半固态Sn-52Bi合金挤压制备小直径丝材工艺与性能研究

发布时间：2017-03-27 03:07

  本文关键词：半固态Sn-52Bi合金挤压制备小直径丝材工艺与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Sn-Bi合金是一种熔点在139℃至232℃区间,最为接近传统Sn-Pb合金融化温度的环境友好型低熔点合金。该合金以低熔点、良好湿润性及丰富矿产资源等特性而被广泛应用于低温钎焊材料、温度敏感元件、熔断器和防雷元件用材,但由于合金中Bi组织的硬脆性缺陷而在生产和应用中受到限制,尤其是作为熔断器等小直径丝材型电子元器件时,小直径丝材制备过程中容易折断,成品率低。针对Sn-Bi小直径丝材塑性差导致在生产和应用受限的现状,本文提出采用半固态搅拌铸造技术和多孔挤压技术制备加工出塑性良好的小直径Sn-52Bi合金丝材的思路。采用DEFORM有限元分析软件模拟和试验对半固态Sn-52Bi合金棒材挤压制备小直径丝材工艺进行了研究：实验通过金相显微镜、万能力学试验机、扫描电镜、电化学工作站等测试设备探索半固态Sn-52Bi合金在挤压成形后组织与性能的演变和机理,以期为高性能无铅Sn-Bi合金的制备、加工和在电子行业的应用提供实验和理论的参考。试验结果表明：Sn-52Bi合金由初生相p-Sn和共晶组织构成,在半固态区域,对S n-52Bi合金浆料采用机械搅拌与超声波搅拌后,初生相β-Sn均由树枝状向近球状或球状转变,合金塑性得到提高。在140℃超声波搅拌2min工艺下制备的半固态合金伸长率为42.75%,与180℃熔融状态水冷(下简称普通水冷)工艺制备合金的塑性相比,提高了137.1%。半固态棒材合金拉伸测试后,对其断口形貌分析可知,拉伸断裂类型属于塑性断裂,且断面形貌由韧窝和小块状解理平台相互参杂而成。棒材耐腐蚀性分析发现合金经半固态搅拌后耐腐蚀性能得到提高,其中145℃超声波2min棒材合金自腐蚀电流密度为17.7231μA·cm-2,相比于普通水冷工艺制备合金的自腐蚀电流密度降低了74.1%。DEFORM有限元软件对半固态Sn-52Bi合金挤压模具优化分析后将模角参数定为30。,定径带参数定为5mm,模孔距离定为1.5mm,模具的材料强度应大于1000MPa。模具加工制备后对丝材挤压过程分析,当合金棒材塑性较差时,丝材挤压制备所需要的挤压力增加,挤压所得最大挤压力处于30-40kN范围,与模拟基本吻合；Sn-52Bi合金棒材在挤压过程中所受应力相近,最大等效应力约为270MPa,分布较均匀,合金靠近模具倒角边缘的应变略大于中心部位处。挤压后的Sn-52Bi合金丝材组织和性能结果表明,对于普通水冷铸造的Sn-52Bi合金棒材由于网状结构,Bi相在挤压过程并不能完全折断,心部仍以网状相连；半固态Sn-Bi合金棒材Bi相在挤压过程折断为离散蠕虫状,组织分布均匀,挤压应力应变分布存在的差异对丝材组织均匀性影响不明显。丝材合金耐腐蚀性能分析表明,半固态搅拌所对应试样耐腐蚀性能得到提高,丝材耐腐蚀性较棒材差但腐蚀规律与棒材相同,且仍以145℃超声波2min工艺所对应试样最好,其自腐蚀电流密度为28.7734μA·cm2；经挤压后丝材延伸率整体得到大幅度提高,丝材延伸率相比于棒材均提高了300%以上。丝材断裂形貌与棒材也基本相同,但Bi相解理平台更为细小。
【关键词】：Sn-52Bi合金 半固态搅拌 多孔挤压 有限元模拟 组织演变
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG249.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 Sn-Bi合金简介15-16
• 1.3 半固态金属成型技术简介16-20
• 1.3.1 半固态金属成型概念及发现16
• 1.3.2 半固态金属成型分类介绍16-20
• 1.3.3 半固态成型技术特点20
• 1.4 丝材挤压工艺及模具设计20-23
• 1.4.1 丝材制备方法20-21
• 1.4.2 丝材挤压工艺简介21-22
• 1.4.3 挤压模具设计原则和步骤22-23
• 1.5 有限元数值模拟23-24
• 1.5.1 有限元技术的应用23-24
