范文一:二组分合金相图
二组分合金相图
姓名:张腾 学号:2012011864 班级:化21
同组人姓名:田雨禾
实验日期:2014年10月9日 提交报告日期:2014年10月11日
指导教师:冯天成
1 引言
1.1 实验目的
(1)用热分析法(步冷曲线法)测绘 Bi-Sn 二组分金属相图。 (2)掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法。 (3)学会使用自动平衡记录仪。
1.2 实验原理
人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质组成为自变量,温度为应变量所得到的 T-x 图是常见的一种相图。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固-液相图多用于冶金、化工等部门。
较为简单的二组分金属相图主要有三种;一种是液相完全互溶,凝固后,固相也能完全互溶成固熔体的系统,最典型的为 Cu-Ni 系统;另一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统,最典型的是 Bi-Cd 系统;还有一种是液相完全互溶,而固相部分也互溶的系统,如 Pb-Sn 系统。本实验研究的 Bi-Sn 系统就是这一种。在低共熔温度下,Bi 在固相 Sn 中最大溶解度为 21%(质量百分数)。
热分析法(步冷曲线法) 是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时,潜热的释出或吸收及热容的突变,使得温度-时间关系图上出现平台或拐点,从而得到金属或合金的相转变温度。由热分析法制相图,先做步冷曲线,然后根据步冷曲线作图。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷却,通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线(步冷曲线)。
图 1 步冷曲线 图 2 步冷曲线与相图
以合金样品为例,当熔融的体系均匀冷却时(如图 1 所示),如果系统不发生相变,则系统温度随时间变化是均匀的,冷却速率较快(如图中 ab 线段);若冷却过程中发生了相变,由于在相变过程中伴随着放热效应,所以系统的温度随时间变化的速率发生改变,系统冷却速率减慢,步冷曲线上出现转折(如图中 b 点)。当熔液继续冷却到某一点时(如图中 c 点)
,此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前,系统温
1
度保持不变,因此步冷曲线出现水平线段(如图中 cd 线段);当熔液完全凝固后,温度才迅速下降(如图中 de 线段)。
由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物系统,可根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点,即可画出二组分系统的相图(温度-组成图)。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图 2 所示。严格地讲,Bi-Sn 合金是固态部分互溶凝聚系统,只是由于普通的热分析方法灵敏度较低,无法测得固熔体相界数据,所以,我们通过本实验得到的是 Bi-Sn 二元合金的简化相图。
一般说来,根据步冷曲线即可定出相界,但对于复杂相图还必须有其它方法配合。才能画出相图。
用热分析法(步冷曲线法)绘制相图时,被测体系必须时时处于或接近相平衡状态,因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。
2 实验操作
2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图
2.1.1实验药品
Bi(AR),Sn(AR),Bi 组成分别为 30%、57%、80%的金属混合物。
2.1.2实验仪器
铂热电阻、立式电炉(500 W)2 个、调压器 3 个、保温杯 1 只、硬质玻璃试管 5 个、铂电阻套管(一端封死的细玻璃管)5 支、沸点仪一套、数字温度计 1 台(电脑采集信号)。
测试装置示意图:
2.2 实验条件
实验温度:20.2 ℃,大气压:100.85 kPa
2.3 实验操作步骤及方法要点
样品的配制已经完成,无需自行配制。温度的记录也由电脑软件完成。 主要操作步骤如下:
(1)选取两支样品管放入电炉中至金属熔化。用铂热电阻、电脑采集软件监测其中之一的温度,大约升到 300℃
时可停止加热,将熔化金属从电炉中取出,置于立架上自然冷
2
却;
(2)重新使用温度监测软件,描绘熔化金属液的步冷曲线。待金属全部凝固后,约 100 ℃时停止。保存步冷曲线;
(3)换另一支样品管重复上述步骤,直到完成所有金属的步冷曲线; (4)打开沸点仪,加热至水沸腾,用铂热电阻测定水的加热曲线。
3 结果与讨论 3.1 原始实验数据
表1. 金属合金组成与拐点、平台温度原始数据
混合物组成 含 Bi 30% 含 Bi 30% 含 Bi 57% 含 Bi 80% 含 Bi 80% 纯Bi 纯Sn
注:30%Bi和80%Bi两样品有两个相变点,这分别为两种固溶体的相变温度。
修正后温度 T/℃
186.81 131.33
135.67 216.88 134.99 268.46 235.16
3.2 计算的数据、结果书中给出了固溶体的相关数据
表 2. Bi-Sn 固溶体相界线数据
在Bi 的组成为57%时为低共熔点。因此可以近似认为三相线温度为低熔点温度,即127.97℃。 以下相图中各条线的数据点分开。 表 3. 凝固点线数据 Bi 含量 0 0.3 0.57 0.8 1
T/℃ 235.16 186.81 135.67 216.88 268.46
表4. 三相线数据 Bi 含量 0.3 0.57 0.8
T/℃ 131.33 135.67 134.99
3
表5. 固溶体数据 Bi 含量 0.05 0.15 0.21 0.116 0.01 0.983 0.98 0.984 0.99 1
T/℃ 210 162 135.67 100 20 200 175 135.67 100 50
3.3 讨论分析
3.3.1 相图
由以上数据作出相图:
300300
250
250
200200
t e m p e r a t u r e (C )
O
150
150
100100
50
50
00.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.901.0
w(Bi)
3.3.2 各区分析 (1)三相线:PEG
表示三相平衡共存:低共熔物ωBi=57%,固溶体α(ωBi=21%),固溶体 β(ωBi=98.4%),相数Φ=3,自由度数f*=0; (2)凝固点线:MEQ
ME :液相l+α,相数Φ=2,自由度数f*=1; QE :液相l+β,相数Φ=2,自由度数f*=1。
4
(3)区域:
MEQ 以上:液相混合物L ,相数Φ=1,自由度数f*=2; MPE 区:液相l +α,相数Φ=2,自由度数f*=1; QEG 区:液相l +β,相数Φ=2,自由度数f*=1; MPF 区:固溶体α,相数Φ=1,自由度数f*=2; QGH 区:固溶体β,相数Φ=1,自由度数f*=2;
FPEGH 区:固溶体α+β,相数Φ=2,自由度数f*=1;
4 结论
本实验通过测量5个不同样品的步冷曲线,获得了5组相变点,结合书中给出的补充数据,在进行修正后得到了Bi-Sn 的二元相图。Bi-Sn 低共熔混合物组成为ωBi=57%;Bi 可在Sn 中形成部分固熔体。从外形上看,该相图与之前理论课中的非常相似,曲线走势也比较平滑,说明实验操作合理、没有出现较大的实验失误。
5 参考文献
(1)清华大学化学系物理化学实验编写组. 物理化学实验. 北京:清华大学出版社,1991. (2)贺德华,麻英,张连庆编. 基础物理化学实验. 北京:高等教育出版社,2008.5. (3)朱文涛编著. 物理化学. 北京:清华大学出版社,1995.8.
