CN102528336B - 一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用脆性锡铋系合金制备高塑性焊接丝材的方法。其特征在于先将锡铋合金铸锭制备成等径转角挤压坯锭，并进行预热和保温；然后将上述的等径转角挤压坯锭采用等径转角挤压模具进行等温挤压，制备挤压坯料，经挤压成形后制成拉拔成形要求的拉拔坯料，再采用水冷控温拉丝机进行等温拉拔加工，制备出锡铋焊接丝材，然后进行盘绕包装。该方法可将难变形加工的高脆性锡铋系合金制备成高强度、高塑性、直径1.5mm以下各种规格的连续丝材，所制备的丝材晶粒细小、成分组织更加均匀，焊接性能更优，可满足各种包装要求和焊接封装要求，工艺流程简单，可操行性强，是一种理想的制备锡铋系合金焊接丝材的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铅焊接材料的制备方法，尤其是一种利用脆性锡铋系合金制备高塑性焊接丝材的方法。
背景技术
电子行业要求无铅封装，目前主要采用锡-银-铜、锡-铜或锡-锑等系列无铅钎料。但无铅钎料的熔点要比传统锡铅钎料高出20℃～60℃，封装温度高达250℃左右。高的组装温度会影响到电子元器件的可靠性，对电子封装设备的操作带来不便，能耗高，不符合节能减排要求。锡铋合金钎料以熔点低（最低仅为139℃），在较宽温度范围内与传统锡铅钎料的弹性模量相当，且抗拉强度和抗蠕变性能均高于传统锡铅钎料和锡-银-铜、锡-铜或锡-锑等系列无铅钎料，并具有焊接方便和节能环保等优点，是一种理想的无铅钎料，可广泛应用于发光二极管、液晶显示器、散热器、高频头、防雷元件、火警报警器、温控元件、空调安全保护器、柔性板、热敏电子元器件以及加热温度较低元件的低温焊接与低温分级焊接中。
锡铋系合金作为一种理想的无铅焊料，由于铋的高脆性使得锡铋合金脆性大，延展性小，易发生脆性断裂，导致变形加工困难。同时，铋在合金中易形成粗大不规则的晶粒，特别是锡铋合金在偏离共晶成分时，凝固过程中更易出现枝晶偏析和粗大组织，脆性高、塑性差，变形加工更加困难，无法采用传统的挤压－拉拔工艺制备丝材，或制备的丝材脆断率高，无法进行卷盘包装，难以满足焊接组装生产线对其强度和柔韧性的要求，使这种具有优异性能的无铅焊料合金的应用受到限制。
目前，锡铋系合金在电子封装领域主要是以块材或粉末产品的形式在进行使用，其中块材主要用在波峰焊，粉末主要调制焊膏用于SMT回流焊。例如，中国专利CN101700605公开的一种锡-铋-锌低熔点无铅焊料，中国专利CN101844280公开的一种低熔点锡铋焊料及其制备方法，是将合金熔炼成制备成焊料锭。中国专利CN101380700公开的一种锡铋铜无铅焊料及其制备方法，是将合金经离心雾化或气雾化制成粉末。
为了制备高铋含量锡铋系合金焊料丝材，Bhardwai Divya等采用Ohno快速凝固连续铸造工艺制备出了铋含量（wt.%）分别为40%、57%、62%、77%，直径约2.0mm的丝材[Bhardwai Divya，Soda Hiroshi，Mclean Alexander，MaterialsCharacterization，61(2010)882-893]。但是该方法制备的丝材为铸造组织，富铋相晶粒粗大且呈层片状分布，无法改变合金的硬脆性特点、提高塑性，制备的丝材脆性高、延性不足，无法进一步加工成直径更为细小的丝材，或进行盘绕，只能能提供长度较短的直线材料，无法制备出满足使用要求的连续丝材。
中国专利CN101362265公开了一种焊接材料的锡丝制作方法，是将高塑性的纯锡或锡合金作为拉丝坯料，将用高铋含量合金粉末制成的焊膏压入拉丝坯料拉拔成丝，制成表层为纯锡或锡合金、芯部为焊膏的焊丝。这种方法制备的合金焊锡丝，是两种成分合金的物理形状组合，其芯部膏体合金熔点与外层纯锡或锡合金成分熔点不一，无法通过焊接熔化进行合金化和性能优化，焊点或焊缝是仍然是2种性能不同的材料，容易产生开裂和电化学腐蚀等一系列问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种利用脆性锡铋系合金制备高强度高塑性焊接丝材的方法，能将具有高脆性的锡铋合金制备成具有高强度、高塑性、晶粒细小、成分均匀的焊接丝材，且变形加工成品率高，工艺简单，成本低。
为了解决上述技术问题，本发明是将合金铸锭进行等温等径转角挤压，再进行挤压成形，然后进行等温拉拔成形，得到性能、尺寸满足要求的丝材，包含如下步骤：
1、合金铸锭等径转角等温挤压成形，制备挤压坯料
