CN108220674A - 接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了接近纯锡传热性能的Sn‑Li‑Rh锡锂合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Li:1.6‑2.4wt.%,Rh:0.2‑0.6wt.%,Bi:2.8‑3.6wt.%,Pt:0.2‑0.3wt.%，Y:0.3‑0.5wt.%,Ce:0.1‑0.2wt.%,余量为锡。该锡锂合金具有传统锡合金不具备的高导热性能,熔点在140‑160度。使得合金在发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模应用。

Description

接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锡锂合金。

背景技术

锡是最具广泛工业用途的金属之一，具有多种工业领域急需的多种优良特性。1:)锡合金性能稳定，熔点低，流动性好，收缩性小;2: )锡合金晶粒幼细，韧性良好，软硬适宜，表面光滑，无砂洞，无疵点，无裂纹，磨光及电镀效果好;3:)锡合金离心铸造性能好，韧性强，可以铸造形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑;4:)锡合金产品可进行表面处理：电镀、喷涂、喷漆;5. )锡合金晶体结构致密,在原料方面确保铸件尺寸公差小,表面精美，后处理瑕疵少。

锡合金广泛用于工业、农业、国防科技、医学等各行各业。1:)锡基轴承合金。其摩擦系数小，有良好的韧性、导热性和耐蚀性，主要用以制造滑动轴承。2:)锡焊料。用于电器仪表工业中元件的焊接，以及汽车散热器、热交换器、食品和饮料容器的密封等。3:)锡合金涂层。利用锡合金的抗蚀性能，将其涂敷于各种电气元件表面，既具有保护性，又具有装饰性。4:)锡合金饰品和工艺品，如戒指、项链、手镯、耳环、胸针、纽扣、领带夹、帽饰、工艺摆饰、合金相框、微型塑像、纪念品等。

国际上通过合金化技术，凝固方式以及制备相关复合材料等手段不断深入提高锡合金的综合性能和加工技术，使得锡合金的生产成本不断降低和相关性能持续提高。但是，现有的锡合金传热性能还不够。当进行合金化后，锡合金的传热系数通常都小于纯锡传热系数的50%。这一缺陷严重地制约了该类合金在航空航天，电子，军工上的进一步应用。进一步提高锡合金的传热性能，是增加锡合金相关产业化进行良性循环的快速轨道。

人们不断追求合金成本，材料性能和加工性能的最佳组合的来满足日益提升的要求。目前，在欧美、日本等发达国家已经通过几十年的努力对锡合金材料进行了多方位的创新。我国所需要的高端锡合金也多从德国，瑞典等发达国家进口。开发具备特殊性能锡合金有两种方法，一种是加入合金元素通过固溶强化来强化基体，另一种是通过加入第二相强化相形成锡基复合材料。在锡合金中加入锂后，通过优化合金的成分和配比能使得锡合金的传热系数达到接近纯锡的传热系数。随着我国工业的快速发展，开发新型高导电性能的锡合金已成为必然。

锡锂合金最大的特点是在冶炼过程中熔体容易氧化烧，生成疏松的氧化膜和氮化膜。这种不致密的熔体表面化合物膜不能阻止氧气和氮气向熔体表面的扩散，导致了锂在合金熔体在熔炼过程中的不断氧化和消耗。因此，锡锂合金的冶炼中一般采用氩气保护的方法来进行合金制备。该方法不同程度地存在着成本偏高，铸件易产生熔剂夹杂、设备复杂等缺点。因此使锡锂合金的研制、开发与应用受到了限制。因而在急需大规模使用锡锂合金的工业和国防领域，一直存在着现有产量少，工艺繁琐，成本高等急需克服的现状。

