非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能

非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能张　静1,路文江2,俞伟元2(11河西学院机电工程系,甘肃张掖734000;　21兰州理工大学材料科学与工程学院,兰州730050) 摘　要:利用快速凝固技术和传统铸造技术分别制备出成分相同的Cu 2Ni 2Sn 2P 非晶薄带钎料和普通钎料,将两种钎料在四种钎焊温度(660,670,680,690℃)和四种保温时间(5,10,15,20min )下与紫铜进行真空钎焊,借助差热分析(DTA )、X 衍射(XRD )、电子探针分析(EPMA )分析,探讨在不同钎焊条件下两种钎料钎焊接头的熔点、润湿性及钎焊接头显微组织差异。

结果表明,非晶钎料的熔点比普通钎料低约415℃,结晶区间缩小315℃,非晶钎料润湿性明显优于普通钎料,非晶钎料与母材的相互扩散和冶金结合增强。

关键词:金属材料;Cu 2Ni 2Sn 2P 薄带钎料;真空钎焊;润湿性;显微组织中图分类号:TG454　文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2009)01-0021-05收稿日期:2007-01-08基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(YS021-A22-017)作者简介:张　静(1976-),女,甘肃张掖市人,硕士,主要从事快速凝固钎料的开发等方面的研究。

随着工业和科技的快速发展,铜及铜合金的钎焊得到广泛应用,如电子元器件、印刷电路板表面组装元器件、微波等通信器件、真空器件等。

传统铜磷钎料的熔点低、流动性好,钎焊温度接近银钎料,且具有自钎性以及价格低等优点,是500～800℃温度范围内钎焊铜及铜合金取代银基钎料的理想材料。

然而,传统铜磷钎料含P 量均在5%以上,由于含磷量高,钎料基体中含有大量的脆性化合物Cu 3P ,导致钎料在室温呈脆性,因此其应用范围受到了限制[1],而用单辊急冷技术制取非晶钎料薄带可以解决其脆性问题。

以广泛应用的铜磷钎料为研究对象,在铜磷钎料中添加Sn 可以显著降低铜磷钎料的熔点,添加Ni 可以增加强度,研究了Cu 2Ni 2Sn 2P 的非晶薄带钎料真空钎焊紫铜时,工艺参数对其润湿性、拉伸强度及显微组织的影响,并与普通钎料进行比较,探讨了两者工艺性能产生差别的原因。

1　钎料的制备钎料成分配比为Cu6815Ni1517P615Sn913,普通晶态钎料是将配好的Cu 2P 中间合金,Ni 和Sn 放入充有Ar 2的真空电弧炉中,经反复熔炼三次制得,快冷薄带钎料将熔炼好的部分普通晶态钎料利用单辊急冷设备,辊面线速度为30m/s ,高频感应炉中熔炼,保护气氛中喷带,制得厚度为30μm ,宽20mm 的Cu6815Ni1517P615Sn913的薄带钎料。

2　钎料的性能分析211　钎料的物相分析快冷与普通钎料的XRD 分析如图1所示,从图1(a )可以看出,快冷钎料只有漫散射峰,无对应晶相的衍射锐峰,说明其是完全的非晶组织,而普通钎料XRD 图1(b )上存在明显的Cu 1317Sn 和Cu 3P 晶体衍射锐峰。

212　钎料的熔化特性将普通和非晶钎料各取20mg ,在1090型差热分析仪(D TA )上,以10℃/min 的加热速率,氩气保护下从室温加热到700℃测得的非晶钎料和普通钎料的熔化曲线分别如图2(a )和图2(b )所示,从图2(a )可以看出,非晶钎料在19611℃开始发生晶化。

