CN205254086U - 一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，包括保温加热熔炼成形装置、超声波搅拌系统和机械搅拌系统；保温加热熔炼成形装置包括坩埚上盖、保温加热座体、坩埚模具、探温器、下托盘和控温仪器，坩埚上盖和下托盘分别设置在保温加热座体的上下方，坩埚模具放置在下托盘上，探温器设置在坩埚模具内且与控温仪器相连接；利用本实用新型熔铸时，在锡合金半凝固过程切入机械搅拌和超声振荡，两种搅拌方式共同实施，可消除熔池里的任何死区，使液态金属母液某些初生相均匀悬浮浆料中，具有破碎枝晶、增强元素扩散，降低温度梯度和成分过冷以及清除熔体中的气体，可实现水冷或油冷等不同的凝固速率，实现细化晶粒的效果。

Description

一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备

技术领域

本实用新型涉及半固态法和快速冷却的晶粒细化熔铸技术领域，尤其涉及到半固态锡基合金熔铸一体化生产设备。

背景技术

在Sn中添加Ag、Cu、In、Zn、Bi、Sb等元素形成Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-In、Sn-Zn、Sn-Bi系、Sn-Sb系合金，可广泛用于无铅电子产业。传统的注浆铸造工艺难免在铸件上带进气泡，而且难以通过快速冷却方式去抑制粗大相的形成，影响铸态合金的塑性和强度，直接影响下一道拉丝成形工艺。

申请号为201010610527.8的中国发明专利，公开了一种低银无铅焊料合金及其制备方法和装置，其采用快速冷却和振动相结合的制备方法，有效地减少了熔程而使合金迅速凝固的方法，但这种单一机械振动模式难以破碎半固态合金的粗大树枝组织，这对锡基合金机械性能的提高受到了限度。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种锡合金在液固区间内介入超声波和机械复合搅拌熔炼和快速冷凝成形的熔铸一体化设备，利用该设备制造的锡合金晶粒细化，塑性好，强度高。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：包括保温加热熔炼成形装置、超声波搅拌系统和机械搅拌系统；

保温加热熔炼成形装置包括坩埚上盖、保温加热座体、坩埚模具、探温器、下托盘和控温仪器，坩埚上盖和下托盘分别设置在保温加热座体的上下方，坩埚模具放置在下托盘上且能随着下托盘的上下移动进入和脱离保温加热座体，探温器设置在坩埚模具内且与控温仪器相连接；

超声波搅拌系统包括调频超声波换能器、变幅杆、工作头和超声波发生器，超声波换能器和变幅杆安装在所述坩埚上盖上，工作头置于所述坩埚模具内且上端安装在变幅杆上；

机械搅拌系统包括支架、搅拌杆、固定在搅拌杆下端的搅拌叶片和驱动搅拌杆转动的驱动装置，搅拌杆设置在所述坩埚模具内且上端穿过所述坩埚上盖与支架相连接。

进一步地，所述保温加热座体包括保温座体和设置保温座体上的感应加热丝。

进一步地，所述调频超声波发生器的超声波可调频率为15-25KHz。

进一步地，所述坩埚上盖和下托盘均采用保温材料制成，所述坩埚模具由奥氏体304不锈钢材料制成。所述搅拌杆由不锈钢材料制成。

本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型通过可将半固态熔炼技术和快速冷却铸造方法相结合，在锡合金半凝固过程切入机械搅拌和超声振荡，两种搅拌方式共同实施，可消除熔池里的任何死区，使液态金属母液某些初生相均匀悬浮浆料中，具有破碎枝晶、增强元素扩散，降低温度梯度和成分过冷以及清除熔体中的气体，两者结合可实现晶粒在各个方向上均匀长大；可实现水冷或油冷等不同的凝固速率，实现细化晶粒的效果。

（2）将坩埚和模具的功能设计成一体化，生产效率高，设备制作和合金制造成本低，这种技术和装置可实现各种半固态锡合金、铝合金、镁合金制造和批量生产。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的分解示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，包括超声波搅拌系统1、保温加热熔炼成形装置2和机械搅拌系统3。

上述保温加热熔炼成形装置2包括坩埚上盖21、保温加热座体、坩埚模具24、探温器25、下托盘26和控温仪器27。其中，保温加热座体包括保温座体22和设置保温座体上的感应加热丝23。坩埚上盖21和下托盘26分别设置在保温加热座体的上下方，坩埚模具24放置在下托盘26上且能随着下托盘的上下移动进入和脱离保温加热座体。探温器25设置在坩埚模具24内且与控温仪器27相连接。

上述超声波搅拌系统1包括调频超声波换能器11、变幅杆12、工作头13和超声波发生器14，调频超声波换能器11和变幅杆12安装在坩埚上盖21上，工作头13置于所述坩埚模具24内且上端安装在变幅杆12上。本实施例中，调频超声波发生器的超声波可调频率为15-25KHz。