6 附录 6.1 思考题
(1)为什么能用步冷曲线来确定相界?
当液态合金体系在室温下冷却时,温度随时间变化是均匀的,且冷却速率较快。但是如果发生了相变,将会释放相变潜热,相变过程中系统温度较为稳定。此时冷却速率会明显降低,在步冷曲线上会出现转折点。因此在步冷曲线,一旦出现冷却速率降低,或是图像出现转折、回升,都表示相变过程。
(2)请用相律分析各冷却曲线的形状?
第一条:此条曲线表示纯Sn ,熔融状态是单组分液相体系,自由度为1。样品在自然冷却时温度均匀降低,在凝固时析出纯Sn 固体,变为2相,此时自由度为0,温度不变。直到完全凝固后又变为单相,自由度为1,此后温度降低。第五条为纯Bi ,同理。
第二条:此条曲线表示两组分合金。当降温后先析出其中一种金属此时自由度f=2-2+1=1,因此温度持续下降。但是由于会放出凝固热,降温变慢,斜率变缓。当降温到低共
熔点时,Bi-Sn 将以一个固定的比例共同析出。此时体系为熔液、Sn 、Bi 三相共存,f=0,温度不会变化,出现平台。液相消失后,剩下两种固相,f=1,温度又会继续下降。第四条同理。
第三条:此条曲线表示低共熔组成的合金。此时温度一直下降到凝固点时,两种金属一起析出。f=2-3+1=0,此时组成、温度均不变化。故此时直接与熔液同组成比例地析出Sn 、Bi 固体。直到熔液全部凝固,剩下与熔液同组成的金属固体,温度继续下降。 (3)热电偶测量温度的原理是什么?为什么要保持冷端温度恒定?
5
热电偶测量原理如下:将不同金属材料的两根导线的一段焊接在一起,保持一个接点(冷端)温度T0不变,改变另一接点温度T ,在线路中则会产生热电势,通过热端温度与热电势对应关系便测得热端温度。
测量过程需保持冷端温度必须恒定,是因为它的变化也会导致测得电势差的变化,也就无法根据对应关系确定热端温度了。
(4)步冷曲线各段的斜率以及平台的长短与哪些因素有关?
斜率主要与以下几个因素有关:
a. 由于二者热容不同,因此斜率与合金组成有关;
b. 保温温度和熔体温度:温差越大,降温速率越大,从而斜率也越大; c. 混合物质量;
d. 系统传热面积A 和总传热系数K 。
水平段的长短则与析出物的凝固热、低共熔体的热容有关。
6.2 实验小结
本次实验总体没有出现大的障碍,唯一存在问题的地方在于实验中采集80%的样品数据时没有得到很好的步冷曲线,在重复实验后仍然没有得到较好的效果,所以这很可能是由于样品本身的问题所导致,在这上面我们也耽误了一点时间。另外,由于实验中只提供了一个测温装置,在一个样品进行冷却采集数据时另一个样品进行加热时很难控制加热样品的温度,这样很容易使加热温度过高或不够,都会影响实验的进度,所以建议再配一套测温装置可以同时进行两个样品的加热和冷却。
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范文二:二组分合金相图
物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾
二组分合金相图
姓名:张腾学号:2012011864 班级:化21
同组人姓名:田雨禾
实验日期:2014年10月9日
提交报告日期:2014年10月11日
指导教师:冯天成
1 引言
1.1 实验目的
(1)用热分析法(步冷曲线法)测绘 Bi-Sn 二组分金属相图。
(2)掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法。
(3)学会使用自动平衡记录仪。
1.2 实验原理
人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。以体系所含物质组成为自变量,温度为应变量所得到的 T-x 图是常见的一种相图。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固,液相图多用于冶金、化工等部门。
较为简单的二组分金属相图主要有三种;一种是液相完全互溶,凝固后,固相也能完全互溶成固熔体的系统,最典型的为 Cu-Ni 系统;另一种是液相完全互溶而固相完全不互溶的系统,最典型的是 Bi-Cd 系统;还有一种是液相完全互溶,而固相部分也互溶的系统,如Pb-Sn 系统。本实验研究的 Bi-Sn 系统就是这一种。在低共熔温度下,Bi 在固相 Sn 中最大溶解度为 21,(质量百分数)。
热分析法(步冷曲线法)是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时,潜热的释出或吸收及热容的突变,使得温度-时间关系图上出现平台或拐点,从而得到金属或合金的相转变温度。由热分析法制相图,先做步冷曲线,然后根据步冷曲线作图。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷却,通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线(步冷曲线)。
图 1 步冷曲线图 2 步冷曲线与相图
以合金样品为例,当熔融的体系均匀冷却时(如图 1 所示),如果系统不发生相变,则系统温度随时间变化是均匀的,冷却速率较快(如图中 ab 线段);若冷却过程中发生了相变,由于在相变过程中伴随着放热效应,所以系统的温度随时间变化的速率发生改变,系统冷却速率减慢,步冷曲线上出现转折(如图中 b 点)。当熔液继续冷却到某一点时(如图中 c 点),此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前,系统温
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物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾 度保持不变,因此步冷曲线出现水平线段(如图中 cd 线段);当熔液完全凝固后,温度才迅速下降(如图中 de 线段)。
