CN105463292A - 一种低熔点合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低熔点合金及其制备方法。所述低熔点合金的通式为GaInxSnyCdzMt，其中M选自Pb和/或Zn；其中0.5≤x≤2.5，0.5≤y≤2.5，1≤z≤3，1≤t≤3。该低熔点合金的制备方法包括以下步骤：将Ga、In、Sn、Cd、Pb和/或Zn按特定的顺序混合后采用高频感应炉真空熔炼，获得低熔点合金。本发明低熔点合金配方科学、合理，其制备方法简单、易行。该低熔点合金在室温环境下具有与橡皮泥相似的任意变形的性能，同时还具有低熔点和高导电特性。

Description

一种低熔点合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术，尤其涉及一种低熔点合金及其制备方法。
背景技术
目前工业上常用的低熔点合金主要为铋基合金，铋基合金主要用于模具材料领域，其熔点范围约处于47℃到145℃之间，如常用的伍德合金(Bi50Pb25Sn12.5Cd12.5，熔点70℃)和利波韦茨合金(Bi50Pb27Sn13Cd10，熔点70℃)等。然而，由于铋基合金中当铋含量低于45wt.％时凝固时体积收缩，而高于45wt.％时凝固时体积不变，所以这些合金的铋含量都较高，因此尽管合金的熔点较低，但由于强度相对较高，所以无法像橡皮泥一样在室温时任意变形。
工业上使用的橡皮泥也称之为高级彩色泥土，主要成分为各种有机物或者无机物等，尽管可以在室温时任意变形，但由于不能导电，因此不满足需要使用导电橡皮泥材料的领域。因此，要开发具有导电性能的橡皮泥材料，低熔点合金无疑是很好的选择。
所以，亟待一种室温条件下：能导电、可任意变形的类橡皮泥低熔点合金。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述室温下能任意变形的低熔点合金处于空白的问题，提出一种低熔点合金，该合金在室温环境下具有与橡皮泥相似的任意变形的性能，同时还具有低熔点和高导电特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低熔点合金，通式为GaInxSnyCdzMt，其中M选自Pb和/或Zn；0.5≤x≤2.5，0.5≤y≤2.5，1≤z≤3，1≤t≤3。
进一步地，所述通式中1≤x≤2，更优选为1≤x≤1.5。
进一步地，所述通式中1≤y≤2，更优选为1≤y≤1.5。
进一步地，所述通式中1≤z≤2.5，更优选为1≤z≤2.1。
进一步地，所述通式中1≤t≤2.5。
本发明的另一个目的还公开了所述低熔点合金的制备方法，包括以下步骤：将Ga、In、Sn、Cd、Pb和/或Zn混合后采用高频感应炉真空熔炼，获得低熔点合金。
进一步地，所述Ga、In、Sn、Cd、Pb、Zn皆选用纯度为99wt％以上的工业级原料。
进一步地，所述高频感应炉真空熔炼包括以下步骤：熔配合金时，将原料Cd和Zn放在最下面，将原料Ga、In、Sn、Pb和/或Zn放在最上面，高频感应炉抽真空至真空度至10-2-10-3Pa数量级时，优选为5×10-3Pa时，反冲氩气-0.05至-0.03Pa，优选为-0.05Pa，开始熔炼，熔炼温度约为425摄氏度，熔炼时间为约1分钟，各金属在高频感应炉中真空熔炼至完全熔化后即可得混合均匀的低熔点合金。本发明将沸点较低的易挥发原料Cd和Zn放在最下面，将沸点较高的原料Ga、In、Sn、Pb放在最上面，以减少熔炼时由挥发造成的质量损失。
本发明低熔点合金配方科学、合理，其制备方法简单、易行，与现有技术相比较具有以下优点：
1、本发明低熔点合金包含了特定的元素选择和组配，其中元素Ga、In、Sn熔点较低，加入后能有效降低合金熔点和增加合金粘度；元素Sn、Cd、Pb、Zn熔点低且塑性很好，加入能有效提高合金的流动性和塑性；