上述机械搅拌系统3包括支架31、搅拌杆32、固定在搅拌杆下端的搅拌叶片33和驱动搅拌杆转动的驱动装置，搅拌杆32设置在坩埚模具24内且上端穿过坩埚上盖21与支架31相连接。搅拌杆32由不锈钢材料制成。

本实施例中，上述坩埚上盖21和下托盘26均采用保温材料制成，如此，与保温座体配合时能提高整体的保温性能。上述坩埚模具24由奥氏体304不锈钢材料制成。

下面通过几个具体的利用本实用新型制备锡基合金的方法，进行详细说明。

实例一：当Sn-52Bi亚共晶合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、将Sn和Bi两种金属按48：52的质量比例混合放入不锈钢坩埚，合上坩埚上盖后加热到300℃至熔融状态，施加超声波振荡，并在表并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，冷却合金至150-139℃半固态，保温5-10分钟，在不间断超声波振荡的同时，切入机械搅拌；二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与加热熔炼系统分离；三、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例二：当Sn-58Bi共晶合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：将Sn和Bi两种金属按42：58的质量比例混合放入不锈钢坩埚模具，合上上盖后加热到300℃至熔融状态，并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，持续施加超声波和机械搅拌，冷却合金至139℃保温3-6分钟；二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与加热熔炼系统分离；三、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例三：当Sn-62Bi共晶合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、Sn-62Bi合金将Sn和Bi两种金属按38：62的质量比例混合放入不锈钢坩埚模具，合上上盖后加热到300℃至熔融状态，并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，合金在150℃-140℃的温度范围内保持5-8分钟，在熔融至半固态期间持续施加超声波和机械搅拌；二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；三、将坩埚模具置于水中进行急冷，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例四：当SnSb3.0CuNi合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、利用常规熔铸技术，450℃制备含20%Sb的Sn-Sb中间合金，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，650℃制备含5%Ni的Sn-Ni中间合金。二、将纯Sn和Sn-Sb、Sn-Cu、Sn-Ni中间合金材料按照质量百分比Sb为3.0%，Cu为1.0%，Ni为1%，Sn为余量的配比计算重量，用天平称量好后先将原料坩埚模具中加热温度设为600℃，合上炉盖进行熔炼，直到合金呈液态时，在熔液表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，冷却合金至239-233℃范围内，呈半固态粘稠状态，在合金液态至半固态期间不间断施加超声波和机械搅拌3-8分钟；四、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；五、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例五：当SnSb4.5CuNi合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、利用常规熔铸技术，450℃制备含20%Sb的Sn-Sb中间合金，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，650℃制备含5%Ni的Sn-Ni中间合金。二、将纯Sn和Sn-Sb、Sn-Cu、Sn-Ni中间合金材料按照质量百分比Sb为4.5%，Cu为1.0%，Ni为1%，Sn为余量的配比计算重量，用天平称量好后先将原料坩埚模具中加热温度设为600℃，合上炉盖进行熔炼，直到合金呈液态时，在熔液表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，冷却合金至242-238℃呈半固态粘稠状态，在合金液态至半固态期间不间断施加超声波和机械搅拌5-8分钟；四、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；五、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例六：当SnSb6.0CuNi合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、利用常规熔铸技术，450℃制备含20%Sb的Sn-Sb中间合金，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，650℃制备含5%Ni的Sn-Ni中间合金。二、将纯Sn和Sn-Sb、Sn-Cu、Sn-Ni中间合金材料按照质量百分比Sb为6.0%，Cu为1.0%，Ni为1.0%，Sn为余量的配比计算重量，用天平称量好后先将原料坩埚模具中加热温度设为600℃，合上炉盖进行熔炼，直到合金呈液态时，在熔液表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1作为防氧化剂，冷却合金至245-239℃范围内，呈半固态粘稠状态，在合金液态至半固态期间不间断施加超声波和机械搅拌5-10分钟；四、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；五、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例七：当Sn-0.1Ag-0.7Cu合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、利用常规熔铸技术，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，将Sn、Ag和Sn-Cu中间合金3种材料按质量百分比：Ag为0.1%，Cu为0.7%，Sn为余量进行计算，混合放入不锈钢坩埚，合上上盖后加热到540℃至熔融状态，并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1保护，在230℃-222℃区间内保温3-8分钟，对液态和半固态合金不间断超声波振荡和机械搅拌。二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；三、将坩埚模具置于淬火油中进行油冷，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例八：当Sn-0.3Ag-0.7Cu合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：一、利用常规熔铸技术，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，将Sn、Ag和Sn-Cu中间合金3种材料按质量百分比：Ag为0.3%，Cu为0.7%，Sn为余量进行计算，混合放入不锈钢坩埚，合上上盖后加热到530℃至熔融状态，并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1保护，待到温度降低到227℃-220℃时，对合金熔液（固相线温度为217.16℃，液相线温度为228.86）进行机械搅拌和超声波振荡3-8分钟。二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离出来；三、将坩埚模具置于淬火油中进行油冷，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

