專利名稱：一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無鉛焊接材料的制備方法，尤其是一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法。
背景技術(shù)：
電子行業(yè)要求無鉛封裝，目前主要采用錫-銀-銅、錫-銅或錫-銻等系列無鉛釬料。但無鉛釬料的熔點(diǎn)要比傳統(tǒng)錫鉛釬料高出20°C 60°C，封裝溫度高達(dá)250°C左右。高的組裝溫度會(huì)影響到電子元器件的可靠性，對(duì)電子封裝設(shè)備的操作帶來不便，能耗高，不符合節(jié)能減排要求。錫鉍合金釬料以熔點(diǎn)低(最低僅為139°C)，在較寬溫度范圍內(nèi)與傳統(tǒng)錫鉛釬料的彈性模量相當(dāng)，且抗拉強(qiáng)度和抗蠕變性能均高于傳統(tǒng)錫鉛釬料和錫-銀-銅、 錫-銅或錫-銻等系列無鉛釬料，并具有焊接方便和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的無鉛釬料，可廣泛應(yīng)用于發(fā)光二極管、液晶顯示器、散熱器、高頻頭、防雷元件、火警報(bào)警器、溫控元件、空調(diào)安全保護(hù)器、柔性板、熱敏電子元器件以及加熱溫度較低元件的低溫焊接與低溫分級(jí)焊接中。錫鉍系合金作為一種理想的無鉛焊料，由于鉍的高脆性使得錫鉍合金脆性大，延展性小，易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致變形加工困難。同時(shí)，鉍在合金中易形成粗大不規(guī)則的晶粒， 特別是錫鉍合金在偏離共晶成分時(shí)，凝固過程中更易出現(xiàn)枝晶偏析和粗大組織，脆性高、塑性差，變形加工更加困難，無法采用傳統(tǒng)的擠壓-拉拔工藝制備絲材，或制備的絲材脆斷率高，無法進(jìn)行卷盤包裝，難以滿足焊接組裝生產(chǎn)線對(duì)其強(qiáng)度和柔韌性的要求，使這種具有優(yōu)異性能的無鉛焊料合金的應(yīng)用受到限制。目前，錫鉍系合金在電子封裝領(lǐng)域主要是以塊材或粉末產(chǎn)品的形式在進(jìn)行使用，其中塊材主要用在波峰焊，粉末主要調(diào)制焊膏用于SMT回流焊。例如，中國專利 CN101700605公開的一種錫-鉍-鋅低熔點(diǎn)無鉛焊料，中國專利CN101844280公開的一種低熔點(diǎn)錫鉍焊料及其制備方法，是將合金熔煉成制備成焊料錠。中國專利CN101380700公開的一種錫鉍銅無鉛焊料及其制備方法，是將合金經(jīng)離心霧化或氣霧化制成粉末。為了制備高鉍含量錫鉍系合金焊料絲材，Bhardwai Divya等采用Ohno快速凝固連續(xù)鑄造工藝制備出了鉍含量(wt. % )分別為40^^57%,62^^77%,直徑約2. Omm的絲材[Bhardwai Divya, Soda Hiroshi, Mclean Alexander, Materials Characterization, 61 (2010)882-893]。但是該方法制備的絲材為鑄造組織，富鉍相晶粒粗大且呈層片狀分布， 無法改變合金的硬脆性特點(diǎn)、提高塑性，制備的絲材脆性高、延性不足，無法進(jìn)一步加工成直徑更為細(xì)小的絲材，或進(jìn)行盤繞，只能能提供長度較短的直線材料，無法制備出滿足使用要求的連續(xù)絲材。中國專利CN101362265公開了一種焊接材料的錫絲制作方法，是將高塑性的純錫或錫合金作為拉絲坯料，將用高鉍含量合金粉末制成的焊膏壓入拉絲坯料拉拔成絲，制成表層為純錫或錫合金、芯部為焊膏的焊絲。這種方法制備的合金焊錫絲，是兩種成分合金的物理形狀組合，其芯部膏體合金熔點(diǎn)與外層純錫或錫合金成分熔點(diǎn)不一，無法通過焊接熔化進(jìn)行合金化和性能優(yōu)化，焊點(diǎn)或焊縫是仍然是2種性能不同的材料，容易產(chǎn)生開裂和電化學(xué)腐蝕等一系列問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種利用脆性錫鉍系合金制備高強(qiáng)度高塑性焊接絲材的方法，能將具有高脆性的錫鉍合金制備成具有高強(qiáng)度、高塑性、晶粒細(xì)小、成分均勻的焊接絲材，且變形加工成品率高，工藝簡單，成本低。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是將合金鑄錠進(jìn)行等溫等徑轉(zhuǎn)角擠壓，再進(jìn)行擠壓成形，然后進(jìn)行等溫拉拔成形，得到性能、尺寸滿足要求的絲材，包含如下步驟1、合金鑄錠等徑轉(zhuǎn)角等溫?cái)D壓成形，制備擠壓坯料將錫鉍合金鑄錠按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具尺寸加工成等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料，并用馬弗爐在60°C 100°C進(jìn)行預(yù)熱并保溫，同時(shí)對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具輔以可控溫循環(huán)水裝置，將循環(huán)水溫度控制在60°C 100°C對(duì)等徑轉(zhuǎn)角模具預(yù)熱，然后將預(yù)熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等溫?cái)D壓。