两种钎料熔化结果见表1。

其中t 1代表固相线温度,t 2代表液相线温度,Δt 代表结晶温度区间。

可以看出,和普通钎料相比,非晶钎料熔点低,结晶区间窄,非晶钎料的液相线降低了415℃,熔化温度区间Δt 缩小了315℃。

这主要是由于非晶钎料成分均匀,基本没有偏析,而普通钎料由于冷却过程比较缓慢,成分不均匀,有偏析。

熔点降低这有利于避免母材过烧,提高钎焊质量。

表1　钎料的熔化温度Table 1　Melting point of filler metal 钎料t 1/℃t 2/℃Δt /℃非晶普通597598634196391437194114第61卷　第1期2009年2月 有　色　金　属Nonferrous Metals Vol 161,No 11　　February 2009(a )-快冷钎料;(b )-普通钎料图1　快冷和普通钎料的X 2R ay 衍射Fig 11　X 2ray patterns ofrapid solidification and normal filler metals图2　钎料的DTA 曲线Fig 12　DTA curves of filler metals213　钎料的润湿性以25mm ×25mm ×3mm 的紫铜试片用作润湿性试样,试验前用400#,600#,800#水磨砂纸进行逐级打磨,除去表面的氧化膜,待其表面平整光亮后用丙酮浸泡试片,超声波清洗仪清洗10min 后用电吹风快速吹干。

非晶薄带钎料和普通钎料在做润湿性对比试验时,应准确称量,质量相同,并将薄带钎料剪成6mm ×6mm 的小块叠放,与普通钎料分别摆放于紫铜试片表面。

由于普通与非晶钎料熔点接近,将两种钎料分别在相同钎焊温度680℃,不同保温时间5,10,15,20min 和相同保温时间10min ,不同钎焊温度660,670,680,690℃进行同炉真空钎焊,钎焊时真空度为1×10-2Pa ,温度上下波动不超过±1℃,真空钎焊工艺曲线如图3所示,流布面积用毫米格计算。

润湿性铺展面积结果见图4。

从图4(a )和图4(b )可以看出,无论是普通钎料,还是非晶钎料,都能很好地润湿母材,在同样的钎焊条件下,非晶钎料的润湿性明显优于普通钎料,其铺展面积均随着保温时间的延长而逐渐增大,并在680℃保温20min 时,铺展面积达到最大值。

当保温时间由5min 延长至10min 时,非晶钎料铺展面积由200mm 2增至239mm 2,面积增加1915%,而普通钎料铺展面积由175mm 2增至186mm 2,面积增加613%,非晶钎料铺展面积增幅是普通钎料的三倍。

两种钎料在680℃保温10min 时铺展面积之差达到最大43mm 2。

当保温时间由10min 延长至15min 图3　真空钎焊工艺曲线Fig 13　Curve of vacuum brazing process时,非晶钎料铺展面积由239mm 2增至269mm 2,面积增加1617%,普通钎料铺展面积由186mm 2增至22有　色　金　属 第61卷261mm 2,面积增加4013%,普通钎料铺展面积增幅是普通钎料的214倍,这说明非晶钎料铺展面积快速增加所需的保温时间要比普通钎料短。

当保温时间进一步延长至20min 时,两种钎料铺展面积之差值仅为6mm 2,与其15min 时的铺展面积相比已增加不多,这主要是由于随着钎料的消耗殆尽,过多的延长保温时间对其润湿能力的提高没有多大影响。

造成上述情况的主要原因是由于非晶钎料元素分布均匀,熔化区间窄,自由能高,当加热至熔点以上,在较短的保温时间内,非晶钎料就能同时、均一地熔化和铺展,极易形成前驱膜,因此具有较好的润湿性。

而普通钎料由于元素分布不均匀,存在较大的偏析,组织粗大,各相熔点不一致,当加热至熔点以上,在较短的保温时间内,低熔点共晶相首先熔化,高熔点的先析出相和金属间化合物后熔化,后熔化相阻碍低熔点液相的铺展,钎料在熔化时不易形成前驱膜,导致润湿性下降,要使其完全熔化,只有延长保温时间,增加热输入量普通钎料才行。

因此,只有在较长的保温时间下,普通钎料和非晶钎料润湿性差别才能减小[2-5]。

图4　钎料的铺展面积Fig 14　Spreading area of filler metals 此外从图4(b )还可以看出,普通钎料和非晶钎料其铺展面积都呈现出随钎焊温度升高先增大后减小的趋势,说明两种钎料均存在一个润湿性敏感温度区间。