实例九：当SnAg3.0Cu0.5合金，所述制造合金的方法包括如下步骤：

一、利用常规浇铸技术，550℃制备含20%Cu的Sn-Cu中间合金，将Sn、Ag和Sn-Cu中间合金3种材料按质量百分比：Ag为3.0%，Cu为0.5%，Sn为余量进行计算，混合放入不锈钢坩埚模具中，合上上盖后加热到550℃至熔融状态，并在表面覆盖一层熔盐KCl:LiCl=1.3:1保护，待到温度降低到225-221℃时，对合金熔液进行超声波和机械搅拌8-10分钟。二、开启承载下托盘的升降系统，将坩埚模具与保温座体分离；三、将坩埚模具置于冷却水中进行冷却，直至金属熔体完全凝固，得到铸件。

上述制造方法中所提及的常规熔铸工艺，具体步骤是将合金中的各种纯金属和中间合金混合，加热至高于熔点20℃-50℃以上，熔融至液态金属后进行机械搅拌，保温，扒渣，浇注，空冷，获得铸件。

利用WDW-100型微机电子万能拉伸机对拉伸试样进行拉伸，拉伸时第一阶段的速率控制在0.5kN/sec，第二阶段为位移控制1.5mm/sec。拉断后目测断面是否有缺陷（气孔等），是否在标距内断裂，再测量伸长后的标距长度，计算并获得伸长率。拉伸结束后，导出数据和拉伸曲线，可得抗拉强度。采用不同的熔铸工艺获得的合金熔点和性能如下表所示。

由上表可见，采用常规的熔炼注浆铸造工艺获得的Sn-Bi合金，由于Bi粗大结晶偏析导致合金出现脆性大，铸件的伸长率低，采用本案的熔铸设备和方法获得的铸件延伸率均得到大幅度提高，其中Sn-52Bi、Sn-58Bi、Sn-62Bi合金采用半固态超声和机械搅拌熔炼后，水冷后的铸件伸长率比常规熔铸的分别提高了360.59%，110.95%，283.65%；拉伸强度变化不大。

SnSbCuNi系合金常可广泛应用于双面电路板SMT组装时二次回流焊料。从上表可看出，采用本案实施水冷获得的铸件，SnSb3.0CuNi铸态合金的伸长率和拉伸强度分别提高了96.05%和10.28%，SnSb4.5CuNi伸长率和拉伸强度分别提高了90.99%和9.18%，SnSb6.0CuNi铸态合金的伸长率增加了92.31%，拉伸强度略有增加。SnSbCuNi系合金机械性能的提高是由于本案制造工艺在合金半凝固态时切入了超声和机械搅拌，它们具有很高的剪切效率，有效地破碎晶粒、增强元素扩散，降低温度梯度和成分过冷以及清除熔体中的气体，实现晶粒在各个方向上均匀长大，水冷后形成细晶组织。

SnAgCu系合金是作为锡铅替代品已在电子工业大量使用。低银无铅焊料SnAg0.1Cu0.7和SnAg0.3Cu0.7在常规熔铸工艺条件下塑性和强度较低，采用本案设备和熔铸技术后，伸长率分别提高了174.65%和134.59%，拉伸强度分别提高了37.67%和40.32%。SnAg3.0Cu0.5接近共晶点熔程较小，在225-221℃条件下保温，并施加超声和机械搅拌8-10分钟后，水冷后获得的铸件塑性和强度分别提高了50.12%和16.92%。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本实用新型的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：包括保温加热熔炼成形装置、超声波搅拌系统和机械搅拌系统；

保温加热熔炼成形装置包括坩埚上盖、保温加热座体、坩埚模具、探温器、下托盘和控温仪器，坩埚上盖和下托盘分别设置在保温加热座体的上下方，坩埚模具放置在下托盘上且能随着下托盘的上下移动进入和脱离保温加热座体，探温器设置在坩埚模具内且与控温仪器相连接；

超声波搅拌系统包括调频超声波换能器、变幅杆、工作头和超声波发生器，超声波换能器和变幅杆安装在所述坩埚上盖上，工作头置于所述坩埚模具内且上端安装在变幅杆上；

机械搅拌系统包括支架、搅拌杆、固定在搅拌杆下端的搅拌叶片和驱动搅拌杆转动的驱动装置，搅拌杆设置在所述坩埚模具内且上端穿过所述坩埚上盖与支架相连接。

2.根据权利要求1所述的基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：所述保温加热座体包括保温座体和设置保温座体上的感应加热丝。

3.根据权利要求1或2所述的基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：所述调频超声波发生器的超声波可调频率为15-25KHz。

4.根据权利要求3所述的基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：所述坩埚上盖和下托盘均采用保温材料制成，所述坩埚模具由奥氏体304不锈钢材料制成。

5.根据权利要求3所述的基于半固态法锡基合金的熔铸一体化设备，其特征在于：所述搅拌杆由不锈钢材料制成。