一种改性SnBi系亚共晶合金的方法及得到的合金技术

本发明专利技术涉及一种利用拓扑短程有序结构改性SnBi系亚共晶合金的方法，属于材料改性技术领域。该方法可以通过温度要素诱导和成分要素诱导实现拓扑短程有序结构的转变。本发明专利技术方法抑制了初生β‑Sn的析出，大幅增加共晶组织的比例，实现了合金凝固过程中亚共晶组织向伪共晶组织的转变。该方法对合金晶粒的细化程度超过了传统利用微合金添加改性方法的几个量级。保证了合金具有更加优异的综合性能。同时，利用这一结构转变的不可逆性实现了对组织遗传性的有益利用。

【技术实现步骤摘要】
一种改性SnBi系亚共晶合金的方法及得到的合金
本专利技术属于材料改性
，具体涉及一种对SnBi系亚共晶合金进行改性的方法。
技术介绍
Sn-Bi系合金作为一种典型的二元低熔点共晶型合金，其共晶温度为139℃，由于其共晶温度较低，材料成本低，因而Sn-Bi系合金及其为基的系列合金广泛的应用于软钎焊钎料及低熔点合金模具等制造领域。但由于合金中Bi为半金属元素，晶格结构为菱方结构，属于典型的脆性材料，在外力作用下，Sn-Bi系合金常常会出现开裂失效。通常情况下，为了降低Bi脆对SnBi系合金的影响，会选择Bi含量较低的Sn-Bi系合金，降低Bi含量能够起到改善脆性的作用。因而，SnBi系亚共晶合金目前广泛被应用。SnBi系亚共晶合金凝固后微观组织一般均为：初生β-Sn相+Sn-Bi共晶相。初生β-Sn相一般在凝固过程中较高的温度开始析出并长大，大尺寸的初生相不利于合金微观组织的均匀一致性，容易出现合金的微观组织偏析导致的使用寿命低。另一方面，作为软钎料使用的Sn-Bi系亚共晶合金，由于初生β-Sn相的存在，还会引起钎料在熔化过程中体现出熔程大的问题。合金液相线温度较低，为Sn-Bi共晶相形成的温度；完全熔化所需要的温度高，即初生β-Sn相反应的温度。较大的熔程现象，不利于钎焊的焊接可靠性。通过在Sn-Bi系亚共晶合金中添加微量元素的改性方式，在一定程度上可以起到固溶强化初生β-Sn相、细化初生β-Sn相的作用，但其本质上细化后的初生β-Sn相尺寸相比Sn-Bi共晶相而言，仍然属于粗大相，无法从本质上解决初生β-Sn相带来的不利影响。如在专利文献中，如公开号DE10003665A1，申请号CN201510724851.5，申请号CN201480044803.5，公开号WO2015/019966A1，公开号US2003/0230361A1，公开号US6156132A，申请号CN200610089257.4，申请号CN200710121380.4，申请号CN201610657055.9等，均采用在Sn-Bi系亚共晶合金的基础上添加其它多种微量元素的方案，以实现强化合金、细化合金组织的效果，其中最本质的都意在通过添加微合金固溶于初生β-Sn相，强化、细化初生β-Sn相。在解决焊料应用问题上有一定的作用，但其均未达到抑制初生β-Sn相析出，增加Sn-Bi共晶相比例的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种利用拓扑短程有序结构改性SnBi系亚共晶合金的方法，该方法利用温度要素、成分要素的作用在微观原子结构尺度上诱导SnBi系亚共晶合金微观组织发生不可逆性转变，实现了抑制SnBi系亚共晶合金微观组织中初生β-Sn相的析出，形成伪共晶反应组织结构。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种利用拓扑短程有序结构改性SnBi系亚共晶合金的方法，该方法包括：根据SnBi系亚共晶合金成分选择原料，将原料混合进行熔炼，得到合金熔体；在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构，将合金成分与拓扑短程有序结构混合均匀，降温得到改性SnBi系亚共晶合金。由于SnBi亚共晶合金在凝固过程中，在高于液相线附件的温度范围内，微观结构中存在着残留的共价特性的四面体短程有序结构，该结构会作为形核质点促进初生β-Sn的形核、长大，且其结构在后续多次的熔化-凝固过程中，面体短程有序结构的打破和重建具有可逆性转变特性。熔体中存在残留的共价特性的四面体短程有序结构，凝固过程中减小了形核所需的激活能，导致合金在较小的过冷度下就可以实现形核及晶粒长大，当四面体短程有序结构的大原子团簇尺寸达到临界形核半径时，就可以直接作为形核核心质点促进形核，面体短程有序结构的小原子团簇结构与先析出化合物相似，这种共格关系使得它们之间的界面能较小，从而只需要较小的能量起伏条件就可以满足晶核的生长条件。因而，初生β-Sn相可以容易形核并快速长大。具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构，指的是在略高于合金液相线温度范围内不会再被破坏，具有不可逆性的结构，例如为具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构原子团簇。通过在合金熔体中引入该拓扑短程有序结构原子团簇，消除了初生β-Sn形核的质点，使其需要在更大的过冷度下才能形核，促使合金形核率大幅增加，细化合金组织，抑制了初生β-Sn的析出，大幅增加共晶组织的比例，实现了SnBi凝固过程中亚共晶组织向伪共晶组织的转变。保证了合金具有更加优异的综合性能。进一步，在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构包括，将合金熔体升温至拓扑短程有序结构转变温度并保温。进一步，所述的拓扑短程有序结构转变温度为950-1100℃。本专利技术一方面通过温度要素诱导实现拓扑短程有序结构的转变，通过高于SnBi亚共晶合金液相线6-8倍的高温熔化方法，打破了液体合金中残存的共价特性的四面体短程有序结构，保证原子克服共价键的束缚，使其微观原子团簇更加均一、无序，转变为亚稳态的“Sn-Bi”原子团簇，该原子团簇为拓扑短程有序结构，团簇达到小至几个纳米的尺寸，且该类拓扑短程有序结构形成后，在后续略高于合金液相线温度范围内不会再被破坏，具有不可逆性，实现了组织基因的遗传性。进一步，所述方法包括，选取SnBi系亚共晶合金，根据合金成分选择原料并分别将各原料按照配比量混合进行熔炼，将原料加热至400-420℃熔炼15-25min得到合金熔体，而后将合金熔体升温至拓扑短程有序结构转变温度，保温20～30min，同时加以搅拌以使合金成分均匀，然后降温至400-420℃保温20-30min，制备得到改性SnBi系亚共晶合金。进一步，在熔炼时原料加表面覆盖剂，所述的表面覆盖剂为硼砂或硼酸。进一步，在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构包括，将SnBi系亚共晶合金与自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金混合并熔融。进一步，所述自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金，通过根据自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金的成分选择原料，并加热至拓扑短程有序结构转变温度得到。进一步，所述的拓扑短程有序结构转变温度为1000-1200℃。进一步，所述自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金包括Sn-Zn、Sn-Ga、Bi-Sb、Sn-Cu、Sn-Ag合金中的一种或两种以上的组合。进一步，自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金中：Sn-Zn合金中Zn的重量百分比优为：Zn5-30％；Sn-Ga合金中Ga的重量百分比优选为：Ga1-10％；Bi-Sb合金中Sb的重量百分比优选为：Sb5-25％；Sn-Cu合金中Cu的重量百分比优选为：Cu0.2-5％；Sn-Ag合金中Ag的重量百分比优选为：Ag1.5-10％。本专利技术另一方面通过成分要素诱导实现拓扑短程有序结构的转变，Sn-Zn、Sn-Ga、Bi-Sb、Sn-Cu、Sn-Ag等液态合金微观组织中不存在具有可逆性转变的共价特性的四面体短程有序结构，其微观结构中存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构原子团簇。利用该类合金组合交互作用，可减弱或消除SnBi亚共晶合金中残存的共价特性的四面体短程有序结构，诱导SnBi亚共晶合金实现具有不可逆转变特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用拓扑短程有序结构改性SnBi系亚共晶合金的方法，其特征在于，该方法包括：根据SnBi系亚共晶合金成分选择原料，将原料混合进行熔炼，得到合金熔体；在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构，将合金成分与拓扑短程有序结构混合均匀，降温得到改性SnBi系亚共晶合金。

