低，具有良好的流动性和热疲劳性能，是一种很有潜力的无铅焊料。

此外Sn-Bi系焊料含有较低的Sn含量，从而降低了高锡风险(如锡须)。但铋也带来其他的问题，包括其成分对合金机械特性的影响变化较大，容易产生低熔点问题(偏锡后会形成低熔点共晶)，界面层不稳定导致可靠性较差，特别是Sn-Bi焊料在偏离共晶成分时由于熔程较大，在凝固过程中易出现枝晶偏析和组织粗大化，加之应力不平衡导致易剥离危害，以及自然供应不多、储量有限等，这使得Sn-Bi系焊料的研究和使用一直低靡。

目前无铅低熔点温度保险丝合金中都含有大量的铋，由于铋的脆性及在合金凝固过程中易出现偏析，使合金对应变速率非常敏感。因此小线径含铋无铅合金丝很难用传统的铸造-挤压工艺进行制备。

由于Sn-58Bi共晶合金线材成型困难，有关Sn-58Bi共晶合金丝的研究报道也很少。多伦多大学Divya Bhardwaj等采用OCC（Ohno Continuous Casting）连铸工艺成功制备出了直径2mm 的高铋含量（含铋量 44%-77%）的合金丝。但这种连铸工艺使得锡铋合金中脆性相Bi的分散不均匀，在工艺流程过程中工艺很容易中断，锡铋合金丝没有很好的塑性，产品缺陷多，易脆断。操作复杂、参数控制不稳定，生产成本高。 (据检索发现如下与本申请相关的专利文献，在专利文献CN103639620中公开了一种Sn-Bi脆性合金预成型焊片的制备方法，包括配料、熔铸、热轧、冲裁等步骤。包括：（1）配料，将质量百分数为Sn42％和Bi58％原料配好。（2）熔铸，将上述步骤（1）所得原料放入保护预合金化体系的坩埚内，在N₂保护气氛下加热到180℃?200℃熔化成均匀的液态Sn-Bi合金，并浇铸到锭模内形成棒型Sn-Bi合金铸锭；（3）热轧，将上述步骤（2）中制得的棒型Sn-Bi合金铸锭采用热轧机压延为带材；（4）冲裁，将上述步骤（3）中热轧所得的带材通过模具冲裁得到预成型焊片。其中CN102296208A公开了一种用于制作温度保险丝的熔断芯的无铅低温合金，原料构成及其百分比范围分别为：Bi：34％~36％；Zn：3.5％~4.5％；Sn：余量；其制备方法的步骤如下：将金属锡放入不锈钢坩埚中，在电炉上加热，待锡熔化后，在250℃~280℃下，加入金属锌，待熔清后，再加入金属铋，熔清后进行常规的加入脱气剂脱气，除渣，浇铸成所需尺寸的低温合金棒。此专利的制备方法为熔炼再铸造。在熔炼的过程中，由于Bi的密度大，合金凝固后偏析非常严重，而且存在粗大的Bi相，使得合金脆性大，塑性极低，基本不能制得锡铋微细合金丝。 (专利文献CN102912204A公开一种无铅低温合金及其制备方法和应用，该低温合金由锡铋铟三种金属组成，各组成重量百分比如下：锡：15％~17％；铋：32％~34％；余量为铟，其制备方法步骤为：（1）熔锡（2）熔铋（3）熔铟（4）脱气（5）浇铸。专利文献CN103146955A公开了一种198℃保险丝熔断芯的无铅低温合金及其制备方法。其原料构成及其重量百分比范围分别为：Cu：0.4％~0.6％，Ag：1.8％~2.2％，In：7.5％~8.5％，Bi：0.8％~1.2％，Sn余量。其制备方法步骤如下：（1）熔锡：按重量配比将金属放入不锈钢坩埚内，在电炉上加热至锡熔化；（2）浇铸：在280℃~320℃下，加入金属铜，待熔清后，加入金属银，熔清后再加入铋，熔清后加入脱气剂脱气除渣浇铸成直径25mm的低温合金棒；（3）挤压成型：用100吨的立式挤压机挤压，挤压温度为80℃，模具直径为25mm的五孔挤压，挤压出直径1.0mm的低温合金丝作为温度保险丝的熔断芯来使用。专利文献CN103146955A中运用了熔炼-浇铸-挤压的方法，经过挤压晶粒得到了细化，但仍然存在脆性相Bi的偏析严重的问题，在制备过程中，制品塑性差，不能连续生产。