2、本发明低熔点合金在室温时具有特殊的物理形态，能像橡皮泥一样任意变形，且具有优良的导电性能；
3、本发明低熔点合金在开水中即可发生部分合金相融化，转变为粘稠液态，甚至在室温下经过较长时间变形也可导致部分合金相融化，从而转变为粘稠态；
4、本发明低熔点合金中各金属元素易取、易得，均选用纯度为99wt％以上的工业级纯原料；其制备方法简单、易行，采用高频感应真空熔炼即可得到室温时可任意变形的低熔点合金。
附图说明
图1为室温下实施例1低熔点合金的50倍光镜显微组织图片；
图2为室温下实施例1低熔点合金的100倍扫描电镜显微组织图片；
图3为室温下实施例1低熔点合金的500倍扫描电镜显微组织图片；
图4为实施例1低熔点合金的XRD衍射分析图谱；
图5为实施例1低熔点合金的DSC曲线；
图6为室温下实施例2低熔点合金的1000倍扫描电镜显微组织图片；
图7为实施例2低熔点合金的DSC曲线；
图8为室温下实施例3低熔点合金的1000倍扫描电镜显微组织图片；
图9为实施例3低熔点合金的DSC曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种Ga-In-Sn-Cd-Zn类橡皮泥低熔点合金，其通式为GaInSnCd1.5Zn。
GaInSnCd1.5Zn合金的制备方法如下：按照设计的摩尔比称取Ga、In、Sn、Cd和Zn原料，其中Ga、In、Sn、Cd、Zn皆选用纯度为99wt％以上的工业级纯原料，然后采用真空高频感应炉真空熔炼。熔炼合金时，将沸点较低的易挥发原料Cd和Zn原料放在最下面，沸点较高Ga、In和Sn原料放在最上面，以减少熔炼时的挥发。当高频感应炉抽真空至真空度为5×10-3Pa时，反冲氩气至真空计读数为-0.05至-0.03Pa后即可进行熔炼；熔炼温度约为425摄氏度，熔炼时间为约1分钟，各金属在高频感应炉中真空熔炼至完全熔化后即可得混合均匀的低熔点合金，获得室温下可任意变形的GaInSnCd1.5Zn低熔点合金。
本实施例室温下可任意变形的GaInSnCd1.5Zn低熔点合金的的50倍光学显微镜组织图片和变形后放大100倍和500倍扫描电镜组织图片分别如图1和图2、图3可见，图4为GaInSnCd1.5Zn低熔点合金的XRD衍射图谱。从图1中可以看出合金为多相组织的混合物，晶粒细小，组织均匀。从图2、图3中也可以看出合金的多相组织特征，且变形后的合金具有类似河流流动的花样，表明合金的变形是一种粘性流动变形。结合能谱图、背散射图谱和XRD衍射图谱，发现合金中共含有四相，分别为Cd基和Zn基端际固溶体、In0.2Sn0.8相和一种主要由Ga、In、Sn三种元素组成的固溶体相，如图4所示。图5为GaInSnCd1.5Zn低熔点合金的DSC曲线，从曲线中可以看出，合金在约80℃时就开始逐渐融化，到174.5℃时完全融化为液态，融化区间约为95℃，这也是合金在室温下变形后会逐渐融化变粘或者在热水中部分合金相融化的原因。表1列出了三种合金的电导率测试结果，由表1可知，GaInSnCd1.5Zn合金的电导率为20℃时退火工业纯铜电导率的11.52％，即为6.6816MS/m。
实施例2
本实施例公开了一种Ga-In-Sn-Cd-Zn类橡皮泥低熔点合金，其通式为GaInSnCdZn1.5。
低熔点合金的制备方法如下：按照设计的摩尔比称取Ga、In、Sn、Cd和Zn原料，其中Ga、In、Sn、Cd、Zn皆选用纯度为99wt％以上的工业级纯原料，然后采用真空高频感应炉真空熔炼。熔炼合金时，易挥发的Cd和Zn原料放在最下面，原料Ga、In和Sn放在最上面以减少挥发，高频感应炉抽真空至真空度为5×10-3Pa时，反冲氩气至真空计读数为-0.05Pa后即可进行熔炼；熔炼温度约为425摄氏度，熔炼时间为约1分钟，各金属在高频感应炉中真空熔炼至均匀混合后即可获得室温下可任意变形的GaInSnCdZn1.5低熔点合金。
