基本信息
- 项目名称：
- 高塑性Sn-Bi温度保险丝
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 现如今无铅化环保已成为电子工业的主流趋势与共识。温度保险丝在各类电器中应用广泛，国标规定家用电器必须使用热熔断器（温度保险丝）。但国内生产温度保险丝的工厂现均未掌握环保型低熔点合金的研制技术，无铅原材料或保险丝多依赖进口。 我们的作品为环保温度保险丝国产化提供一个优质的解决方案。
- 详细介绍：
- 项目简介：锡铋系合金是很有潜力满足温度保险丝和低温钎料使用要求的无铅合金，但Sn-Bi合金的高脆性，难以达到保险丝的塑性要求，不能满足在电子等行业的使用要求。 为了解决这一问题，本课题组采用半固态铸造法制备成分均匀、晶粒细小非枝晶Sn-Bi合金，并挤压制备出力学性能优异的温度保险丝。初步解决使用传统加工法生产的Sn-Bi合金热熔断体塑性差，稍一弯曲就断裂，达到保险丝的塑性要求。半固态铸造挤压制备的温度保险丝的力学性能弹性模量、抗拉强度和延伸率与普通铸造挤压的相比，分别提高了14％、23％和57％，与同类进口产品相比，价格下降20%，为环保温度保险丝国产化提供一个优质的解决方案。 研究成果：1. 项目经具教育部查新权的广东工业大学图书馆查新表明国内外尚无相关的的研究报道。 2.《The Influence of stirring time on mechanical properties of Sn–58Bi Alloy treated in the semi-solid state by mechanical stirring process》和《The mechanical properties of Sn–58Bi Alloy treated in the semi-solid state by mechanical stirring process》论文已被《Key Engineering Materials》EI期刊录用。 3.在广东工业大学第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛中获特等奖。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、发明目的 信息产业部、国家发改委、国家环保局推出的"电子信息产品污染防治管理方法"将与欧盟的RoHS/WEEE接轨。就广东省来说，珠江三角洲的家电行业多，出口到欧美数量相当巨大，出口份额占全国第一位，热熔断器作为配套元件其环保要求十分迫切。对于这迫在眉睫的形式，广东省内电子产品制造业正在仓促应对，目前环保型电子焊料的开发工作已有初步进展，但是热熔断器生产厂家还没有掌握环保产品的生产技术，因而产品从普通型向环保型的过渡成了许多厂家面临的难题。“无铅温度保险丝的研制”课题的研究正是当前迫切的出口形势之所急，所以发展具有自主知识产权的环保技术，进行环保温度保险丝的研制已刻不容缓。 2、基本思路： 本作品将对锡铋合金的制备进行创新探索，提出采用半固态合金成型技术，在Sn-Bi合金凝固的过程中对其进行强烈搅拌，使树枝状初晶破碎成等轴颗粒状分布于液相，维持凝固过程中温度和成分的均匀性，从而制备出成分均匀、晶粒细小、满足性能要求的非枝晶组织的锡铋合金的新思路。 3、创新点： 使用半固态铸造法制备成分均匀、晶粒细小非枝晶组织Sn-Bi合金，并挤压制备出力学性能优异的温度保险丝。 4、技术关键和主要技术指标 搅拌速度为320转/min、搅拌时间为8min、搅拌温度142℃时半固态铸造制备的温度保险丝的力学性能弹性模量、抗拉强度和延伸率与普通铸造相比，分别提高了14％、23％和57％。
科学性、先进性
- 目前无铅环保热熔断体的生产工艺沿用含铅热熔断体的工艺，即把合金熔融铸锭后通过硬质合金模挤压成形。这种工艺适宜于含有铅和镉的合金，因为铅和镉都有很好的韧性和延展性。低熔点合金就只剩下了锡、铋、碲、铟、锌。由于锌熔点较高，而碲、铟由于价格昂贵，要尽可能少用。铋是一种类金属，在传统的熔融铸锭下，由于凝固速度慢，铋形成具有生长方向性的粗大组织。它本身固有的脆性，使得铋相在锡基体相上或锡－铟基体相上易偏析形成片状晶体结构，这常常是裂纹的起源。使用传统加工法生产的Sn-Bi合金热熔断体塑性差，难以达到保险丝的塑性要求。Sn-Bi合金的高脆性也是Sn-Bi系低温焊料应用受到限制。 据不完全统计：单低压热熔断体的年销售总额大约在6～8亿元人民币。此外，目前电子产品正向小型化及高可靠性发展，这就要求新开发的无铅合金应具有良好的工艺性能和更高的力学性能，确保其在服役过程中可靠的运行。开发力学性能优异、晶粒细小、成分均匀、满足电子产品的使用要求的Sn-Bi合金制备技术和工艺及理论具有着重要的意义。