固体与液体接触时,当体系的吉布斯自由能降低时,可达到润湿。

对一个润湿体系而言,同时存在物理润湿,又存在钎料合金与母材金属元素相互扩散形成金属间化合物的反应润湿。

物理润湿的影响趋势,根据试验结果分析,对于铜及其合金而言(与大多数物质相反),其表面张力随温度的增加而增大,其物理润湿性随温度的升高而降低。

试验中当温度从660℃升至680℃升温范围不大时,虽然物理润湿性降低,但由于温度的升高,钎料与母材的相互作用大大增强,在680℃下,反应润湿起主导作用,使得铺展面积最终呈增大趋势。

当钎焊温度从680℃继续升至690℃时,物理润湿性进一步降低,加上钎料与母材间的相互作用太强,在钎料充分铺展之前,钎料就已经与紫铜基体发生了比较强烈的反应,致使液态钎料的熔点升高,液态钎料的流动降低,润湿性下降。

在非晶钎料钎焊紫铜的润湿体系中,随温度增加而降低的物理润湿与随温度增加而增加的反应润湿共同发挥着作用。

214　钎焊接头的显微组织接头组织试样按照紫铜/钎料/紫铜的顺序叠放进行真空钎焊,试样的制备和钎焊工艺参数与润湿性试验相同,将钎焊好的组织试样沿横截面剖开,制成金相试样,并借助扫描电镜、EPMA -1600进行显微组织观察分析。

图5为非晶钎料在680℃保温15min 的合金元素面分析图。

图5中上下侧为紫铜基体,中间为钎焊界面,从图5可以看出,两种钎料均与紫铜基体界面结合紧密,界面组织良好,无气孔、裂纹,不焊合等焊接缺陷,钎料中的合金元素Ni ,Sn ,P 与紫铜基体之间发生了相互扩散和溶解,其中Sn 元素扩散能力最强,主要分布在钎焊界面的扩散前沿,钎缝中央几乎没有。

Ni 元素虽有小部分扩散至扩散前沿,但其扩散能力比Sn 元素要弱,大部分与P 元素形成了化合物集中分布在钎缝中央。

与Sn 元素和Ni 元素扩散能力相比,P 元素扩散能力最差,几乎全部与Ni 元素和Cu 元素形成化合物集中在钎缝中央。

虽然原始非晶钎料成分均匀,无偏析,但经过真空钎焊后,非晶钎料在钎焊加热及随后的平衡凝固过程中,由于发生扩散,元素重新分布而使钎缝中合金元素的分布变得不均匀。

图6为非晶钎料在钎焊温度为680℃,保温时间分别为5,10,15min 与紫铜进行真32第1期 张　静等:非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能空钎焊的SEM 显微组织图。

从图6可以看出,随着钎焊保温时间的延长,钎料残余层厚度明显变窄,扩散层厚度显著增加,说明钎料与母材间的相互扩散作用增强。

因焊缝两侧的基体材料相同,焊缝两侧的界面反应层为对称结构,故只对一侧进行成分分析,借助EDX 能谱分析仪分析得出的各特性点化学成分如表2所示。

(a )-钎焊接头;(b )-Cu 的面分布;(c )-Ni 的面分布;(d )-Sn 的面分布;(e )-P 的面分布图5　非晶钎料680℃保温15min EPMA 图Fig 15　EPMA of amorphous filler metal (temperature -680℃and heat preservation time 15min )图6　钎焊接头显微组织Fig 16　Microstructure of brazing joints表2　钎焊接头成分分析Table 2　Component analysis of brazing joints 钎焊条件特性点含量/%P Ni Cu Sn 680℃保温5minA 241180125751330124B 21400167911365157C81240156861584162680℃保温10min A 241120118751450126B 31231166871867125C4131-931432126680℃保温15min A 2216441123351920120B 2158-931374105C41520131931132104保温5min 时,接头的显微组织如图6(a ),图中集中在钎缝中央的大块深灰色相A 是脆性相Cu3P ,紧邻深灰色相分布的浅灰色相B 为富Sn 的Cu 基固溶体,不仅塑性好,而且强度高,有利于提高钎焊接头机械性能,弥散分布的黑色相C 为富P 的含有少量Ni ,Sn ,P 合金元素的固溶体,保温10,15min 时的接头组织与保温5min 时接头的组织相比,界面变得犬牙交错,随保温时间延长,母材和钎缝的扩散作用逐渐增强,钎缝中固溶体α含量增加,脆性相Cu 3P 明显减少,有利于提高接头拉伸强度[6-8]。