将锡铋合金铸锭按照等径转角挤压模具尺寸加工成等径转角挤压坯料，并用马弗炉在60℃～100℃进行预热并保温，同时对等径转角挤压模具辅以可控温循环水装置，将循环水温度控制在60℃～100℃对等径转角模具预热，然后将预热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等温挤压。在挤压过程中，利用上述60℃～100℃温度的循环水进行保温或冷却，将模具保持温度在60℃～100℃，等径转角挤压速度控制在60min/道次以下，挤压压力控制在200MPa～300MPa。经过一次或多以等径转角挤压，得到挤压坯料。
2、挤压坯料挤压成形制备拉拔坯料
将经等径转角挤压成形制备的挤压坯料，用挤压机进行挤压，制备符合拉拔成形要求的棒材或丝材。挤压比控制在为35：1以下，挤压压力控制在120MPa～200MPa，挤出满足拉拔要求的坯料丝材。
3、等温拉拔成形制备丝材
采用水冷控温拉丝机对进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.04mm/模次以下，拉拔速度控制在0.5m/s以下，制备出满足生产、使用要求的直径为1.5mm以下各种规格的连续焊接丝材。
4、丝材卷盘包装
按照包装要求将制备的焊接丝材盘绕成卷、包装。
按上述步骤可制备直径1.5mm以下各种规格的锡铋系合金焊接丝材，所制备的焊接丝材保持了高的合金强度，同时可将塑性提高到150％以上，合金晶粒细小、成分组织更加均匀，焊接性能优异，完全满足生产、使用要求。
本发明具有如下优点和积极效果：
（1）可将难变形加工的高脆性锡铋系合金制备成高强度、高塑性的连续丝材；
（2）可制备直径1.5mm以下各种规格焊接丝材；
（3）所制备的焊接丝材具有晶粒更加细小、成分组织更加均匀，较其它方法制备的焊接丝材具有更好的焊接性能；
（4）所制备的焊接丝材可满足各种包装要求；
（5）工艺流程简单，可操行性强。
具体实施方式
以下通过具体实施例来对本发明进行详细说明。
实施例1：制备直径0.5mm锡-铋焊接丝材
将经精炼制备的成分为Sn-30Bi（wt.％）的锡-铋合金铸锭，按照等径转角挤压模具的要求，加工成直径50mm、高度100mm的挤压坯锭，并用马弗炉在60℃进行加热保温，同时将可控温度循环水装置的循环水温度控制在60℃、对等径转角挤压模具进行预热，然后将加热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等径转角挤压制备挤压坯料，等径转角挤压速度控制在10min/道次，压力控制在200MPa～250MPa，挤压道次为1次。将等径转角挤压制备的挤压坯料用挤压机进行挤压，压力控制在120MPa～150MPa，挤压出直径为2.0mm的拉拔坯料。采用水冷控温拉丝机对进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.04mm/模次以下，拉拔速度控制在0.5m/s以下，制备出直径0.5mm的焊接丝材，进行盘绕成卷包装。
实施例2：制备直径0.8mm锡-铋焊接丝材
将经精炼制备的成分为Sn-58Bi（wt.％）的锡-铋合金铸锭，按照等径转角挤压模具的要求，加工成直径60mm、高度60mm的挤压坯锭，并用马弗炉在75℃进行加热保温，同时将恒温循环水温度控制在75℃，并对等径转角挤压模具进行预热，然后将加热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等径转角挤压，等径转角挤压速度控制在30min/道次，压力控制在200MPa～250MPa，挤压道次为2次。用挤压机进行挤压，压力控制在150MPa～180MPa，挤压出直径为2.5mm的拉拔坯料。采用水冷控温拉丝机对进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.02mm/模次以下，拉拔速度控制在0.3m/s以下，制备出直径0.8mm的焊接丝材，进行盘绕成卷包装。
实施例3：制备直径1.2mm锡-铋焊接丝材
将经精炼制备的成分为Sn-70Bi（wt.％）的锡-铋合金铸锭，按照等径转角挤压模具的要求，加工成直径40mm、高度60mm的挤压坯锭，并用马弗炉在85℃进行加热保温，然后置入等径转角挤压模具内，将恒温循环水温度控制在85℃，并对等径转角挤压模具进行预热，然后将加热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等径转角挤压，等径转角挤压速度控制在60min/道次，压力控制在250MPa～300MPa，挤压道次为3次。用挤压机进行挤压，压力控制在180MPa～200MPa，挤压出直径为3.0mm的拉拔坯料。采用水冷控温拉丝机对进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.01mm/模次以下，拉拔速度控制在0.1m/s以下，制备出直径1.2mm的焊接丝材，进行盘绕成卷包装。
