CN107641752A - 一种70℃的共晶Bi‑Pb‑Sn‑Cd易熔合金及其制备方法 - Google Patents

一种70℃的共晶Bi‑Pb‑Sn‑Cd易熔合金及其制备方法 Download PDF

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李前
朱洪波
郑红星
王烈高
徐维普
汪双敏
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Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Institute
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Abstract

本发明涉及一种70℃的共晶Bi‑Pb‑Sn‑Cd易熔合金及其制备方法，按质量百分比，由以下组分组成：Bi 49％～51％、Pb 25％～27％、Sn 13～14％和Cd 9％～10％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在340～380℃，即可。本发明强度高，熔点准确、熔程小，综合性能优秀；制备工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。

Description

一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金领域，特别涉及一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金及其制备方法。
背景技术
Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金的熔点低、熔化范围窄，且具有良好的钎焊性能，常用于制作电器、消防、火灾报警等装置中的感温和热敏元件。而感温和热敏元件的灵敏性和稳定性取决于易熔合金的熔点和力学性能，因此研究易熔合金的成分、组织和性能，对易熔合金热敏元件的开发和应用具有重要的价值。
易熔合金塞作为车用CNG气瓶阀门上的重要附件，在气瓶介质的充装和使用过程中起着关键作用，是安全防护的最后一道防线。为了防止气瓶在高温情况下发生爆炸，在车用CNG 气瓶阀门上安装了易熔合金塞安全泄放装置。该装置的主要作用是在气瓶环境温度升高到规定范围时，易熔合金在规定的动作温度下熔化，气瓶内的介质随之安全泄放的装置。以前，由于易熔合金塞的动作温度不准确造成的安全事故已经发生过多起，主要原因是由于动作温度不准确和不灵敏。为了减少此类事故，需要研制出动作温度准确，液相比较窄的合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金及其制备方法，该合金强度高，熔点准确、熔程小，综合性能优秀；制备工艺简单，成本低，具有良好的应用前景。
本发明提供了一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，按质量百分比，由以下组分组成： Bi 49％～51％、Pb 25％～27％、Sn 13～14％和Cd 9％～10％。
最优选的，按质量百分比，由以下组分组成：Bi 50％、Pb 26.7％、Sn 13.3％和Cd10％。
本发明的一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金的制备方法，包括：
将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在340～380℃，即可。
在Bi-Pb-Sn-Cd四元合金中，当合金的成分为w(Bi)＝50％、w(Pb)＝26.7％、w(Sn)＝13.3％和 w(Cd)＝10％时，在70℃发生共晶转变，即共晶温度为70℃。
Bi-Pb-Sn-Cd合金为铋基合金，而铋基合金具有特殊的膨胀性能，即当w(Bi)<45％时，合金凝固时会收缩；当w(Bi)>55％时，合金凝固时会发生膨胀。因此对合金进行成分设计时，尽量将Bi含量控制在40％～60％之间。根据Bi、Pb、Sn、Cd间的三元合金相图，及共晶合金、伍德合金的化学成分，并考虑到应尽量减少铅、镉等有害元素含量的要求，确定了Pb、Sn、Cd元素的含量范围，即W(Pb)＝25％～35％、W(Sn)＝9％～25％、W(Cd)＝4％～10％。最后按照正交试验方法，配制了9种不同成分的易熔合金。采用工业高纯Bi、Pb、Sn、Cd，按设计的成分比例，用分析天平称量配置；采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃左右。
有益效果
本发明强度高，熔点准确、熔程小，综合性能优秀；制备工艺简单，成本低，具有良好的应用前景；
在气瓶上开展火烧试验，动作温度准确且泄放及时可靠，本发明强度高，保证了本发明在用过程中不会提前泄放，熔点动作温度准确，保证了发生火灾时，可以及时安全泄放。本发明的推广应用，将对我国数百万只溶解乙炔气钢瓶及其他产品的安全使用提供有力的技术保障和产品保障，将大大节约企业的研发成本。
附图说明
图1为Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金的X射线衍射图谱；
图2为Cd含量对9种合金液相线温度的影响；
图3为Bi含量对合金液相线温度的影响；
图4为共晶易熔合金的能谱曲线图；
图5为共晶易熔合金的线扫描图(SEI)；
图6为共晶易熔合金的样品基体组织形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 47％、Pb 25％、Sn 24％和Cd 4％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金1。
实施例2
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 54％、Pb 25％、Sn 15％和Cd 6％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金2。
实施例3
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 57％、Pb 25％、Sn 9％和Cd 9％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金3。
实施例4
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 40％、Pb 30％、Sn 24％和Cd 6％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金4。
实施例5
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 46％、Pb 30％、Sn 15％和Cd 9％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金5。
实施例6