【技术特征摘要】
1.一种利用拓扑短程有序结构改性SnBi系亚共晶合金的方法，其特征在于，该方法包括：根据SnBi系亚共晶合金成分选择原料，将原料混合进行熔炼，得到合金熔体；在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构，将合金成分与拓扑短程有序结构混合均匀，降温得到改性SnBi系亚共晶合金。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构包括，将合金熔体升温至拓扑短程有序结构转变温度并保温。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的拓扑短程有序结构转变温度为950-1100℃。4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：选取SnBi系亚共晶合金，根据合金成分选择原料并分别将各原料按照配比量混合进行熔炼，将原料加热至400-420℃熔炼15-25min得到合金熔体，而后将合金熔体升温至拓扑短程有序结构转变温度，保温20～30min，同时加以搅拌以使合金成分均匀，然后降温至400-420℃保温20～30min，制备得到改性SnBi系亚共晶合金。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在合金熔体中引入具有不可逆转变特性的拓扑短程有序结构包括，将SnBi系亚共晶合金与自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金混合并熔融。6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：所述自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金，通过根据自身存在着具有不可逆转变特性的拓扑短程结构的合金的成分选择原...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少明，贺会军，刘希学，朱捷，王志刚，赵朝辉，张富文，安宁，温余苗，卢彩涛，徐蕾，林刚，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11