非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能.pdf

第6 l 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V d ．6 1 ．N o ．1 F e b r u a r y2 009 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 1 ．河西学院机电工程系，甘肃张掖7 3 4 0 0 0 ；2 ．兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 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C u - N i ．S u - P 非晶薄带钎料和普通钎料。将两种钎料在四 种钎焊温度 6 6 0 ．6 7 0 。6 8 0 ，6 9 0 ℃ 和四种保温时间 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 r a i n 下与紫铜进行真空钎焊，借助差热分析 D T A 、x 衍射 X R D 、电子探针分析 E P M A 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4 ．5 ℃，结晶区间缩小3 ．5 ℃，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；C u - N i ．S n - P 薄带钎料；真空钎焊；润湿性；显微组织 中图分类号T G 4 5 4文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 2 1 0 5 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5 0 0 ～8 0 0 ℃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C u 3 P ，导 致钎料在室温呈脆性，因此其应用范围受到了限 制E l i ，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S n 可以显著降低铜磷钎料的 熔点，添加N i 可以增加强度，研究了C u ．N i ．S n ．P 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C u 6 8 ．5 N i l 5 ．7 P 6 ．5 S n 9 ．3 ，普 通晶态钎料是将配好的C u ．P 中间合金，N i 和S n 放 入充有A r 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3 0 m ／s ，高频感应炉中熔 炼，保护气氛中喷带，制得厚度为3 0 t - m ，宽2 0 m m 收稿日期2 0 0 7 0 1 0 8 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 Y S 0 2 1 一A 2 2 0 1 7 作者简介张静 1 9 7 6 一 ，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。 的C u 6 8 ．5 N i l 5 ．7 P 6 ．5 S n 9 ．3 的薄带钎料。 2 钎料的性能分析 2 ．1 钎料的物相分析 快冷与普通钎料的X R D 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 X R D 图1 b 上存在明显的C u l 3 ．7 S n 和C u 3 P 晶体 衍射锐峰。 2 ．2 钎料的熔化特性 将普通和非晶钎料各取2 0 r a g ，在1 0 9 0 型差热 分析仪 D T A 上，以1 0 ℃／r a i n 的加热速率，氩气保 护下从室温加热到7 0 0 ℃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1 9 6 ．1 ℃开始发生晶化。 两种钎料熔化结果见表1 。其中t ，代表固相线温 度，t 2 代表液相线温度，m 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4 ．5 ℃，熔化温度区 间△t 缩小了3 ．5 ℃。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 T a b l e1 M e l t i n gp o i n to ff i l l e rm e t a l 万方数据 有色金属第6 l 卷 量 { 醚 蕊 2 觚。 a 一快冷钎料； b 一普通钎料 图1 快冷和普通钎料的X - R a y 衍射 F i g ．1 X r a yp a t t e r n so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o na n dn o r m a lf i l l e rm e t a l s 1 囊 图2 钎料的D T A 曲线 F i g ．2D T Ac u r v e so ff i l l e rm e t a l s 2 ．3 钎料的润湿性 以2 5 r a m X2 5 m m 3 m m 的紫铜试片用作润湿 性试样，试验前用4 0 0 ，6 0 0 ，8 0 0 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l O m i n 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6 r a m 6 r a m 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6 8 0 ℃，不同保 温时间5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 r a i n 和相同保温时间l O m i n ，不 同钎焊温度6 6 0 ，6 7 0 ，6 8 0 ，6 9 0 ℃进行同炉真空钎 焊，钎焊时真空度为1 1 0 一P a ，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6 8 0 ℃保温2 0 m i n 时，铺展面积达到最大值。当 保温时间由5 m i n 延长至l O m i n 时，非晶钎料铺展面 积由2 0 0 m m 2 增至2 3 9 m m 2 ，面积增加1 9 ．5 ％，而普 通钎料铺展面积由1 7 5 m m 2 增至1 8 6 m m 2 ，面积增加 6 ．