CN105643147A - 一种Sn-58Bi焊丝的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，属于低温无铅焊料的制造领域。本发明所述Sn-58Bi焊丝的制备方法包括配料、熔炼、铸造、连续挤压步骤；本发明所述制备方法可以使硬脆Bi相更加细化、弥散分布更加均匀；加工出来的锡铋焊丝的抗拉强度、断裂延伸率明显提高，焊接使用性能优异；这种连续挤压技术工序精简，省去了轧、拉、拔等制造工序，材料利用率提高，生产效率更高。可以根据不同的需要生产出不同尺寸的Sn-58Bi焊丝材。
Description
技术领域
本发明涉及一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，属于低温无铅焊料的制造领域。
背景技术
Sn-Pb钎料作为主流的连接材料用于电子封装中。但是由于Pb及其化合物对环境和人类健康有毒害，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，并进行无铅焊料的开发研究活动。现今最可能替代Sn-Pb钎料的合金系主要有Sn-Bi系、Sn-In系、Sn-Zn系以及Sn-Ag-Cu系。当前公认的无铅钎料设计要求包括以下几点:（1）具有与Sn-Pb相当或更好的性能；（2）熔点应低于或相当于Sn-Pb共晶合金的熔点（183℃）；（3）无毒无污染；（4）成本不太高。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，采用这种焊料的实际组装温度可降低到200℃以下，基于其在熔点方面的优势，Sn-58Bi钎料作为分级钎焊的基础材料，拥有较为广阔的应用前景。
由于Sn-58Bi合金线材成型困难，国内外对于该合金的研究报道较少。多伦多大学DivyaBhardwaj等采用OCC（OhnoContinuousCasting）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，锡铋合金丝塑性差，产品缺陷多，易脆断。操作复杂、参数控制不稳定，材料利用率低，生产成本高。
其中专，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中运用了传统熔炼-浇铸-挤压的方法，经过挤压晶粒得到了细化，产品的芯部组织均匀细小，但表层的晶粒大小不均。在制备过程中，制品塑性差，易脆断，在工艺流程过程中易中断，材料利用率低，不能连续生产、更不能制备高Bi含量的锡铋焊丝。
Sn-58Bi合金焊料用于电子封装已有20年的历史。Sn-58Bi作为分级钎焊的基础材料，得到广泛的应用，近年来机器人无钎焊等领域的扩展，LED显示技术的发展及LED显示器的市场不断扩大，对温度较敏感的LED器件的焊接需要使用Sn-58Bi共晶焊丝，其市场需求量将越来越大。因此如何高效率成型Sn-58Bi共晶焊丝，成为研究者的研究热点之一；Sn-58Bi锡铋合金是一种高Bi含量的合金，本专利运用连续挤压方法制备出的锡铋共晶焊丝，脆性相Bi受到了极大的破碎作用，晶粒更加细小，晶粒分布更均匀。连续挤压工艺简单，易操作，设备占地面积小，材料利用率高，可高效率连续制备锡铋焊丝。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锡铋焊丝连续挤压的制备方法，该方法能够、使Bi硬脆相更加细小、弥散分布更均匀，提高其焊丝的断裂延伸率，成型率高达80％以上，能够达到高效率连续生产Sn-58Bi共晶焊丝。
本发明所述Sn-58Bi焊丝的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）配料：按质量百分数将原料配好；
（2）将原料Sn、Bi加热熔化成均匀的液态Sn-58Bi合金溶液；
（3）将液态Sn-58Bi合金浇铸成杆状坯料；
（4）用连续挤压成形技术制备Sn-58Bi焊丝：将预热后的杆状坯料通过预热后的模具连续挤出Sn-58Bi焊丝。
本发明所述液态Sn-58Bi合金的熔炼温度为250℃~350℃，保温30~60min。
本发明所述杆状坯料预热温度为125℃~135℃，保温1~2h。
本发明所述模具预热温度控制在60℃~120℃之间，挤压轮的转速控制在2r.min-1~5r.min-1之间，挤压比控制在100~150之间。
本发明的优点和积极效果是：
（1）本发明低温合金为含Sn:42％，Bi：58％的无铅低温合金，可以用于制作温度保险丝的熔断芯；机器人无铅焊丝；该种低温合金为共晶合金，具有扩散均匀、晶粒细小、组织均匀、延伸率高、适用范围广的特点。
（2）本发明的低温合金为无铅环保材料以代替传统的锡铅合金，且具有很好的社会效益及经济效益。
（3）本发明无铅低温Sn-58Bi合金的制备方法简单，易于操作，省去了轧、拉、拔等制造工序，材料利用率高，生产效率更高；此外，用连续挤压法还可以根据不同的需要生产出不同尺寸的Sn-58Bi焊丝。
附图说明
图1为Sn-58Bi焊丝制备流程图。
图2为连续挤压原理图。
图3为Φ0.6mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图。
图4为Φ0.8mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图。
图5为Φ1.0mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图。
图6为Φ0.6mm的Sn-58Bi焊丝的应力应变曲线图。
图7为Φ0.8mm的Sn-58Bi焊丝的应力应变曲线图。
图8为Φ1.0mm的Sn-58Bi焊丝的应力应变曲线图。
图2中：1-挤压腔体；2-压实轮；3-挤压轮；4-挤压轮槽；5-堵头；6-模具；7-挤压靴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容
