CN108251692A - 柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柔性耐氧化高导热高导电Sn‑Li‑Os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:1.2‑2.5wt.%,Os:0.2‑0.6wt.%,Co:0.4‑0.8wt.%,Te:0.2‑0.4wt.%，Pt:0.1‑0.2wt.%,Sm: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,高导电和耐氧化性能，以及纯锡的柔软性,熔点在120‑140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

柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os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

锡是一种银白色的金属，其熔点低、可塑性好、耐腐蚀、抗疲劳、无毒性。锡的强度和硬度不高，但具有适用的机械性能，因此在与铝、铜等组成合金后，其强度和硬度均大为提高，其抗蠕变性能也大幅度被提高。一般而言,锡合金具有如下的优点:1:) 锡基合金熔点低，熔液流动性好，制备技术比较简单，易熔焊、钎焊和塑性加工，强度硬度接近于低碳钢，耐压、耐磨性能比较好。2:)有良好的重熔性和重铸性，残废料便于回收和重熔反复利用，且性能变化不大。机械加工性好，容易得到光亮的表面。价格比低熔点合金便宜，原料供应方便。

锡合金被广泛应用于电子、信息、电器、化工、冶金、建材、机械、食品包装，原子能及航天工业等。按照使用领域,锡合金主要可以分为: 1:) 锡焊料:，绝大部分锡焊料用于电子工业。由于焊接工艺的改进，焊料用量有所减少，但随着电子工业(包括计算机、电视和通讯系统)的迅速发展，锡用量仍在稳步增长。2:)耐腐蚀构件:锡合金化后不仅能增加强度，而且还可改善其承载能力和赋予良好的耐腐蚀性能。可用于制造电工弹簧和线材，制造在腐蚀性环境中使用的阀门等零件，制造浇铸件、锻压件或烧结件等。3:)轴承合金:由于锡合金具有表面滞留润滑油膜的性质和良好的耐磨性能，所以它是制造轴承的理想材料。4:)其它合金:锡器合金、易熔合金和印刷合金等。

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。

锡锂合金具有很独特的性能：(1)质量轻。锂的加入让锡锂合金的密度比多数合金的密度都要低。且随着锂含量的增加，其密度还会进一步降低; (2) 强度高。锡锂合金有很高的强度，其强度不会因为锂含量的增加而发生明显变化，而且可以通过添加铜、镁、锌等元素进一步提高合金的强度; (3) 刚度高。锡锂合金拥有很高的刚度，抗变形能力强，其刚度随着锂含量的增加还会进一步提高; (4) 抗疲劳。锡锂合金抗疲劳性能优异，使用寿命长; (5) 良好的延展性。锡锂合金拥有良好的延展性能，可以有效降低锡锂合金的加工难度。

锡锂合金在熔炼过程中极易发生燃烧，甚至爆炸。这是因为锂的氧化物和氮化物的体积小于生成这些化合物所消耗的金属的体，因此其氧化物和氮化物不足以包覆金属表面。形成的氧化膜和氮化膜疏松多孔且很脆，氧可通过氧化膜和氮化膜的孔隙与合金熔体继续作用，释放出大量的热并导致锡锂熔体燃烧。因此，锡锂合金产业化的一个重要课题是如何阻止锡锂合金在大气环境下冶炼时的高温氧化燃烧。目前，常用的阻燃方法是熔剂保护法与气体保护法。这些方法存在铸件易产生熔剂夹杂、污染环境以及设备和工艺复杂等缺点。

通过合金化方法达到阻燃是解决锡锂合金燃烧问题的先进方法。合金化阻燃法其机理是在锡锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，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和氮化的目的，并且锡锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高锡锂合金的加工安全性。但是只具有熔炼时的抗燃烧性能是远远不能满足要求的，更重要的是最终的锡锂合金产品还要同时拥有令人满意的力学强度，至少要能达到常用锡锂合金的力学性能水平。

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柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os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和纯锡一样的柔软性。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：

一种柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 1.2-2.5wt.%,Os:0.2-0.6wt.%,Co:0.4-0.8wt.%,Te:0.2-0.4wt.%，Pt:0.1-0.2wt.%,Sm: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。

上述柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os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） 本专利提出的柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os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，本专利申请保护的柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金具有极其优异的传热性能和耐氧化性能,以及纯锡的柔性,熔点在120-140度。在100度的温度下，于大气环境下保持一个月而没有明显的氧化现象发生。传热系数达到69-72W/m·K, 大于纯锡的传热系数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60%。导电能力达到纯锡的95%以上。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度熔炼柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.8wt.%,Os:0.3wt.%,Co:0.5wt.%,Te:0.3wt.%，Pt:0.1wt.%, Sm: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，本专利申请保护的柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金具有极其优异的传热性能和耐氧化性能,以及纯锡的柔性,熔点在128度。在100度的温度下，于大气环境下保持一个月而没有明显的氧化现象发生。传热系数达到71/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60%。导电能力达到纯锡的95%以上。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。

实施例2

一种在270度熔炼柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.1wt.%,Os:0.5wt.%,Co:0.7wt.%,Te:0.3wt.%，Pt:0.1wt.%, Sm: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，本专利申请保护的柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金具有极其优异的传热性能和耐氧化性能,以及纯锡的柔性,熔点在135度。在100度的温度下，于大气环境下保持一个月而没有明显的氧化现象发生。传热系数达到70W/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60%。导电能力达到纯锡的95%以上。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3

一种在290度熔炼柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.9wt.%,Os:0.4wt.%,Co:0.5wt.%,Te:0.2wt.%，Pt:0.1wt.%, Sm: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，本专利申请保护的柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金具有极其优异的传热性能和耐氧化性能,以及纯锡的柔性,熔点在128度。在100度的温度下，于大气环境下保持一个月而没有明显的氧化现象发生。传热系数达到69W/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60%。导电能力达到纯锡的95%以上。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。

Claims (2)

1.一种柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os锡锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li: 1.2-2.5wt.%,Os:0.2-0.6wt.%,Co:0.4-0.8wt.%,Te:0.2-0.4wt.%，Pt:0.1-0.2wt.%, Sm:0.1-0.2wt.%,余量为锡。

2.权利要求1所述柔性耐氧化高导热高导电Sn-Li-Os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。