本实施例室温下可任意变形的GaInSnCdZn1.5低熔点合金1000倍扫描电镜组织图片如图6可见。图6中可以看出合金仍为多相组织的混合物，且可看出变形后的合金具有类似河流流动的花样，表明合金的变形是一种粘性流动变形。图7为GaInSnCdZn1.5低熔点合金的DSC曲线，从曲线中可以看出，合金在约90℃时就开始逐渐融化，到156.6℃时完全融化为液态，融化区间约为66℃。由于熔点较GaInSnCd1.5Zn合金低，所以GaInSnCdZn1.5合金在室温变形时或者在热水中更容易转变为粘稠态。此外合金在120℃时还存在着一个小的相变峰，也符合多相合金的融化特征。从表1可知，GaInSnCdZn1.5合金的电导率为20℃时退火工业纯铜电导率的12.76％，即为7.4212MS/m。
实施例3
本实施例公开了一种Ga-In-Sn-Cd-Zn类橡皮泥低熔点合金，其通式为GaInSnCdZn2.2。
本实施例低熔点合金的制备方法与实施例1、2相同。
本实施例室温下可任意变形的GaInSnCdZn2.2低熔点合金的1000倍扫描电镜组织图片如图8可见，图8中可以看出GaInSnCdZn2.2合金为具有不同颜色的多相的混合物，且可看出变形后的合金仍具有类似河流流动的花样，同样表明合金的变形也是一种粘性流动变形。图9为GaInSnCdZn2.2低熔点合金的DSC曲线，从曲线中可以看出，合金在约152.8℃时就存在着一个大的相变峰，但并未完全融化，合金的熔点应该在250℃左右。表1中给出了GaInSnCdZn2.2合金的电导率，为20℃时退火工业纯铜电导率的12.5％，即为7.25MS/m。
本实施例1、实施例2和实施例3三种合金在热水中浸泡后可任意变形，此后在室温下即可像橡皮泥一样任意变形，且变形时间越长，通过变形施加的能量越大，合金的温度就越高，粘度就越大，最后甚至可以变为熔融态，而且三种合金在开水中即可变为熔融液态，说明合金存在一个熔化温度范围，且该温度范围较低，这也与DSC曲线的实验结果相符。
本发明不局限于实施例1-3任意一项所述低熔点合金及其制备方法的记载，其中x、y、z、t的改变、M的改变和制备方法的改变，均在本发明的保护范围之内。
表1室温下实施例1、2和实施3低熔点合金的相对电导率和电导率值
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种低熔点合金，其特征在于，通式为GaInxSnyCdzMt，其中M选自Pb和/或Zn；0.5≤x≤2.5，0.5≤y≤2.5，1≤z≤3，1≤t≤3。
2.根据权利要求1所述低熔点合金，其特征在于，所述通式中1≤x≤2。
3.根据权利要求1所述低熔点合金，其特征在于，所述通式中1≤y≤2。
4.根据权利要求1所述低熔点合金，其特征在于，所述通式中1≤z≤2.5。
5.根据权利要求1所述低熔点合金，其特征在于，所述通式中1≤t≤2.5。
6.权利要求1-5任意一项所述低熔点合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Ga、In、Sn、Cd、Pb和/或Zn混合后采用高频感应炉真空熔炼，获得低熔点合金。
7.根据权利要求6所述低熔点合金的制备方法，其特征在于，所述Ga、In、Sn、Cd、Pb、Zn皆选用纯度为99wt％以上的工业级原料。
8.根据权利要求6所述低熔点合金的制备方法，其特征在于，所述高频感应炉真空熔炼包括以下步骤：熔配合金时，将原料Cd和Zn放在最下面，将原料Ga、In、Sn、Pb和/或Zn放在最上面，高频感应炉抽真空至真空度至10-3-10-4Pa数量级时，反冲氩气-0.05至-0.03Pa，开始熔炼，各金属在高频感应炉中真空熔炼至完全熔化后即可得混合均匀的低熔点合金。
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