由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物系统,可根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点,即可画出二组分系统的相图(温度-组成图)。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图 2 所示。严格地讲,Bi-Sn 合金是固态部分互溶凝聚系统,只是由于普通的热分析方法灵敏度较低,无法测得固熔体相界数据,所以,我们通过本实验得到的是 Bi-Sn 二元合金的简化相图。
一般说来,根据步冷曲线即可定出相界,但对于复杂相图还必须有其它方法配合。才能画出相图。
用热分析法(步冷曲线法)绘制相图时,被测体系必须时时处于或接近相平衡状态,因此冷却速率要足够慢才能得到较好的结果。
2 实验操作
2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图
2.1.1实验药品
Bi(AR),Sn(AR),Bi 组成分别为 30%、57%、80%的金属混合物。
2.1.2实验仪器
铂热电阻、立式电炉(500W)2 个、调压器 3 个、保温杯 1 只、硬质玻璃试管 5 个、铂电阻套管(一端封死的细玻璃管)5 支、沸点仪一套、数字温度计 1 台(电脑采集信号)。
测试装置示意图:
2.2 实验条件
实验温度:20.2?,大气压:100.85kPa
2.3 实验操作步骤及方法要点
样品的配制已经完成,无需自行配制。温度的记录也由电脑软件完成。
主要操作步骤如下:
(1)选取两支样品管放入电炉中至金属熔化。用铂热电阻、电脑采集软件监测其中之一的温度,大约升到 300?时可停止加热,将熔化金属从电炉中取出,置于立架上自然冷却;
2
物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾
(2)重新使用温度监测软件,描绘熔化金属液的步冷曲线。待金属全部凝固后,约 100 ?
时停止。保存步冷曲线;
(3)换另一支样品管重复上述步骤,直到完成所有金属的步冷曲线;
(4)打开沸点仪,加热至水沸腾,用铂热电阻测定水的加热曲线。
3 结果与讨论
3.1 原始实验数据
表1. 金属合金组成与拐点、平台温度原始数据
混合物组成 修正后温度T/?
含Bi 30% 186.81
含Bi 30% 131.33
含Bi 57% 135.67
含Bi 80% 216.88
含Bi 80% 134.99
纯Bi 268.46
纯Sn 235.16 注:30%Bi和80%Bi两样品有两个相变点,这分别为两种固溶体的相变温度。
3.2 计算的数据、结果书中给出了固溶体的相关数据 表 2. Bi-Sn 固溶体相界线数据
温度 所测所测210 162 100 60 20 200 175 100 50
低共低共t/
熔温熔温
度 度
5 15 21 11.6 5.3 1.0 98.3 98 98.4 99 100 ω(Bi)%
根据实验数据,组成为57%的混合物在步冷曲线上只出现一个平台,这说明Bi-Sn体系在Bi的组成为57%时为低共熔点。因此可以近似认为三相线温度为低熔点温度,即127.97?。
以下相图中各条线的数据点分开。
表 3. 凝固点线数据
Bi含量 T/?
0 235.16
0.3 186.81
0.57 135.67
0.8 216.88
1 268.46
表4. 三相线数据
Bi含量 T/?
0.3 131.33
0.57 135.67
0.8 134.99
3
物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾 表5. 固溶体数据
Bi含量 T/?
0.05 210
0.15 162
0.21 135.67
0.116 100
0.01 20
0.983 200
0.98 175
0.984 135.67
0.99 100
1 50
3.3 讨论分析
3.3.1 相图
由以上数据作出相图:
300300
250250Q
M
200200
C)O150150
EG100P100
temperature(
5050
H
00
0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0F
w(Bi)
3.3.2 各区分析
(1)三相线:PEG
表示三相平衡共存:低共熔物 ,=57%,固溶体 α(,=21%),固溶体 ?,?,
β(,=98.4%),相数Φ=3,自由度数f*=0; ?,
(2)凝固点线:MEQ
ME:液相l+α,相数Φ=2,自由度数f*=1;
QE:液相l+β,相数Φ=2,自由度数f*=1。
(3)区域:
4
物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾
MEQ 以上:液相混合物L,相数Φ=1,自由度数f*=2;
MPE 区:液相l +α,相数Φ=2,自由度数f*=1;
QEG 区:液相l +β,相数Φ=2,自由度数f*=1;
MPF 区:固溶体α,相数Φ=1,自由度数f*=2;
QGH 区:固溶体β,相数Φ=1,自由度数f*=2;
FPEGH 区:固溶体α+β,相数Φ=2,自由度数f*=1;
4 结论
本实验通过测量5个不同样品的步冷曲线,获得了5组相变点,结合书中给出的补充数据,在进行修正后得到了Bi-Sn的二元相图。Bi-Sn低共熔混合物组成为,=57%;Bi可?,在Sn中形成部分固熔体。从外形上看,该相图与之前理论课中的非常相似,曲线走势也比较平滑,说明实验操作合理、没有出现较大的实验失误。
5 参考文献
(1)清华大学化学系物理化学实验编写组. 物理化学实验. 北京:清华大学出版社,1991. (2)贺德华,麻英,张连庆编. 基础物理化学实验. 北京:高等教育出版社,2008.5. (3)朱文涛编著. 物理化学. 北京:清华大学出版社,1995.8.