3 ％，非晶钎料铺展面积增幅是普通钎料的三倍。 两种钎料在6 8 0 ℃保温l O m i n 时铺展面积之差达到 最大4 3 m m 2 。当保温时间由l O m i n 延长至1 5 m i n 时，非晶钎料铺展面积由2 3 9 m m 2 增至2 6 9 m m 2 ，面 积增加1 6 ．7 ％，普通钎料铺展面积由1 8 6 m m 2 增至 图3 真空钎焊工艺曲线 F i g ．3 C u r v eo fv a c u u mb r a z i n gp r o c e s s 万方数据 第1 期张静等非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能 2 6 1 m m 2 ，面积增加4 0 ．3 ％，普通钎料铺展面积增幅 是普通钎料的2 ．4 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2 0 m i n 时，两种钎料铺展面积之差 值仅为6 r a m 2 ，与其1 5 m i n 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 童 星 基 爨 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 qJ 。 童 匿 肇 钎焊温度，℃ 图4 钎料的铺展面积 F i g ．4S p r e a d i n ga r e ao ff i l l e rm e t a l s 此外从图4 b 还可以看出，普通钎料和非晶钎接头组织试样按照紫铜／钎料／紫铜的顺序叠放 料其铺展面积都呈现出随钎焊温度升高先增大后减进行真空钎焊，试样的制备和钎焊工艺参数与润湿 小的趋势，说明两种钎料均存在一个润湿性敏感温性试验相同，将钎焊好的组织试样沿横截面剖开，制 度区间。固体与液体接触时，当体系的吉布斯自由成金相试样，并借助扫描电镜、E P M A 一1 6 0 0 进行 能降低时，可达到润湿。对一个润湿体系而言，同时显微组织观察分析。图5 为非晶钎料在6 8 0 ℃保温 存在物理润湿，又存在钎料合金与母材金属元素相1 5 m i n 的合金元素面分析图。 互扩散形成金属间化合物的反应润湿。物理润湿的图5 中上下侧为紫铜基体，中间为钎焊界面，从 影响趋势，根据试验结果分析，对于铜及其合金而言图5 可以看出，两种钎料均与紫铜基体界面结合紧 与大多数物质相反 ，其表面张力随温度的增加而密，界面组织良好，无气孔、裂纹，不焊合等焊接缺 增大，其物理润湿性随温度的升高而降低。试验中陷，钎料中的合金元素N i ，S n ，P 与紫铜基体之间发 当温度从6 6 0 ℃升至6 8 0 ℃升温范围不大时，虽然物生了相互扩散和溶解，其中S n 元素扩散能力最强， 理润湿性降低，但由于温度的升高，钎料与母材的相主要分布在钎焊界面的扩散前沿，钎缝中央几乎没 互作用大大增强，在6 8 0 ℃下，反应润湿起主导作有。N i 元素虽有小部分扩散至扩散前沿，但其扩散 用，使得铺展面积最终呈增大趋势。当钎焊温度从能力比s n 元素要弱，大部分与P 元素形成了化合 6 8 0 ℃继续升至6 9 0 ℃时，物理润湿性进一步降低，物集中分布在钎缝中央。与s n 元素和N i 元素扩散 加上钎料与母材间的相互作用太强，在钎料充分铺能力相比，P 元素扩散能力最差，几乎全部与N i 元 展之前，钎料就已经与紫铜基体发生了比较强烈的素和C u 元素形成化合物集中在钎缝中央。虽然原 反应，致使液态钎料的熔点升高，液态钎料的流动降始非晶钎料成分均匀，无偏析，但经过真空钎焊后， 低，润湿性下降。在非晶钎料钎焊紫铜的润湿体系 非晶钎料在钎焊加热及随后的平衡凝固过程中，由 中，随温度增加而降低的物理润湿与随温度增加而于发生扩散，元素重新分布而使钎缝中合金元素的 增加的反应润湿共同发挥着作用。 分布变得不均匀。图6 为非晶钎料在钎焊温度为 2 ．4 钎焊接头的显微组织 6 8 0 ℃，保温时间分别为5 ，1 0 ，1 5 m i n 与紫铜进行真 万方数据 有色金属 第6 1 卷 空钎焊的S E M 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j 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E D X 能谱分析仪分析得出的各特性点化学 成分如表2 所示。 a 一钎焊接头； b 一c u 的面分布； c 一N i 的面分布； d 一S n 的面分布； e 一P 的面分布 图5 非晶钎料6 8 0 ℃保温1 5 m i nE P M A 图 F i g ．5E P M Ao fa m o r p h o u sf i l l e rm e t a l t e m p e r a t u r e 一6 8 0 ℃a n dh e a tp r e s e r v a t i o nt i m e1 5 m i n 图6 钎焊接头显微组织 F i g ．6 M i c r o s t r u c t u r eo fb r a z i n gj o i n t s 表2 钎焊接头成分分析 T a b l e2 C o m p o n e n ta n a l y s i so fb r a z i n gj o i n t s 保温5 r a i n 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 C u 3 P ，紧邻深灰色相分布的浅灰色相B 为富S n 的 C u 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 参考文献 含有少量N i ，S n ，P 合金元素的固溶体，保温1 0 ， 1 5 m i n 时的接头组织与保温5 m i n 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a 含量增加， 脆性相C u 3 P 明显减少，有利于提高接头拉伸强 度[ 6 ‘8 l 。 3结论 由于非晶C u ．N i ．S n ．P 钎料成分均匀无偏析，非 晶钎料的熔点比普通钎料低约4 ．5 ℃，结晶区间缩 小3 ．5 ℃。相同的工艺条件下，非晶钎料的润湿性 优于普通钎料，快冷与普通钎料在钎焊温度6 8 0 ℃ 保温2 0 m i n 时，润湿性最好，并且均存在一个润湿性 敏感温度区间。非晶C u ．N i ．S n ．P 钎料的钎焊过程 中，随保温时间延长，扩散深度增加，非晶钎料与母 的相互扩散和冶金作用逐渐增强，在基体深度方向 表现为沿晶界优先渗透 [ 1 ] 张启运，庄鸿寿．钎焊手册[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 8 1 3 ． [ 21C H A NHY ，L I A WDW 。