通过合金化的方法达到防止在冶炼过程中锡锂合金熔体的氧化，是解决该合金冶炼问题的发展方向之一。合金化阻燃和防止锂在熔炼过程中挥发的机理是在合金中添加合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，在合金表面形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化的目的。与氩气保护相比，合金化阻燃可以消除熔剂夹杂，降低合金的生产费用。此外，在锡锂合金中平衡各种合金元素的含量还可以使得最终锡锂合金产品还要同时拥有令人满意的熔点和其它性能。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。使得合金使用寿命有了进一步提高，便于工业化大规模应用。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在250-300度大气条件下进行熔炼的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品具有锡锂合金材料所需要具备的传热性能。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li:1.6-2.4wt.%,Rh:0.2-0.6wt.%,Bi:2.8-3.6wt.%,Pt:0.2-0.3wt.%，Y:0.3-0.5wt.%, Ce:0.1-0.2wt.%,余量为锡。该锡锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到250-300度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在250-300度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为8-12m/min。该铸锭可以当做原料用于后续工序的压力加工来制备所需要的丝状或者薄膜状高导热锡合金。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前锡锂合金的传热性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。通过新颖的材料学方法来优选合金中的元素种类和含量，所得产品不仅可以大大降低合金元素使用量的缺点，还可以获得非常好的传热性能，并能获得优异的合金收得率。

（2） 本专利提出的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在250-300温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。所得合金表面氧化膜和氮化膜都有非常好的塑性和粘度，能够完整地铺展和覆盖住合金表面，有效阻挡大气侵入合金液内。且该锡锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（3） 该锡锂合金具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。冶炼加工方法简单，生产成本比较低，降低了对设备要求。

（4） 相对于传统的锡合金，本专利申请保护的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金具有极其优异的传热性能,熔点在140-160度。传热系数达到60-65W/m·K, 接近纯锡的传热系数67W/m·K。相比较而言，一般的锡合金传热系数通常都小于纯锡传热系数的50%。使得锡合金在使用温度为120度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。

具体实施方式

实施例1

一种在250度熔炼接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.9wt.%,Rh:0.3wt.%,Bi:2.9wt.%,Pt:0.2wt.%，Y:0.3wt.%, Ce:0.1wt.%,余量为锡。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到250度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在250度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为8m/min。该铸锭可以当做原料用于后续工序的压力加工来制备所需要的丝状或者薄膜状高导热锡合金。相对于传统的锡合金，本专利申请保护的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金具有极其优异的传热性能,熔点在142度。传热系数达到63W/m·K, 接近纯锡的传热系数67W/m·K。相比较而言，一般的锡合金传热系数通常都小于纯锡传热系数的50%。使得锡合金在使用温度为120度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该锡锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.5wt.%左右。

实施例2

一种在270度熔炼接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.1wt.%,Rh:0.5wt.%,Bi:3.4wt.%,Pt:0.3wt.%，Y:0.4wt.%, Ce: 0.2wt.%,余量为锡。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到270度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在270度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为9m/min。该铸锭可以当做原料用于后续工序的压力加工来制备所需要的丝状或者薄膜状高导热锡合金。相对于传统的锡合金，本专利申请保护的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金具有极其优异的传热性能,熔点在152度。传热系数达到64W/m·K, 接近纯锡的传热系数67W/m·K。相比较而言，一般的锡合金传热系数通常都小于纯锡传热系数的50%。使得锡合金在使用温度为120度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该锡锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.2wt.%左右。

实施例3

一种在290度熔炼接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.0wt.%,Rh:0.5wt.%,Bi:3.4wt.%,Pt:0.3wt.%，Y:0.4wt.%, Ce: 0.2wt.%,余量为锡。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到290度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在290度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10m/min。该铸锭可以当做原料用于后续工序的压力加工来制备所需要的丝状或者薄膜状高导热锡合金。相对于传统的锡合金，本专利申请保护的接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金具有极其优异的传热性能,熔点在148度。传热系数达到62W/m·K, 接近纯锡的传热系数67W/m·K。相比较而言，一般的锡合金传热系数通常都小于纯锡传热系数的50%。使得锡合金在使用温度为120度以下发热量大，且需要器件轻量化的场合有了进一步的具体应用，便于工业化大规模装备。该锡锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.4wt.%左右。

Claims (2)

1.一种接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li: 1.6-2.4wt.%,Rh:0.2-0.6wt.%,Bi:2.8-3.6wt.%,Pt:0.2-0.3wt.%，Y:0.3-0.5wt.%,Ce:0.1-0.2wt.%,余量为锡。

2.权利要求1所述接近纯锡传热性能的Sn-Li-Rh锡锂合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到250-300度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在250-300度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为8-12m/min；该铸锭可以当做原料用于后续工序的压力加工来制备所需要的丝状或者薄膜状高导热锡合金。