6 附录
6.1 思考题
(1)为什么能用步冷曲线来确定相界,
温度随时间变化是均匀的,且冷却速率较快。但是如当液态合金体系在室温下冷却时,
果发生了相变,将会释放相变潜热,相变过程中系统温度较为稳定。此时冷却速率会明显降低,在步冷曲线上会出现转折点。因此在步冷曲线,一旦出现冷却速率降低,或是图像出现转折、回升,都表示相变过程。
(2)请用相律分析各冷却曲线的形状,
第一条:此条曲线表示纯Sn,熔融状态是单组分液相体
系,自由度为1。样品在自然冷却时温度均匀降低,在凝固
时析出纯Sn固体,变为2相,此时自由度为0,温度不变。
直到完全凝固后又变为单相,自由度为1,此后温度降低。
第五条为纯Bi,同理。
第二条:此条曲线表示两组分合金。当降温后先析出其
中一种金属此时自由度f=2-2+1=1,因此温度持续下降。但
是由于会放出凝固热,降温变慢,斜率变缓。当降温到低共
熔点时,Bi-Sn将以一个固定的比例共同析出。此时体系为熔液、Sn、Bi三相共存,f=0,温度不会变化,出现平台。液相消失后,剩下两种固相,f=1,温度又会继续下降。第四条同理。
第三条:此条曲线表示低共熔组成的合金。此时温度一直下降到凝固点时,两种金属一起析出。f=2-3+1=0,此时组成、温度均不变化。故此时直接与熔液同组成比例地析出Sn、Bi固体。直到熔液全部凝固,剩下与熔液同组成的金属固体,温度继续下降。 (3)热电偶测量温度的原理是什么,为什么要保持冷端温度恒定,
热电偶测量原理如下:将不同金属材料的两根导线的一段焊接在一起,保持一个接点(冷
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物理化学实验 二组分合金相图 化工系 2012011864 张腾 端)温度T0不变,改变另一接点温度T,在线路中则会产生热电势,通过热端温度与热电势对应关系便测得热端温度。
测量过程需保持冷端温度必须恒定,是因为它的变化也会导致测得电势差的变化,也就无法根据对应关系确定热端温度了。
(4)步冷曲线各段的斜率以及平台的长短与哪些因素有关,
斜率主要与以下几个因素有关:
a. 由于二者热容不同,因此斜率与合金组成有关;
b. 保温温度和熔体温度:温差越大,降温速率越大,从而斜率也越大;
c. 混合物质量;
d. 系统传热面积A和总传热系数K。
水平段的长短则与析出物的凝固热、低共熔体的热容有关。
6.2 实验小结
本次实验总体没有出现大的障碍,唯一存在问题的地方在于实验中采集80%的样品数据时没有得到很好的步冷曲线,在重复实验后仍然没有得到较好的效果,所以这很可能是由于样品本身的问题所导致,在这上面我们也耽误了一点时间。另外,由于实验中只提供了一个测温装置,在一个样品进行冷却采集数据时另一个样品进行加热时很难控制加热样品的温度,这样很容易使加热温度过高或不够,都会影响实验的进度,所以建议再配一套测温装置可以同时进行两个样品的加热和冷却。
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范文三:电镀光亮锡铋合金工艺研究
材料保护 35 Vol No 10篓,警耋增跫
二竺坚兰巳坐』I_——————————————————垒堡垦!垒生!!垦Q!垦垦:!:!Q盥 !! 壁!:!!釜
电镀光亮锡铋合金工艺研究
冯祥明1(吴慧敏1。李卫东1(左正忠1,刘仁志2(杨磊2,张海燕z
(1武汉大学化学系,湖北武汉430072;2武汉风帆电镀技术有限公司,湖北武汉430015)
【摘要] 用正变法蛄舍,1、槽试验与HullCell试验,研充出了电锰Sn 同Bi舍金新工艺以应该体系的光亮刑(讨论了不
,g 4t:学行为 进工艺参数对棱屡中珏含量的影响和光亮剂对合金镀层外观的影响。运用稳态极化曲线对光亮荆在镀液中的SEM的观察和分析。 行了初步研究。还对舍仝谴层进行了[关键词] 电镀;拐铋合坌;光亮荆 2 [中围分类号】TQl53 [文献标识码]A[文章编号]1001 1560(2002)增刊一0156—03
随着微电子技术的迅速发展,多引线的表面安装器件应用 小槽中进行,采用重量法。 1 越来越多,引线间距不断减小(?0 mm),对分立元件的焊接要 1(3(2 Hull Cell实验
求越来越高 。纯锡作为焊接性镀层存在着易发生晶须和向灰 采用267ml的Hull Cell,阳极为纯锡板,阴极为6 cm×10 锡转变的缺点,而且由于熔点较高(232?),焊接时对基体的热 损伤也较严重,抗氧化性也不如其合金好。em压延磷铜片。 Ag_Sn合金或Au—Sn 合金也可以作为焊接性幢层,但由于成本1(3(3阴极极化测试 较高,所以应用范围很 采用三电极体系进行测试,工作电极为直径0 2 mm的锡盘 有限。组成为Sn60(PIM0(wt,)的Sn(Pb合金应用较广泛,其熔 cm×1 电极。对电极为0(5 0 ca铂片电极,参比电极为饱和甘点为183?。但是由于镀层中台铅,所以无论在电镀操作过程 汞电极。每次实验前都将工作电极依次用1,6号金相砂纸打中,还是产品在使用后,都会对环境造成污染。随着人们环保意 磨光亮,然后在分析纯丙酮、二次蒸馏水中超声波清洗。在25识的增强,越来越要求取代有毒的sn(Pb合金饺层。由于Sn-Bi ?、扫描速度。=2 mv,s下作准稳态极化曲线。 合金也具有优良的焊接性能,因此逐渐引起了人们的重视。 1(3(4镀层中铋含量分析与衰面形貌观察 本文提出了新研制的电镀光亮Sn-Bi合金工艺及光亮剂。能 镀层中铋含量用日本产Hitachi一650型扫描电子显微镜测 在较宽的电流密度和温度范围内得到全光亮镀层,并且色j晕均 5 A,dm2定,并作表面形貌观察。所测试片在T=25?、Dk=0 匀,与基体结合力强,深镀能力好。采用小槽实验和Hull Cell实下制得。 验确定了最佳工艺条件,并采用稳态极化法对光亮sn—Bi合金的电沉积进行了初步的研究。 2结果与讨论 1实验部分2(1溶液基本组成