获奖情况及鉴定结果
- 1、论文题目为《The Influence of stirring time on mechanical properties of Sn–58Bi Alloy treated in the semi-solid state by mechanical stirring process”》（《在机械搅拌成型中搅拌时间对Sn-58Bi合金半固态浆料的机械性能的影响》）和《The mechanical properties of Sn–58Bi Alloy treated in the semi-solid state by mechanical stirring process》（《通过机械搅拌成型的Sn-58Bi半固态合金的机械性能》）已被 2011 International Conference on Materials Engineering for Advanced Technologies（2011年国际先进技术材料工程会议）（Singapore, Singapore, May5~6, 2011）录用，会后论文将在《Key Engineering Materials》（《关键工程材料》）EI期刊发表。 2、在广东工业大学第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛中获特等奖。 3、研究内容经具有教育部查新权的广东工业大学图书馆查新后表明目前无其他团队对进行了相关的的研究。
作品所处阶段
- B中试阶段
技术转让方式
- 通过技术转让的方式与工厂合作。
作品可展示的形式
- 实物、产品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 采用半固态铸造法制备成分均匀、晶粒细小非枝晶组织Sn-Bi合金，并挤压制备出力学性能优异的温度保险丝。初步解决使用传统加工法生产的Sn-Bi合金热熔断体塑性差，稍一弯曲就断裂，难以达到保险丝的塑性要求。半固态铸造制备的温度保险丝的力学性能弹性模量、抗拉强度和延伸率与普通铸造相比，分别提高了14％、23％和57％。 单低压热熔断体的年销售总额大约在6～8亿元人民币，其涉及的电子产品总额高达数百亿之巨。可预测该技术若推广将产生巨大的经济效应。
同类课题研究水平概述
- 黄继华等研究小组研究发现通过在Sn-Bi合金中添加少量的铝可提高了合金钎料的拉伸强度；在100℃恒温时效试验中，Al能有效抑制Bi相的粗化。李元山等学者在锡铋系焊料中加入微量元素，通过快速冷却制成新的焊料，并发现添加微量元素具有抑制秘的偏析和形成粗大片状晶体的作用，并能提高锡秘焊料的固溶度，固溶强化使其剪切度接近锡铅共晶焊料。祖方遒研究小组发现Sn-70Bi合金通过熔体转变提高Sn-70Bi合金了熔体的凝固过冷度和形核率，减少了临界形核半径和核长大速度，从而使初生相和共晶组织得到明显细化。 上述研究中基本上都是通过添加变质剂、增大过冷度或利用熔体转变的方法来细化晶粒从而提高金属性能，其主要目的是改善Sn-Bi钎料的强度，对合金的成分均匀性、塑性及熔断性能是否有改善或达到熔断器的使用要求尚未展开研究。 国外学者在热型连铸工艺制得环保温度保险丝方面进行了许多研究，制取了直径2mm的丝，进行了结构和性能的探讨，认为热型连铸工艺制得的丝具有相当好的塑性。热型连铸的快速凝固细化了晶粒。但热型连铸法的生产率低,对操作技术要求颇高，合金质量的稳定性不易保证。锻造可以破碎晶粒，但这种方法须在合金熔融铸锭后进行，增加了加工的工序；另外由于锡、铋的硬度差别大，锻造时铸锭中的空隙不容易被填充上，因而效果不好。 20世纪70年代初，美国麻省理工大学的Flemings教授等提出了半固态铸造技术。它是在金属凝固过程中对其进行强烈搅拌强烈的，搅拌作用得到细小的颗粒，结构也逐渐向蔷薇形、球形演化；同时搅拌改变结晶凝固过程。强烈的搅拌使熔体整体上温度和成分相对均匀，实现晶粒在各个方向上均匀长大，形成圆滑的形状规则的非枝晶组织。处于固、液两相温度区间的金属仅需相当低的剪切应力即可进行搅拌，即使当固相分数较高时，所需的剪切应力通常也比同种液态金属的剪切应力低三个数量级左右。目前,铝合金、镁合金的半固态金属及其复合材料加工技术、成形过程的计算机模拟等基础理论研究方面开展了卓有成效的工作。 国外，半固态铸造法主要用于研究汽车工业的铝和镁的合金零件上；国内外未见有用半固态铸造法生产环保温度保险丝报道。申请人首次将半固态铸造工艺应用于环保温度保险丝合金的制备中。该高塑性环保温度保险丝的研制成功，对亟待解决的环保温度保险丝问题提供了一个优质的解决方案，有望获得巨大的经济效益。