S H I U ERK ．T h em i c r ∞t r u c t u r a lo b s e r v a t i o no fb r a z i n gT i ．6 A 1 ．4 Va n dT Z Mu s i n gt h eB A g 一8 b r a z ea h o y [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fR e f r a c t o r yM a t e r i a l s H a r dM a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，2 2 1 2 7 3 3 ． 万方数据 第1 期张静等非晶态铜磷钎料真空钎焊紫铜的性能 [ 3 ] S H I U ERK ，w uSK ，C H A NCH ．T h ei n t e r r a c i a lr e a c t i o n so fi n f r a r e db r a z i n gC ua n dT iw ／t ht w os i l v e r - b a s e db r a z ea l l o y s [ J ] ．J o u r m lo fA l l o y sa n dC o m p o u n d S2 0 0 4 ，3 7 2 1 4 8 1 5 7 ． [ 4 ] C o r a l i eV a l e t t e ，M a r i e F r a n c i s eD e 、，i s m m ，R a y i s aV o y t o v y e h ，e ta 1 ．I n t e r r a c i a lr e a c t i o n si na l u m i n a ／C u A g T ib r a z e ／C u N is y s t e m [ J ] ．S c r i p t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 5 ，5 2 l 一6 ． [ 5 ] 俞伟元，陈学定，路文江．快速凝固～．s i ．c u 基钎料的性能[ J ] ．焊接学报，2 0 0 4 ，2 5 2 6 9 一q 2 ． [ 6 ] 虞觉奇，易文质，陈邦迪，等．二元合金状态图集[ M ] ．上海上海科学技术出版社，1 9 8 3 3 4 1 ． [ 7 ] 李建国，李权．非晶态铜基钎料钎焊紫铜的工艺研究[ J ] ．内蒙古工业大学学报，2 0 0 4 ，2 3 2 1 4 2 1 4 5 ． [ 8 ] 路文江，金彦峰，俞伟元，等．快速凝固A I - C u 钎料钎焊铝C u 对钎缝组织的影响[ J ] ．兰州理工大学学报。2 0 0 5 ，3 1 2 9 1 2 ． C h a r a c t e r i s t i c so fA m o r p h o u sB r a z i n gR i b b o no fC u - PB a s e dA l l o y Z ／- L A N GJ i n 9 1 ，L UW e n - j i a n 9 2 ，Y UW e i - y u a n 2 1 ．D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a l ，H e ．z iU n i v e r s i t y ，Z h a n g y e7 3 4 0 0 0 ，C , a n s u ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb r a z i n gr i b b o n sa n dt h ea s - c a s tf i l l e rm e t a lo fC u 6 8 ．5 N i l 5 ．7 P 6 ．5 S n 9 ．3w i t h8 8 m ec o m p o s i t i o na r e p r e p a r e db ym e a n so fr a p i ds o l i d i f i c a t i o na n do r d i n a r yc a s t i n gm e t h o d ，r e s p e c t i v e l y ．T w ok i n d so ff i l l e rm e t a l s a r eb r a z e dw i t hc o p p e rb yv a c u u mb r a z i n gu n d e r6 6 0 ，6 7 0 ，6 8 0 ，6 9 0 ℃a n dt h eh o l d i n gt i m ei s5 ，1 0 ，1 5 ， 2 0 m i n ．T h ed i f f e r e n c e so fm e l t i n gp o i n t ，w e t t a b i l i t ya n dm i c r o s t r u c t u r eb e t w e e nt h et w of i l l e rm e t a l sa r es t u d 一 ／e dw i t hD T A ，X R Da n dE P M A ．I ti ss h o w nt h a tt h em e l t i n gp o i n to fa m o r p h o u sr i b b o n si sl o w e rt h a no r d i n a r y f i l l e rm e t a lb y4 ．5 ℃a n di t sw i d t ho fc r y s t a l l i z i n gi sd i m i n i s h e db y3 ．5 ℃．T h ew e t t a b i l i t yo fa m o r p h o u sf i l l e r m e t a la r eb e t t e rt h a nt h a tt h eo r d i n a r yf i l l e rm e t a l ．T h em e t a l l u r g yc o m b i n a t i o no ff i l l e rm e t a lw i t ht h eb a s e m e t a li si n c r e a s e db yu s i n gt h ea m o r p h o u sf i l l e rm e t a l ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；C u N i S n - Pb r a z i n gr i b b o n s ；v a c u u mb r a z i n g ；w e t t a b i l i t y ；m i c r o s t r u c t u r e 万方数据