电镀锡铋合金有许多体系,如硫酸体系,但是其缺点之一是 1(1基础溶液组成sn2+的氧化较快,使镀液不能长时间工作;氟硼酸盐和酚磺酸体 30 30 g,L,络合剂150 g,L,导电盐50 SnSq dL。H,1303 系有毒性大、镀液后处理麻烦的缺点;烷基磺酸盐体系毒性较25 5。 “L,稳定荆15 g,L,Bi”0 g『L,促进剂20 mVL,pH=4 低,废水处理简单,但是其成本较高,稳定性也不太好”】。所用试剂均为分析纯,=欢蒸馏水配制。 由于锡和铋的交换电流密度较大,所以电沉积时阴极极化1(2实验仪器 较小,得到的镀层较粗糙。在本研究中,络合剂与金属离子形成 (1)上海产cHI一660A电化学工作站; 了络合物,降低了游离的金属离子的浓度,增加了阴极极化。另 (2)日本产Hitachi一650型扫描电子显微镜; 外,络合剂与硼酸一起组成了很好的缓冲溶液,防止长时间操作ml Hull 中国台北骏光公司生产的Cell。 (3)267 后溶液的pH值改变过大。
1(3实验内容 导电盐可改善镀液的导电能力,在阴极极化较大时,增加镀1(3(1小槽实验 液的导电能力可明显提高镀液的分散能力。
稳定剂在镀液中起抗氧化剂的作用,可有效地消耗镀液中 采用正交设计,通过改变光亮荆的加人量、镀液温度、电流 密度、电
镀时间、搅拌与否等参数来观察工艺条件对镀层外观的 溶解的氧(防止Sn2+离子向Sn'+离子的转化,使镀液长期保持 影响。槽液000 清澈、透明、稳定。1 ml;阳极为纯锡板,并套以阳极袋;阴极 体积为Y 为5 cFll 6 cm的压延磷铜片。所有的实验均用接触温度汁、 锡铋合金较易在阴极上沉积出来。在镀液中添加了络合剂
000 ml的 6402型电子继电器控温。阴极电流效率的测定也在L 后增大了阴极极化,可以得到半光亮的镀层,但还不能满足要
一156
———— 皇竺兰兰塑竺竺竺三苎里窒 求。有研究表明[zl,光亮镀层的可焊性明显优于半光亮镀层。 qn 为了得到光亮的镀层,需要进一步增加阴极极化,因而要选择合
适的光亮荆。 $85, 实验中所选用的光亮剂为我们研制的含有若干种合成有机 羹80 物的复配物,这些有机物的用量虽少,却能产生出外观非常光亮 髫,s细致的镀层,为了进一步提高光亮荆的作用效果和改善光亮剂 掣墨70 分散能力(使得镀层的厚度和光亮度更加均匀,实验中还使用了 , 特别研制的促进剂。 65
2(2工艺条件对镀层外观的影响 6 8 1 l 2 l 4 1 6 n 40 0 O 2(2(1温度的影响电流密度,(a tI盯?) 温度对镀层外观影响较大。温度较低时,粒子运动速度较 图2电流密度与阴极电流牧率的关系(25?) 慢,极化较大,镀层光亮度较高;但光亮电流密度上限低,相应的 可操作2(3操作条件对镀层中铋含量的影响 光亮电流密度范围较窄,沉积速度慢。温度较高时,粒子 的运动速度加快,相应2(3(1温度对铋含量的影响 的极化降低,镀层的光亮度略有下降,但 为了解温度对铋含量的影响,固定其它工艺条件。将不同温 相应的光亮电流密度上限上升,范围扩大,沉积速度较快。当温 度下得到的试片用SEM作镀层成分分析,结果如图3所示。 度超过一定值后,体系的性能下降,温度对镀层外观影响的实验 12 0 结果如图1所示。
璧?5 H o舞lI IS? 埘 }卜—啦 5蝗10 25? l卜o 盏10(035 1: U: , 掣9545t q0?;(H 5 20 2S 30 35 0 0 37 l 02 1(9 3 5 251 r,? 圈1不同温度下的Hull 试片(I=1 A,t=5min) Cell5 Ale,mz)图3温度与镀层中铋含量的关系(Dk=0
从图中可以看出,在其它参数相同的条件下,温度对镀层中日 口囵四 铋的含量有一定的影响,分析原因,可能在较低温度下。络合形 、仁光亮 光亮 漏镀 烧焦 2(2(2电流密度的影响式的铋扩散迁移速度较慢,导致铋在镀层中的含量较低。而当 在其它条件相同的情况下,电流密度较低时饿层的光亮度 温度较高时,根据电化学动力学公式 :比电流密度较高时为好。电流密度较高时,镀层由光亮过渡到 ic=nFz。coexpI(一W?+口nh),RTl (1) 半光亮,过高时发生烧焦。 (式中i。为金属离子还原引起的电流,其相对大小与金属 2(2(3搅拌的影响 在镀层中的古量成正比,n为金属离子的价数,F为法拉第常数, 在实验中发现,搅拌溶液容易使键层产生扩散状花纹,所以?为指前因子,“为金属离子浓度,a为传递系数,口。