在擠壓過程中，利用上述60°C 100°C溫度的循環(huán)水進(jìn)行保溫或冷卻，將模具保持溫度在60°C 100°C，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在 60min/道次以下，擠壓壓力控制在200MPa 300MPa。經(jīng)過一次或多以等徑轉(zhuǎn)角擠壓，得到擠壓坯料。2、擠壓坯料擠壓成形制備拉拔坯料將經(jīng)等徑轉(zhuǎn)角擠壓成形制備的擠壓坯料，用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，制備符合拉拔成形要求的棒材或絲材。擠壓比控制在為35 1以下，擠壓壓力控制在120MPa 200MPa，擠出滿足拉拔要求的坯料絲材。3、等溫拉拔成形制備絲材采用水冷控溫拉絲機(jī)對(duì)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 10(TC，拉拔過模量控制在0. 04mm/模次以下，拉拔速度控制在0. 5m/s以下，制備出滿足生產(chǎn)、使用要求的直徑為1. 5mm以下各種規(guī)格的連續(xù)焊接絲材。4、絲材卷盤包裝按照包裝要求將制備的焊接絲材盤繞成卷、包裝。按上述步驟可制備直徑1. 5mm以下各種規(guī)格的錫鉍系合金焊接絲材，所制備的焊接絲材保持了高的合金強(qiáng)度，同時(shí)可將塑性提高到150%以上，合金晶粒細(xì)小、成分組織更加均勻，焊接性能優(yōu)異，完全滿足生產(chǎn)、使用要求。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果(1)可將難變形加工的高脆性錫鉍系合金制備成高強(qiáng)度、高塑性的連續(xù)絲材；(2)可制備直徑1. 5mm以下各種規(guī)格焊接絲材；(3)所制備的焊接絲材具有晶粒更加細(xì)小、成分組織更加均勻，較其它方法制備的焊接絲材具有更好的焊接性能；(4)所制備的焊接絲材可滿足各種包裝要求；(5)工藝流程簡單，可操行性強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
以下通過具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1 制備直徑0. 5mm錫-鉍焊接絲材將經(jīng)精煉制備的成分為Sn-30Bi (wt. % )的錫-鉍合金鑄錠，按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具的要求，加工成直徑50mm、高度IOOmm的擠壓坯錠，并用馬弗爐在60°C進(jìn)行加熱保溫，同時(shí)將可控溫度循環(huán)水裝置的循環(huán)水溫度控制在60°C、對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將加熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等徑轉(zhuǎn)角擠壓制備擠壓坯料，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在IOmin/道次，壓力控制在200MPa 250MPa，擠壓道次為1 次。將等徑轉(zhuǎn)角擠壓制備的擠壓坯料用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，壓力控制在120MPa 150MPa，擠壓出直徑為2. Omm的拉拔坯料。采用水冷控溫拉絲機(jī)對(duì)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 100°C，拉拔過模量控制在0. 04mm/模次以下，拉拔速度控制在0. 5m/s以下，制備出直徑0. 5mm的焊接絲材，進(jìn)行盤繞成卷包裝。實(shí)施例2 制備直徑0. 8mm錫-鉍焊接絲材將經(jīng)精煉制備的成分為Sn_58Bi (wt. % )的錫-鉍合金鑄錠，按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具的要求，加工成直徑60mm、高度60mm的擠壓坯錠，并用馬弗爐在75°C進(jìn)行加熱保溫，同時(shí)將恒溫循環(huán)水溫度控制在75°C，并對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將加熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等徑轉(zhuǎn)角擠壓，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在 30min/道次，壓力控制在200MPa 250MPa，擠壓道次為2次。