实施例4：制备直径1.0mm锡-铋-铜焊接丝材
将经精炼制备的成分为Sn-17Bi-0.5Cu（wt.％）的锡-铋-银合金铸锭，按照等径转角挤压模具的要求，加工成直径50mm、高度50mm的挤压坯锭，并用马弗炉在75℃进行加热保温，然后置入等径转角挤压模具内，将恒温循环水温度控制在75℃，并对等径转角挤压模具进行预热，然后将加热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等径转角挤压，等径转角挤压速度控制在40min/道次，压力控制在200MPa～250MPa，挤压道次为2次。用挤压机进行挤压，压力控制在150MPa～180MPa，挤压出直径为2.5mm的拉拔坯料。采用水冷控温拉丝机进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.03mm/模次以下，拉拔速度控制在0.3m/s以下，制备出直径1.0mm的焊接丝材，进行盘绕成卷包装。
实施例5：制备直径1.0mm锡-铋-银焊接丝材
将经精炼制备的成分为Sn-35Bi-1Ag（wt.％）的锡-铋-银合金铸锭，按照等径转角挤压模具的要求，加工成直径50mm、高度50mm的挤压坯锭，并用马弗炉在85℃进行加热保温，然后置入等径转角挤压模具内，将恒温循环水温度控制在85℃，并对等径转角挤压模具进行预热，然后将加热保温后的等径转角挤压坯料放入等径转角挤压模具内进行等径转角挤压，等径转角挤压速度控制在40min/道次，压力控制在200MPa～250MPa，挤压道次为2次。用挤压机进行挤压，压力控制在150MPa～180MPa，挤压出直径为2.5mm的拉拔坯料。采用水冷控温拉丝机进行等温拉拔加工，拉拔温度控制在60℃～100℃，拉拔过模量控制在0.02mm/模次以下，拉拔速度控制在0.3m/s以下，制备出直径1.0mm的焊接丝材，进行盘绕成卷包装。
Claims (8)
1.一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于先将锡铋合金铸锭制备成等径转角挤压坯锭，并进行预热和保温；利用可控温度循环水装置对等径转角挤压模具进行预热，然后将上述的等径转角挤压坯锭采用等径转角挤压模具进行等温挤压，制备挤压坯料，挤压过程中利用该循环水装置进行挤压过程温度控制；挤压坯料再经挤压成形后制成拉拔成形要求的拉拔坯料，再采用水冷控温拉丝机进行等温拉拔加工，制备出锡铋焊接丝材，然后进行盘绕包装。
2.根据权利要求1所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：等径转角挤压坯锭的尺寸需与等径转角挤压模具尺寸相匹配，高径比控制在3：1以下。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：对等径转角挤压坯锭进行预热和保温时，将预热保温温度控制在60℃～100℃之间。
4.根据权利要求3所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：将可控温度循环水装置的水温控制在60℃～100℃之间，即将等径转角挤压模具与等径转角挤压坯锭始终维持在该温度范围内。
5.根据权利要求4所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：等径转角挤压时压力控制在200MPa～300MPa，挤压速度控制在60min/道次以下，至少进行一次以上等径转角挤压。
6.根据权利要求5所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：挤压坯料在挤压时压力控制在120MPa～200MPa，挤压比控制在35：1以下。
7.根据权利要求6所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：对拉拔坯料进行拉拔时水温控制在60℃～100℃，拉拔时过模量控制在0.04mm/模次以下，拉拔速度控制在0.5m/s以下。
8.根据权利要求1所述的一种利用脆性锡铋系合金制备焊接丝材的方法，其特征在于：将脆性锡铋系合金制成直径为1.5mm以下的焊接丝材。
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