为超电 静镀要比搅拌的效果要好。 势,R为气体常数,T为开氏温度。) 2(2(4 pH值的影响锡电沉积的活化能(包括电化学超电势的影响)较铋大,沉 5时电流 pH值对电流密度范围有一定的影响,pH值为4 积速度受温度影响较铋大,升高温度,锡的电沉积速度比铋增加 密度范围最宽,其值偏高或偏低时电流密度范围都变小。由于的快,因此铋的含量降低。所以,温度过高或过低,铋的含量都 长时间操作(镀液的pH值会有所升高,因此要用HCI或H2S04会降低。 诃节镀液的pH值。2(3(2 电流密度对铋含量的影响 2(2(5阴极电流效率在不同电流密度下做实验,然后对镀层中成分进行分析,铋 尽管锡为高氢超电势金属,但是锡的标准电极电势较负,当含量随电流密度的变化如图4所示: 电极反应以一定的速率进行时,阴极必然要发生较大的极化,从从圈中可以看出,在其它条件不变的情况下,电流密度对铋 而导致和加剧氢的析出,降低电流效率。圈2表明了阴极电流 的含量有一定的影响,这可能是由于锡的电沉积受超电势的影 密度与电流效率的关系。响较大的缘故。 从图中可以看出,当电流密度较小时,电流效率较高,当电2(3(3溶液中B,离子浓度对铋含量的影响 流密度增大肘,氢的析出加剧,导致电流效率降低。但这种现象 作为工艺条件之一,要确定溶液中Bt?离子浓度与Sn-Bi合 和趋势有利于改善镀液的分散能力和覆盖能力。
第35卷增刊材料保护 v0I 35?10
坚垒!堡墨!垒生!!垦Q!垦曼!!Q盟 211 11丝 —堑坚?兰三生旦————————一 铅合金基础液的准稳态极化曲线。可咀看出二者有一定的区
堡12 别:当镀锡基础液中加入Bi3+离子后,sn—Bi合金基础液的还原
电位比镀锡基础液的还原电位负移了数lO 臻11 mv,所以Bl?离子 ?目 起了一定无机添加剂的作用,这与实验中观察到的现象一致,当
鉴10 镀液中加入Bl”离子以后,得到的镀层变得更加白亮。曲线1g 9为s小BI合盒镀液中加入光亮剂后的准稳态极化曲线,从图中可 廿
以看出,当镀液中加人光亮剂后,金属离子的沉积电位负移了约 喽s 200 mV,明显增加了阴极极化。根据超电势与成核速度的关系, 当增加阴极极化时,金属电沉积时的成核速度增加,晶核生长速 0 40 60 8 l 0 l 2 4 1 6度相对较低”1,因而使金属的结晶变的细致,镀层变的光亮。 电流密度,?Adm"2) 3(2 SEM观察不同镀层形貌图4电流密度与镀层中铋古量的关系(T=25?) 为了更清楚地了解光亮剂的作用效果,用扫描屯镜观察镀 中舔加不同量的Bi?离子,并分析镀层中金饿层中铋含量的关系。在其它工艺参数不变条件下。在镀液层的表面形貌,如图7。 的铋古量,以确定它们
之间的关系,经过分析,结果如图5所示。 m
堡8 蜩 札 6tI 曲 dh 图7键层形貌的SEM图 鉴一 岳 图中a为镀锝基础液中得到镀层表面形貌,图中b为在镀锡
嚣2 基础液中加入Bi?以后的镀伊表面形貌,图中c为sn—Bi(含Bl 5wt,)合金镀液中加入光亮荆的表面形貌。从图中可以看出, 0 不舍光亮剂的溶液中得到的纯锡镀层表面较粗糙,仅为半光亮( 00 02 04 3 50l 0 0 加人硝+以后,镀层的表面为大小比较均匀一致的粒状结晶;加 溶液中Bi“浓度,(#U?J入光亮剂后,从图中可以看出镀层的表面形貌大为改善。这与 图5溶液中茸+浓度与蕞层中铋古量关系(丁;25?(Dk=0 5^『dm2)根据阴极极化曲线结果判断碍到的结论是一致的。 从图中可以看出(在低浓度时,键层中铋含量大致与溶液中4结论BP+离子浓度成线性关系,当Br+离子浓度逐渐升高,直线开始
缓慢地趋向于平缓。 (1)研制出一种新型电镀锡铋合金工艺及光亮剂,其最佳工30 艺条件为:SnS04 g,L,络合剂150 g『L,导电盐 30 g,L,H,B03 3阴极极化曲线及镀层SEM的测试
s0 25 g『L,稳定剂15 g『L,Bi?0 g,L,促进剂20 ml,L,pH=3,50--1 3(1阴极极化曲线的测定 4 25 A,dm2。该工艺有镀层光亮度,丁=25?,Dk=0 5为了解光亮剂在镀液中的电化学行为,测试了阴极极化曲 高,操作条件宽松,对环境适应性强等优点。线,如图6所示。 (2)讨论了一些工艺条件对镀层中协含量的影响(分析了一 些可能的原因。 一3 6 (3)利用阴极极化和SEM初步研究了光亮剂在镀液中的电 —3 2
化学行为,表明在锅铋舍金电沉积过程中,光亮翱l的加入对镀层 8 《一2 的光亮度及均匀性,以及镀液的其它性能有一定的改善作用。 4 毛一2 【参考文献】 杂一2(0 掣一I 6 [1】夏传义电子电镀技术的回顾与展望[A】第六届全国电子电镀年—1(2 会论文摘要茫编[C](北京:中国电子学会生产技术分会电子专业 o(8 委员会,1995 [2]庄瑞舫锝和锅基合金的可焊性研究[J】电镀与精饰(1997,19(4):4 -o(4 C31弛建明电镀sn(Pb合金[J]电镀与环保,1999,19(1):8o 17-1 20一l23 一I 26一I 32—1(35 【4]周仲伯电楹过程动力学基础教程[M]武汉:武汉大学出版社, 08—1 1j-I 14-I 1989电位,v(w scE) mV,8 [5J李获电化学原理[M]北京:北京航空航天大学出版祉,1999 f责q=2 I生{6体系的阴极极化曲线(T=25"C 任舅辑:殷金弟】 图中啦线2为镀锅基础液的准稳态极化曲线,雎线I为铺 ——158
