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40Sn-(60-x)Bi-xSi合金的组织和性能研究

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 35次


温立哲,黄元盛

(江门职业技术学院材料技术系, 广东江门529090,中国

 

摘要:通过球磨和烧结法制备了含硅0.2%~1.6%40Sn-(60-x)Bi-xSi合金。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度计和差热分析仪对合金的组织和性能进行了分析。结果显示,合金由四方晶α相和斜方六面体β相组成。随着硅含量的增加,合金的熔点先下降,后增加。当硅含量为0.4%时,合金的熔点最低为134.53 ℃硅含量在0~1.0%时,合金硬度逐渐升高。硅含量再增加,硬度逐渐减小。

关键词:合金;机械合金,烧结,熔点

 

Study on the microstructure and property of 40Sn-(60-x)Bi-xSi alloys

Li-Zhe Wen, Yuan-Sheng Huang

Department of Materials Technology, Jiangmen Polytechnic, Jiangmen 529000, Guangdong, China

 

AbstractA series of 40Sn-(60-x)Bi-xSi alloys with Si concentration ranging from 0.2 to 1.6 wt.% had been fabricated by mechanical alloying and sintering. The phase structure was characterized by X-ray diffractometer and scanning electron microscope. The melting point temperature and hardness of the alloys had been measured. The alloys were composed of the tetragonal α phase and the rhombohedral β phase. With increasing silicon concentration, the melting point of the alloys lowers first, and improves later. When the silicon concentration is 0.4%, melting point reaches the lowest , 134.53 ℃. The alloy hardness gradually increases with the silicon concentration increase from 0% to 1%. When silicon is more than 1%, the hardness value lowers.

Key wordsalloysmechanical alloying, sintering, melting point

 

1 前言

   低熔点合金一般是由锡、铋、铅、铟、锌等组成,他们的熔点不超过310 ℃。低熔点合金常用于保险丝、焊料、模具等。低熔点合金用于制作模具,主要是因为这种模具可以重复使用,易于成型,成本低,特别适合于品种多,批量少的产品的模具制作[1,2]。为了提高低熔点合金的性能,常常通过添加其他元素制造新合金,如Sn-3.5Ag-2In [3], Sn-3.5Ag-2Bi [3], and Sn-Bi-Cu [4]Shalaby [3]添加In, Bi Zn 到 Sn-3.5Ag合金中,发现会形成ɛ-Ag3SnIn0.2Sn0.8 AgZn金属间化合物。此外,In, Bi  Zn会细化低熔点合金的晶粒,增加硬度。为了提高环保性,近年锡铋合金获得了大量研究和应用[5-7]低熔点合金因为熔点低,一般添加的元素熔点也不能太高,否则很难混合熔炼。为了探讨硅的添加对锡铋合金的影响,本文采用球磨法,把较高熔点的硅(熔点1410 ℃与锡、铋混合形成合

 

金粉末,再熔解冷却成块状金属,结果显示出少量硅的添加可降低合金的熔点,并可以提高其硬度。

 

2 实验方法

40Sn-(60-x)Bi-xSi合金通过机械合金法和烧结而成。金属粉的混合放在球磨机(南京科析实验仪器研究所XQM-4L型实验室用行星式高能球磨机)进行球磨混合,转速100/分,时间1~24h。采用硬质合金罐和磨球,在氩气氛真空手套箱内装粉和密封,球粉比例为101球磨制得的合金粉在真空炉进行烧结,温度150 ℃时间5分钟。形貌分析采用SNE3000NB型扫描电子显微镜和JEOL-6380A型扫描电子显微镜(带EDS功能)下进。使用TD-3000X射线衍射仪(XRD)对涂层相结构进行分析。硬度分析使用HV-1000型显微硬度计,使用2N载荷,每个试样连续测量5次,取平均值。熔点分析采用DSC-60plus型差热分析仪进行。

 

3 结果和讨论

3.1 XRD 分析

40Sn-(60-x)Bi-xSi合金粉末和块状合金的XRD分析结果如图1所示。可见,无论是粉末还是块状合金均由四方晶α相和斜方六面体β相组成。α相的晶格常数abc分别为4.547, 4.547 11.862Aβ相的晶格常数为5.831, 5.831 and 3.182A。α相的结构与锡的相似,而β相则与铋的结构相似。烧结前后,合金的相组成相同,说明机械合金化制得的40Sn-(60-x)Bi-xSi合金粉末具有稳定的相组成。合金的平均晶粒尺寸在100~200 nm

从图中也可见,随着硅的添加,合金粉的XRD衍射峰会向右偏移。这是由于所有合金粉末是在球磨非平衡状态下形成的相,α相和β相属于过饱固溶体,存在晶格变形。当合金进行烧结后,应力释放和晶格畸变减小,XRD衍射峰偏移减少。

 

1 40Sn-(60-x)Bi-xSi合金的XRD图谱,(a) 合金粉,(b) 烧结合金

Figure 1 X-ray diffraction patterns of 40Sn-(60-x)Bi-xSi alloys, (a) alloy powders, and (b) sintered alloys

3.2 SEM 分析

使用扫描电子显微镜对块体合金进行了分析,结果如图2所示。图2中分析使用的扫描电镜属于背散射电子,图像的特点是含有较多大原子量元素的区域信号会较强,显示较亮。由于铋的原子量大于锡的,所以含铋多的区域较白亮。很明显,白亮区为β相,而较暗的区为α相。由图可见,大部分晶粒大约为1μm

SEM照片中的黑点为气孔,很明显,虽然在真空中烧结,但合金里面仍然存在气体,在烧结时释出的气体形成了气孔。硅的添加会提高合金的铸造性能[8],但是硅的添加也导致了锡铋合金的共晶成分偏离原来的成分点。这会降低液相合金流动性。

使用JEOL-6380A型扫描电子显微镜自带的EDS分析了合金的成分,结果如图4所示。由图中可见,硅均匀分布于整个合金,而锡和铋明显不是均匀分布。有些区域的锡多些,另一些区域铋多些。这与α相和β相晶粒相对应。这也表明,所有硅已经溶解在α相和β相中,未以单独相的形式析出。

 

 

2 40Sn-(60-x)Bi-xSi合金的SEM形貌

Figure 2 SEM morphologies of 40Sn-(60-x)Bi-xSi alloys

 

 

3  40Sn-58.6Bi-1.4Si合金的EDS分布图

Figure 3 EDS mapping images of 40Sn-58.6Bi-1.4Si alloy

 

3.4 合金熔点分析

使用DSC测量了合金的熔点,结果如图4所示。由图中可见,当硅含量由0增加到0.4%时,合金的熔点逐渐降低;当硅浓度进一步升高,熔点又逐渐升高。硅含为0.4%时,合金熔点达到最小值134.53 ℃很明显,合金中加入少量的硅,有利于降低合金的熔点。

 

4 40Sn-(60-x)Bi-xSi合金的熔点

Figure 4 Melting point temperatures of 40Sn-(60-x)Bi-xSi alloys

3.4 硬度分析

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