用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，壓力控制在150MPa 180MPa，擠壓出直徑為2. 5mm的拉拔坯料。采用水冷控溫拉絲機(jī)對(duì)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 10(TC，拉拔過模量控制在0. 02mm/模次以下，拉拔速度控制在0. 3m/s以下，制備出直徑0. 8mm的焊接絲材，進(jìn)行盤繞成卷包裝。實(shí)施例3 制備直徑1. 2mm錫-鉍焊接絲材將經(jīng)精煉制備的成分為Sn-70Bi (wt. % )的錫-鉍合金鑄錠，按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具的要求，加工成直徑40mm、高度60mm的擠壓坯錠，并用馬弗爐在85°C進(jìn)行加熱保溫， 然后置入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)，將恒溫循環(huán)水溫度控制在85°C，并對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將加熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等徑轉(zhuǎn)角擠壓，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在eOmin/道次，壓力控制在250MPa 300MPa，擠壓道次為3次。 用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，壓力控制在ISOMPa 200MPa，擠壓出直徑為3. Omm的拉拔坯料。采用水冷控溫拉絲機(jī)對(duì)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 10(TC，拉拔過模量控制在 0. Olmm/模次以下，拉拔速度控制在0. lm/s以下，制備出直徑1. 2mm的焊接絲材，進(jìn)行盤繞成卷包裝。 實(shí)施例4 制備直徑1. Omm錫-鉍-銅焊接絲材 將經(jīng)精煉制備的成分為Sn-17Bi_0. 5Cu (wt. % )的錫-鉍-銀合金鑄錠，按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具的要求，加工成直徑50mm、高度50mm的擠壓坯錠，并用馬弗爐在75°C進(jìn)行加熱保溫，然后置入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)，將恒溫循環(huán)水溫度控制在75°C，并對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將加熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等徑轉(zhuǎn)角擠壓，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在40min/道次，壓力控制在200MPa 250MPa，擠壓道次為2次。用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，壓力控制在150MPa 180MPa，擠壓出直徑為2. 5mm的拉拔坯料。采用水冷控溫拉絲機(jī)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 100°C，拉拔過模量控制在0. 03mm/模次以下，拉拔速度控制在0. 3m/s以下，制備出直徑1. Omm的焊接絲材，進(jìn)行盤繞成卷包裝。實(shí)施例5 制備直徑1. Omm錫-鉍-銀焊接絲材將經(jīng)精煉制備的成分為Sn-35Bi-lAg(wt. % )的錫-鉍-銀合金鑄錠，按照等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具的要求，加工成直徑50mm、高度50mm的擠壓坯錠，并用馬弗爐在85°C進(jìn)行加熱保溫，然后置入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)，將恒溫循環(huán)水溫度控制在85°C，并對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將加熱保溫后的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯料放入等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具內(nèi)進(jìn)行等徑轉(zhuǎn)角擠壓，等徑轉(zhuǎn)角擠壓速度控制在40min/道次，壓力控制在200MPa 250MPa，擠壓道次為2次。用擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，壓力控制在150MPa 180MPa，擠壓出直徑為2. 5mm的拉拔坯料。采用水冷控溫拉絲機(jī)進(jìn)行等溫拉拔加工，拉拔溫度控制在60°C 100°C，拉拔過模量控制在0. 02mm/模次以下，拉拔速度控制在0. 3m/s以下，制備出直徑1. Omm的焊接絲材，進(jìn)行盤繞成卷包裝。