范文四:铝基板电镀锡铋合金工艺
铝基板电镀锡铋合金工艺
铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板, 一般单面板由三层结构所 组成,分别是电路层(铜箔)、绝缘层和金属基层。用于高端使用的也有设计为 双面板, 结构为电路层、 绝缘层、 铝基、 绝缘层、 电路层。 极少数应用为多层板, 可以由普通的多层板与绝缘层、铝基贴合而成。
常见于 LED 照明产品。 有正反两面, 白色的一面是焊接 LED 引脚的, 另一面 呈现铝本色,一般会涂抹导热凝浆后于导热部分接触。目前还有陶瓷基板等等;
本篇介绍的是铝基板上镀锡铋合金,其既具有良好焊接性能,又在低温下有 较好的机械强度。
工艺步骤如下。
(1)将铝基板充分去油, 并在配比为硫酸 500mL/L、 硝酸 500mL/L、 氯化钠 2~ 3g/L的酸洗液中处理 2~3s ,在流动的自来水中进行清洗不少于 10s ,再用氢氟 酸对铝基板进行酸洗 2~3s ,在流动的自来水中进行清洗不少于 20s 。
(2)将铝基板放人温度为 18~25℃,配比为七水合硫酸锌 (150±5)g/L、氢 氧化钠 (200±5)g/L的锌酸盐处理槽中处理 3~6s ,在流动的自来水中清洗不少 于 20s 。
(3)将铝基板放人普通瓦特 镀镍 槽中进行镀镍 2~3μm , 在流动的自来水中清 洗零件不少于 10s 。
(4)将铝基板放入锡铋合金电镀槽中进行 电镀 ,电解液温度 15~25℃,电流 密度 2~5A/dm2,电镀时间根据镀层厚度和锡 -铋合金沉积速率 0.5~1.0μm/mi n 来确定。在开始电镀的 20~30 s内,电流密度是正常电镀电流密度的 2倍, 3 0s 后降至正常值。
(5)在流动的热水中清洗铝基板, 时间不少于 30s 。 在丙酮中对铝基板进行脱 水 2~5s 。 将铝基板放在粗白棉布上, 用干净的压缩空气将其吹干后放入烘干箱, 在 80~100℃条件下干燥至少 10min ,将铝基板从导线上拆下。
范文五:实验6_二组分合金相图
二组分合金相图
1 引言
1.1 实验目的
(1) 用热分析法(步冷曲线法) 测绘Bi-Sn 二组分金属相图。
(2) 掌握热电偶测量温度的基本原理和校正方法。
(3) 学会使用自动平衡记录仪。
1.2 实验原理
(1) 二组分合金相图
人们常用图形来表示体系的存在状态与组成、温度、压力等因素的关系。二组分相图已得到广泛的研究和应用。固-液相图多用于冶金、化工等部门。
较为简单的二组分金属相图主要有三种:
① 液相完全互溶,凝固后,固相也能完全互溶成固溶体的系统,最典型的
为Cu-Ni 系统;
② 液相完全互溶而固相完全不互溶的系统,最典型的是Bi-Cd 系统;
③ 液相完全互溶,而固相部分也互溶的系统,如Pb-Sn 系统。 本实验研
究的Bi-Sn 系统就是这一种。在低共熔温度下,Bi 在固相Sn 中最大溶解
度为21%(质量百分数)。
(2) 热分析法(步冷曲线法)
热分析法(步冷曲线法) 是绘制凝聚体系相图时常用的方法。它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时,潜热的释出或吸收及热容的突变,使得温度-时间关系图上出现平台或拐点,从而得到金属或合金的相转变温度。由热分析法制相图,先做步冷曲线,然后根据步冷曲线作图。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化。然后让其在一定的环境中自行冷却,通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线(步冷曲线)。
以合金样品为例,当熔融的体系均匀冷却时(如图1.1所示),如果系统不发生相变,则系统温度随时间变化是均匀的,冷却速率较快(如图中ab 线段);若冷却过程中发生了相变,由于在相变过程中伴随着放热效应,所以系统的温度随时间变化的速率发生改变,系统冷却速率减慢,步冷曲线上出现转折(如图中b 点)。当熔液继续冷却到某一点时(如图中c 点),此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。在低共熔混合物全部凝固以前,系统温度保持不变,因此步冷曲线出现水平线段(如图中cd 线段);当熔液完全凝固后,温度才迅速下降(如图中de 线段)。
图1.1 步冷曲线
由此可知,对组成一定的二组分低共熔混合物系统,可根据它的步冷曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点,即可画出二组分系统的相图(温度-组成图)。不同组成熔液的步冷曲线对应的相图如图1.2所示。严格地讲,Bi-Sn 合金是固态部分互溶凝聚系统,只是由于普通的热分析方法灵敏度较低,无法测得固熔体相界数据,所以,我们通过本实验得到的是Bi-Sn 二元合金的简化相图。
图1.2 步冷曲线与相图
2 实验操作
2.1 实验用品、仪器