• 1.5.2 DERORM有限元数值模拟的研究现状24
• 1.6 本文特色及研究内容24-26
• 1.6.1 实验主要研究内容24-25
• 1.6.2 本文创新点及特色25-26
• 第二章 实验内容26-41
• 2.1 实验药品及主要设备26-27
• 2.2 半固态合金棒材制备27-31
• 2.2.1 半固态合金棒材制备材料及设备27-29
• 2.2.2 半固态合金棒材制备过程与结果29-31
• 2.3 挤压模具设计31-33
• 2.3.1 挤压比计算31-32
• 2.3.2 模具整体结构参数确定32-33
• 2.4 挤压过程的模拟分析33-39
• 2.4.1 建模与材料性能测试和采集34-36
• 2.4.2 模拟前处理36-38
• 2.4.3 模拟后处理分析38-39
• 2.5 棒材与丝材性能测试39-40
• 2.5.1 显微组织观察39
• 2.5.2 拉伸性能测试39
• 2.5.3 XRD衍射分析39-40
• 2.5.4 电化学腐蚀测试40
• 2.5.5 断裂形貌分析40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 半固态Sn-52Bi合金制备及组织性能研究41-59
• 3.1 实验样品制备与测试41-42
• 3.2 冷却工艺对Sn-52Bi合金组织性能的影响42-46
• 3.2.1 实验方案42-43
• 3.2.2 冷却工艺对Sn-52Bi合金组织影响43-45
• 3.2.3 冷却工艺对Sn-52Bi合金塑性影响45-46
• 3.3 半固态机械搅拌对Sn-52Bi合金组织性能影响46-52
• 3.3.1 半固态机械搅拌方案46
• 3.3.2 机械搅拌时间对合金组织塑性影响46-50
• 3.3.3 机械搅拌温度对合金组织塑性影响50-52
• 3.4 半固态超声波搅拌对Sn-52Bi合金组织性能影响52-56
• 3.4.1 实验方案52
• 3.4.2 超声波搅拌时间对合金组织塑性影响52-54
• 3.4.3 超声波搅拌温度对合金组织性能的影响54-56
• 3.5 Sn-52Bi合金断裂形貌分析56-57
• 3.6 X射线衍射分析57
• 3.7 本章小结57-59
• 第四章 挤压过程有限元模拟与丝材挤压制备59-75
• 4.1 塑性成型有限元基本原理59-63
• 4.1.1 塑性流动理论的基本假设59-60
• 4.1.2 有限元法的基本理论方程60-61
• 4.1.3 有限元变分法原理61-62
• 4.1.4 刚塑性有限元求解62-63
• 4.2 模具优化方案设计63-64
• 4.2.1 挤压模的影响因素63
• 4.2.2 模拟方案设计63-64
• 4.3 模拟结果分析64-71
• 4.3.1 模角对合金丝材影响64-66
• 4.3.2 定径带长度对合金丝材影响66-68
• 4.3.3 模孔距离对合金丝材影响68-70
• 4.3.4 模具受力分析70-71
• 4.4 丝材挤压制备71-73
• 4.4.1 实验方案71-72
• 4.4.2 挤压结果分析72
• 4.4.3 不同合金试样挤压力分析72-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第五章 丝材组织组织遗传性及性能研究75-91
• 5.1 半固态Sn-52Bi合金丝材组织遗传性75-79
• 5.1.1 实验方案75
• 5.1.2 Sn-52Bi合金丝材组织75-77
• 5.1.3 丝材组织遗传机理探究77-79
• 5.2 半固态Sn-52Bi合金腐蚀性能探究79-86
• 5.2.1 实验方案79-80
• 5.2.2 Sn-52Bi合金棒材腐蚀及机理研究80-84
• 5.2.3 Sn-52Bi合金丝材耐腐蚀性能84-86
• 5.3 Sn-52Bi丝材塑性分析86-88
• 5.4 Sn-52Bi丝材断裂形貌分析88-89
• 5.5 本章小结89-91
• 总结91-94
• 参考文献94-98
• 攻读硕士学位期间发表的论文98-100
• 致谢100

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