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 57％、Pb 30％、Sn 9％和Cd 4％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金6。
实施例7
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 32％、Pb 35％、Sn 24％和Cd 9％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金7。
实施例8
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 44％、Pb 35％、Sn 15％和Cd 6％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金8。
实施例9
按质量百分比，由以下组分组成：Bi 52％、Pb 35％、Sn 9％和Cd 4％。制备方法包括：将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在360℃，即得Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，记为合金9。
测试方法：
①物相组成：
Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金的X射线衍射谱如图1所示。9种易熔合金的成分虽然不同，但都由Bi、PbTBi Sn和Cd等4种物相组成，其中Bi、PbTBi3为合金主要的组分，而Sn相和Cd相的含量相对较少。
②熔点与熔程：
9种合金的固相线比较接近，位于67.5℃-70.0℃之间，究其原因可能与Bi、Pb、Sn、Cd 间形成的四元共晶(共晶温度70℃)有关。
9种易熔合金的液相线变化范围较大，当Cd含量为4％时，合金的液相线温度较高，最高可达90.51℃；随Cd含量的增加，液相线逐渐降低，当Cd增加到9％时，液相线会降低到73℃左右，这与共晶成分的熔点较为接近(如图2、图3所示)。另外，随Cd含量的增加，合金的熔程也逐渐降低，说明合金的流动性变好、填充焊缝的能力逐步增强。此外，当Cd含量相同时，随Bi含量的增加，合金的液相线温度也逐渐降低、熔程变窄；而Sn、Pb含量对液相线的影响不大。
表1是9种合金的抗拉强度。表2是抗拉强度的正交试验结果的分析。由表1和2可见， 2号合金的抗拉强度最小，5号的最大。在Cd、Sn、Pb3种元素中，Cd元素的极差数值最大，它对合金抗拉强度的影响最大。Sn元素的影响次之，而Pb元素的影响最小。
表1 9种合金钎焊接头的抗拉强度MPa
合金 1 2 3 4 5 6 7 8 9
强度 76 66 71 69 78 69 75 77 60
表2抗拉强度的正交试验结果MPa
合金元素 1水平强度之和 2水平强度之和 3水平强度之和 极差
Pb 193 208 202 15
Sn 189 204 210 21
Cd 195 192 215 22
利用XWT-464DTA型差热分析仪测量合金的熔点、固相线和液相线；利用D/Max-2500 型X射线衍射仪确定合金的物相组成，利用LJ-5000A型拉力试验机测量易熔合金钎焊接头的抗拉强度.钎焊试样的基材为12mm×30mm的黄铜棒，易熔合金作为焊料加工成同等面积、厚0.2～0.5mm的薄片，并在涂覆助焊剂及高于熔点30℃左右的条件下进行钎焊。
由极差分析可知，合金接头抗拉强度的最大数值应该出现在由Pb(2水平/30％)、Sn(3 水平/24％)、Cd(3水平/9％)组成的易熔合金上，但该合金并不在9种合金中，在进行追加试验中，发现Bi-30％Pb(2水平)-24％Sn(3水平)-9％Cd(3水平)合金的抗拉强度为77MPa，略高于5号合金，但此合金的Bi含量为37％，不符合铋基合金中Bi含量应在45％-55％之间的要求。考虑到Bi含量，保持Pb(2水平/30％、Cd(3水平/9％)组分不变、而Sn的含量取接近3水平的第2水平(15％)，则Bi含量为46％，即5号合金；5号合金的抗拉强度，在 9种合金中确为最大(见表1)。
对易熔合金热敏元件而言，不仅要求其具有较高的强度，更重要的是要求其灵敏性，即熔点准确、熔化范围窄(熔程小)。熔程的变化规律与抗拉强度一样，其中Cd元素的极差数值最大，对合金熔程的影响最大，Sn元素的影响次之，Pb元素的影响最小。熔程最小的合金应为由Pb(2水平/30％)、Sn(2水平/15％)、Cd(3水平/9％)组成的易熔合金，即5号合金。
综上所述，在设计的9种合金中，5号合金Bi-30Pb-15Sn-9Cd的综合性能最好。
③车用共晶易熔合金的组织与性能：
根据法规标准规定，CNG和H2车载气瓶的易熔塞装置的动作温度为110℃±5℃。来样经制样后置扫描电镜内进行能谱分析，见图4，除可见Bi主量元素峰线外，还可见Sn、Pb、Cd等峰线。
对样品分别进行置电镜及光学显微镜下进行组织分析。经Bi、Sn、Pb元素的线扫描，其谱线能量分布见图5所示，可见基体组织为：(Bi+Pb)共晶体+岛状及小块状的富Sn固溶体。在金相显微镜下，组织形貌见图6所示，可看到基体组织为：(Bi+Pb)共晶体+深灰色岛状及小块状的富Sn固溶体，其共晶体中亮白色的区域为富Bi区，浅灰色的区域为富Pb 区。

Claims (3)

1.一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，其特征在于：按质量百分比，由以下组分组成：Bi 49％～51％、Pb 25％～27％、Sn 13～14％和Cd 9％～10％。
2.根据权利要求1所述的一种70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金，其特征在于：按质量百分比，由以下组分组成：Bi 50％、Pb 26.7％、Sn 13.3％和Cd 10％。
3.一种如权利要求1所述的70℃的共晶Bi-Pb-Sn-Cd易熔合金的制备方法，包括：
将Bi、Pb、Sn和Cd按比例称量，采用高频加热炉，在预抽真空、随后充填氩气的条件下进行合金的熔炼，熔化温度控制在340～380℃，即可。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58153748A (ja) * 1982-03-05 1983-09-12 Takigen Seizo Kk 低融点合金
FR2703282A1 (fr) * 1993-03-31 1994-10-07 Lorraine Laminage Procédé d'assemblage de tôles d'acier revêtues d'une couche d'alliage comprenant principalement du plomb.
CZ279693B6 (cs) * 1990-09-26 1995-06-14 Josef Rndr. Ing. Csc. Dudek Brašna se samonastavitelnými úchyty popruhu

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