權(quán)利要求
1.一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于先將錫鉍合金鑄錠制備成等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠，并進(jìn)行預(yù)熱和保溫；利用可控溫度循環(huán)水裝置對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行預(yù)熱，然后將上述的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠采用等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行等溫?cái)D壓， 制備擠壓坯料，擠壓過程中應(yīng)利用該循環(huán)水裝置進(jìn)行擠壓過程溫度控制；經(jīng)擠壓成形后制成拉拔成形要求的拉拔坯料，如棒材或線材，再采用水冷控溫拉絲機(jī)進(jìn)行等溫拉拔加工，制備出錫鉍焊接絲材，然后進(jìn)行盤繞包裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法， 其特征在于等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠的尺寸需與等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具尺寸相匹配，高徑比控制在 3 1以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1或2所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于對(duì)等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠進(jìn)行預(yù)熱和保溫時(shí)，將預(yù)熱保溫溫度控制在60°C 100°C之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于將可控溫度循環(huán)水裝置的水溫控制在60°C 100°C之間，即將等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具與等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠始終維持在該溫度范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于等徑轉(zhuǎn)角擠壓時(shí)壓力控制在200MPa 300MPa，擠壓速度控制在60min/道次以下，至少進(jìn)行一次以上等徑轉(zhuǎn)角擠壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求書5所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于擠壓坯料在擠壓時(shí)壓力控制在120MPa 200MPa，擠壓比控制在35 1以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于對(duì)拉拔坯料進(jìn)行拉拔時(shí)水溫控制在60°C 100°C，拉拔時(shí)過模量控制在0. 04mm/ 模次以下，拉拔速度控制在0. 5m/s以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法，其特征在于可將脆性錫鉍系合金制成直徑為1. 5mm以下各種規(guī)格的高強(qiáng)度、高塑性焊接絲材。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用脆性錫鉍系合金制備高塑性焊接絲材的方法。其特征在于先將錫鉍合金鑄錠制備成等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠，并進(jìn)行預(yù)熱和保溫；然后將上述的等徑轉(zhuǎn)角擠壓坯錠采用等徑轉(zhuǎn)角擠壓模具進(jìn)行等溫?cái)D壓，制備擠壓坯料，經(jīng)擠壓成形后制成拉拔成形要求的拉拔坯料，再采用水冷控溫拉絲機(jī)進(jìn)行等溫拉拔加工，制備出錫鉍焊接絲材，然后進(jìn)行盤繞包裝。該方法可將難變形加工的高脆性錫鉍系合金制備成高強(qiáng)度、高塑性、直徑1.5mm以下各種規(guī)格的連續(xù)絲材，所制備的絲材晶粒細(xì)小、成分組織更加均勻，焊接性能更優(yōu)，可滿足各種包裝要求和焊接封裝要求，工藝流程簡單，可操行性強(qiáng)，是一種理想的制備錫鉍系合金焊接絲材的方法。
文檔編號(hào)B21C23/08GK102528336SQ20111041487
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者劉祖銘, 楊倡進(jìn), 潘洪亮, 顧小龍, 龍鄭易 申請(qǐng)人:浙江亞通焊材有限公司