实施例1~3制备Sn-58Bi焊丝的方法所用装置，包括挤压腔体1、压实轮2、挤压轮3、挤压轮槽4、堵头5、模具6、挤压靴7，挤压机腔体1位于挤压轮3的外面，挤压轮3的表面设有挤压轮槽4；压实轮2固定于挤压机腔体1，挤压靴7固定于挤压机腔体1，挤压靴7内部设有模具6，模具6上镶嵌有堵头5，堵头5的一端堵住挤压轮槽4。
实施例1
一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，包括如下步骤：
（1）配料：按质量百分数将原料配好；
（2）熔炼：将锡铋合金放入坩埚中，将其放入金属熔炼装置内，设定炉温度为300℃，保温30min。
（3）浇铸：将液态锡铋合金浇铸到10mm*10mm*100mm凹槽模具中，室温冷却，待冷却后取出杆状坯料，并用感应加热炉对杆料预热，保温1h。
（4）连续挤压过程：步骤（3）得到的预热后的Sn-58Bi合金杆状坯料在挤压轮槽摩擦力作用下，通过预热后的模具（90℃）连续挤压挤出Φ0.6mm的Sn-Bi焊丝，其中，Sn-Bi合金杆状坯料预热温度为135℃；挤压比为140；挤压轮的转速控制在3r.min-1。连续挤压制备出的Φ0.6mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图3所示；由图3可看到焊丝的显微组织中白色相为富Bi相，黑色相为富Sn相；Sn基体上均匀分布着细小的Bi晶粒，尺寸细小的富Bi相更容易协调Sn基体的变形，塑性良好的Sn基体组织吸收拉伸变形中绝大部分能量，因此Sn-58Bi共晶焊丝具有较高的延伸率，延伸率高达176％。
实施例2
一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，包括如下步骤：
（1）配料：按质量百分数将原料配好。
（2）熔炼：将锡铋合金放入坩埚中，将其放入金属熔炼装置内，设定炉温度为250℃，保温60min。
（3）浇铸：将液态锡铋合金浇铸到10mm*10mm*100mm凹槽模具中，室温冷却，待冷却后取出杆状坯料，并用感应加热炉对杆料预热，保温1.5h。
（4）连续挤压过程：步骤（3）得到的预热后的Sn-58Bi合金杆状坯料在挤压轮槽摩擦力作用下，通过预热后的模具（60℃）连续挤压挤出Φ0.8mm的Sn-Bi焊丝，其中，Sn-Bi合金杆状坯料预热温度为125℃；挤压比为100；挤压轮的转速控制r.min-1。
（5）连续挤压制备出的Φ0.8mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图3所示。由图3可看到焊丝的显微组织中白色相为富Bi相，黑色相为富Sn相；Sn基体上均匀分布着细小的Bi晶粒，尺寸细小的富Bi相更容易协调Sn基体的变形，塑性良好的Sn基体组织吸收拉伸变形中绝大部分能量，因此Sn-58Bi共晶焊丝具有较高的延伸率，延伸率高达114％。
实施例3
一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，包括如下步骤：
（1）配料：按质量百分数将原料配好；
（2）熔炼：将锡铋合金放入坩埚中，将其放入金属熔炼装置内，设定炉温度为350℃，保温40min。
（3）浇铸：将液态锡铋合金浇铸到10mm*10mm*100mm凹槽模具中，室温冷却，待冷却后取出杆状坯料，并用加热炉对杆料预热，保温2h。
（4）连续挤压过程：步骤（3）的得到的Sn-58Bi合金杆状坯料在挤压轮槽摩擦力作用下通过预热后的模具（120℃）续挤压挤出Φ1.0mm的Sn-58Bi焊丝，其中，杆状坯料预热温度为150℃；挤压比为150；挤压轮的转速控制在2r.min-1。
（5）连续挤压制备出的Φ1.0mm的Sn-58Bi焊丝的显微组织图4所示。由图4可看到焊丝的显微组织中白色相为富Bi相，黑色相为富Sn相；Sn基体上均匀分布着细小的Bi晶粒，尺寸细小的富Bi相更容易协调Sn基体的变形，塑性良好的Sn基体组织吸收拉伸变形中绝大部分能量，因此Sn-58Bi共晶焊丝具有较高的延伸率，延伸率高达102％。
Claims (5)
1.一种Sn-58Bi焊丝的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）配料：按质量百分数将原料配好；
（2）将原料Sn、Bi加热熔化成均匀的液态Sn-58Bi合金溶液；
（3）将液态Sn-58Bi合金浇铸成杆状坯料；
（4）用连续挤压成形技术制备Sn-58Bi焊丝：将预热后的杆状坯料通过预热后的模具连续挤出Sn-58Bi焊丝。
2.根据权利要求1所述的Sn-58Bi焊丝的制备方法，其特征在于：液态Sn-58Bi合金的熔炼温度为250℃~350℃，保温30~60min。
3.根据权利要求1所述的Sn-58Bi焊丝的制备方法，其特征在于：杆状坯料预热温度为125℃~135℃，保温1~2h。
4.根据权利要求1所述的Sn-58Bi焊丝的制备方法，其特征在于：模具预热温度控制在60℃~120℃之间，挤压轮的转速控制在2r.min-1~5r.min-1之间，挤压比控制在100~150之间。
5.根据权利要求1所述的Sn-58Bi焊丝的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述连续挤压成形技术所用挤压装置包括挤压腔体（1）、压实轮（2）、挤压轮（3）、挤压轮槽（4）、堵头（5）、模具（6）、挤压靴（7），挤压机腔体（1）位于挤压轮（3）的外面，挤压轮（3）的表面设有挤压轮槽（4）；压实轮（2）固定于挤压机腔体（1），挤压靴（7）固定于挤压机腔体（1），挤压靴（7）内部设有模具（6），模具（6）上镶嵌有堵头（5），堵头（5）的一端堵住挤压轮槽（4）。
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