热电偶(铜-康铜)一支,立式电炉(500 W)2个,调压器2个,加热套管5个,硬质玻璃试管5个,热电偶套管5只,沸点仪一套,自动平衡记录仪1台。
Sn(AR),Bi(AR),松香,液体石蜡
实验仪器图如图
2.1
图2.1 步冷曲线测定装置图
2.2 实验条件
实验在温度17 °C ,气压100.8 kPa下进行
2.3 实验操作
(1) 配置样品。分别配制含Bi 质量分数为30%、57%、80%的Bi-Sn 混合物各50g 。
另外取纯Bi 、纯Sn 各50 g,分别装入5个硬质玻璃试管。管内加少量松香,以防金属氧化。插入热电偶套管于样品中部,热电偶套管中加入少量液体石蜡用于导热,防止热电偶的热滞后现象。
(2) 测量样品的步冷曲线。
本实验所用的两个电炉均用于加热,熔融的样品在空气中冷却并记录步冷曲线。将制作好的样品放入立式小电炉内,接通电源,样品熔化后用热电偶套管将金属样品搅拌均匀。调整好热电偶套管位置,打开记录仪开始记录步冷曲线。
加热下一个样品时应使用另外一个熔融电炉,两个电炉交替使用,待电炉温度降到接近室温时才可再次使用,防止试管炸裂。
(3) 测量水的沸点。将热电偶热端插入沸点仪的气液喷口处,测水的沸点,作为标
定热电偶温度值的一个定点。沸点仪加热电压控制在30 V左右
2.4 注意事项
(1) 通过升温曲线判断样品是否熔化,全部熔化后即可停止加热,温度不宜升得过高。
(2) 为了准确测定相变点,必须将热电偶放在熔融体中下部,同时搅拌均匀。
(3) 冷的样品不可放入热的炉子中,以防试管碎裂。
(4) 搅拌样品时,样品不要脱离电炉时间过长(也可在电炉中将样品搅拌均匀),防止样品冷却凝固
(5) 注意桌面整洁,不要使电线或信号线与电炉接触。
3 结果与讨论
3.1 数据处理
测得纯Bi 、含Bi 80%、57%、30%的Bi-Sn 合金、纯Sn 的步冷曲线,并测量水的沸点,用Bi 的熔点271 °C 、Sn 的熔点232 °C 、水的沸点100 °C 作为基准用线性拟合的方法校正温度示数,得到合金相变点温度如下表
表3.1 合金相变点温度
Bi 质量分数
80%
57%
30%
0%
校正后水的沸点是99.95 °C
由合金相变点数据可知,Bi-Sn 二组分合金的低共熔温度为132.28 °C ,其对应的Bi 的质量分数为57%。
由文献[1]数据,固溶体相界线如表3.2
表3.2 Bi-Sn二组分固溶体相界线
相变点温度(°C)
223.57 132.28 178.47 232.20 138.96 131.35
根据测量的数据,并利用表3.2中固溶体相界线的数据,可以绘制出Bi-Sn 二组分合金相图如图3.1
图3.1 Bi-Sn二组分合金相图
3.2 讨论分析
对于Gibbs 相律F=C-P+n,本实验研究两组分合金,取C =2,实验全程恒压,取n *=1,故恒压下的条件自由度f *=2-P +1=3-P
分析二组分合金相图可知:
I 区是纯液相,P =1,f *=2
II 区是液相与固溶体A 的混合态,P =2,f *=1
III 区是液相与固溶体B 的混合态,P =2,f *=1
IV 区是纯固溶体A ,P =1,f *=2
V 区是固溶体A 、B 的混合态,P =2,f *=1
VI 区是纯固溶体B ,P =2,f *=2
将实验中测得的Bi-Sn 二组分合金相图与参考数据[2]对比,本次实验中得到的相图基本可以反映出Bi-Sn 合金的相变情况,各相在T-x 图上的面积也和参考数据大致相仿(参考数据采用Sn 的摩尔分数表示组分)。
图3.2 Sn-Bi参考相图
本次实验中熔融合金搅拌不均匀,测温铂电阻没有放置在合金中央等因素均可能给数据带来误差。测温铂电阻的延迟现象也会给相变温度的测量带来一定误差。 4 结论
本次实验使用步冷曲线法测定了Bi-Sn 合金在一系列组分下的相变温度,并利用Bi 、Sn 的熔点和水的沸点校正铂电阻测温数据,绘制了二组分合金相图,并利用Gibbs 相律分析各相的条件自由度。
5 参考文献
[1] 贺德华,麻英,张连庆. 基础物理化学实验. 北京:高等教育出版社,2008:33-35.
[2] SGTE alloy databases.
Retrieved from . Revised in 2004. Retrieved on 2013/11/2.
6 附录
思考题
1. 为什么能用步冷曲线来确定相界?
相变过程可以在步冷曲线上体现为标志性的图形。
2. 请用相律分析各步冷曲线的形状?
相变前后系统的比热容不同,因此温度下降速度也不同,在步冷曲线上体现为拐点。固-液相变中会释放相变潜热,系统温度不变,在步冷曲线上体现为平台。因此,各种相变过程都可以在步冷曲线上体现为标志性的图形。
3. (本实验没有使用热电偶)热电偶测量温度的原理是什么?为什么要保持冷端温度恒定?
金属两端温度不同时,由于电子速度不同会产生热电势。两种金属在同一温差下产生的热电势不同。这样两种金属两端分别连接,环路中就会产生电势,根据热电势和温度的关系可以得到两端的温差。
使热电势的变化仅是由于热端温度变化引起的。
4. 步冷曲线各段的斜率以及平台的长短与哪些因素有关?
斜率由物质种类、实验仪器、温差有关。平台长短与相变时间有关。