[发明专利]一种细化Sn‑Bi合金共晶组织的方法

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种细化Sn-Bi合金共晶组织的方法，属于金属材料制备技术领域。

二、背景技术

随着人们环保意识的加强，电子产业快速的发展以及相关法规的颁布，越来越多的人提倡使用绿色无污染的无铅化产品。现今最具有代表性的无铅焊料合金是以Sn为基体，添加其他元素合金化而成。四种代替Sn-Pb焊料的Sn-Bi系无铅焊料具有熔点低，焊接性好、接头强度高等优点。但Sn-Bi无铅钎料的塑韧性较差，大大的限制了它在电子封装行业的应用，特别是低温无铅焊领域。目前，细化Sn-Bi合金共晶组织的方法主要是采用连续挤压工艺致使合金发生再结晶，从而细化Sn-Bi合金的共晶组织。目前，该工艺已经相当成熟，并广泛应用到Sn-Bi系无铅焊料的制备过程。由于挤压前铸态组织和挤压后合金组织结构有极大的关联性，细小铸态组织经挤压后会获得更细小的组织，且Sn-Bi系无铅焊料均为近共晶成分，所以制备出具有细小铸态共晶组织的Sn-Bi合金成为目前的关键问题之一。此外，Sn-Bi系焊料在服役过程中极易粗化，导致焊接的可靠性显著下降，因此如何提高Sn-Bi合金的高温稳定性也是Sn-Bi系焊料能够得到广泛应用的关键问题之一。

目前，制备组织细小的Sn-Bi系铸态合金的方法主要有合金化法（Cu、Zn、Sb、Fe、Al等）、旋转磁场法、机械搅拌法、超声波振动法及机械和超声波复合搅拌法等。合金的成分是决定合金组织结构的内因，是决定组织结构的关键因素，且调整合金成分可以和其他方法联用，所以制备组织细小的Sn-Bi系铸态合金的关键在于优化Sn-Bi系合金的成分。

三、发明内容

由于Sn-Bi系焊料的组织结构主要为Sn-Bi共晶组织，所以细化Sn-Bi共晶组织和提高其抑制粗化的能力是提高Sn-Bi系焊料性能和扩宽其应用的主要思路和方法。本发明公开了一种细化Sn-Bi合金共晶组织的方法，特别涉及一种高效、低成本的制备方法，主要为连续挤压工艺提供组织结构较好的初始材料，改善最终制品的显微组织结构，提高最终制品的力学性能、物理性能等，为获得综合性能较好的优质焊料提供借鉴。本发明的特点是采用含稀土合金（Sn-La或Sn-La-Ce）作为变质剂和细化剂，除稀土的表面活化作用，促进合金凝固过程中的形核，对钎料合金起变质均匀化作用外，凝固过程中原位析出的化合物（LaBi₂，CeBi₂）可作为Bi相的异质形核核心，提高Bi相的形核率；而原位析出的稀土单相（La，Ce）可有效阻碍晶粒的长大，抑制了服役过程中晶粒的粗化，提高焊接头的时效服役强度，延长接头使用寿命；两种复合作用显著细化和匀化了Sn-Bi合金的共晶组织。

本发明制备Sn-Bi合金的方法，合金的原子百分比组成为：54.1~56.9 at.%锡，40.8~43.0 at.%铋，0~5.0at.%稀土（La或Ce）及不可避免的杂质。

本发明制备Sn-Bi铸态合金的步骤如下：

（1）将金属锡（Sn）及铋（Bi）完全熔化，并在200℃~400℃保温至少10min，确保熔体为均匀单一液相；

（2）加入稀土添加剂（Sn-La或Sn-La-Ce），在400℃~750℃保温至少20min，确保稀土元素的充分熔解和熔体中的元素均匀分布；

（3）将合金熔体浇注到模具中，制得Sn-Bi铸态合金。

本发明制备的Sn-Bi铸态合金组织结构特征及有益效果：

（1）凝固过程中La和Ce分别与Bi形成原位金属化合物LaBi₂相和CeBi₂相，且LaBi₂和CeBi₂作为Bi相的异质形核中心，显著细化了共晶组织中的Bi相，进而细化了合金中的共晶组织。随着稀土添加量的增大，Sn-Bi合金的共晶组织由粗大连续的层片状逐渐转变为细小不连续的层片状；

（2）凝固过程中，原位析出的稀土相（La或Ce）颗粒分布在晶界，有效阻碍晶粒的长大，抑制了服役过程中晶粒的粗化，提高焊接头的时效服役强度，延长接头使用寿命；

（3）与稀土元素（La，La-Ce混合稀土）相比，本发明所采用的稀土添加剂（Sn-La或Sn-La-Ce）合金具有较好的抗氧化性，避免了储存、运输、熔炼过程中的氧化浪费，缩短了合金熔炼均匀所需的时间，降低了合金的制备成本；

（4）混合稀土（Sn-La-Ce）具有比单一稀土（Sn-La）更好的细化效果。

四、附图说明