非晶钎料及其应用

1、非晶钎料及其应用 1.非晶及发展历程2.非晶钎料的优点3.非晶钎料的制备4.非晶钎料的种类及应用5.非晶钎料的研究举例6.非晶钎料的前景展望非晶：非晶态又称玻璃态，是具有短程有序而长程无序的结构特征的固体。由于长程无序而使其内能并不处于最低状态，非晶态固体是属于亚稳相，向晶态转化时会放出能量。非晶合金 的优点：1，强度高；2，比强度高；3，弹性好； 4，磁损 耗小；5，耐腐蚀缺点：1，脆性大，拉伸塑性几乎为0，难进行二次加工。 2，非晶合金尺寸有限，超过临界尺寸就很难保持 非晶结构。 3，成本高，通常非晶合金需加入大量的合金元素以形成非晶结构。 4，性能不稳定，超过某一温度即会发生晶化。1.非

2、晶及发展历程非晶发展历程：1934年，德国人Kramer1采用蒸化沉积的方法首次成功获得了非晶态薄膜；1950年，Brenner等用电化学沉积法制备Ni-P非晶薄膜；1960年，Duwez等用快速凝固的方法在Au-Si合金系中成功制备出Au70Si30非晶合金薄膜2；1969年，庞德和马丁关于用轧辊法制备一定连续长度条带技术的发表是制备非晶合金的决定性发展3；20世纪90年代以来，由于发现了具有很强的非晶形成能力的合金系，使得一般的工艺方法可获得三维尺寸在毫米量级的大块非晶合金。1.非晶及发展历程1.钎缝组织和成分均匀 由于非晶态钎料是从液态合金快速冷却而成 ,其化学成分保持液态时的均匀性 ,

3、既无晶粒 ,又无共晶相析出 ,熔化均匀 ,合金中不存在粗大的化合物相 ,因此合金组织单一细化 4。2.材质纯净 ,能显著地提 高钎焊接头的质量 非晶态钎料杂质含量少 ,纯度高。另外 ,非晶态钎料的制取无需经过锻、轧、拉和拔等过程 ,因此不受加工氧化和润滑剂的污染。3.使用方便，成分可调整性高 非晶钎料虽然含有Si、B、P等脆性化合物元素，但由于成分均匀，组织细化，无粗大脆化相，而制成的钎料箔具有较好的柔韧性，可根据钎接件的实际需要，预制成一定形状，准确地置于钎焊接头的间隙中，减少钎料浪费，降低成本；并可方便的调整合金的成分，得到各种成分的非晶态钎料。2.非晶钎料的优点 4.浸润性 、流动性好

4、非晶态钎料比晶态钎料的润湿性能好 ,是因为非晶态钎料在加热过程中几乎是同时、均一地熔化和铺展 。另外 ,由于非晶型结构是不稳定的 ,在接近熔化时有析出晶体的倾向,故在熔化瞬间会放出大量的热 ,有利于加剧钎料中元素扩散 ,从而提高钎料的润湿能力。5.钎接间隙进一 步减 小 镍基非晶态钎料箔则可以做得很薄 ,置于钎缝内,从而保证钎缝的小间隙。6.钎焊后接头的衬热温度不降低 由于非晶型箔一旦熔化再冷凝时仍将生成通常的合金结晶结构 ,因此 ,钎接层不会像非晶型箔那样 ,在较低温度下熔化。由此可见 ,非晶型金属箔对于高温钎焊 ,特别是对于高温合金、陶瓷的钎焊具有重要的意义。2.非晶钎料的优点 非晶焊接材

5、料 目前主要以箔状应用为主 ,故快速凝固法是制备非晶焊接材料的主要方法。实用的制备方法主要有以下几种：1.单辊法53.非晶钎料的制备图1单辊急冷法制备非晶态合金示意图 要获得两表面均匀一致的非晶态合金条带,关键在于如何控制好喷射带的厚度.在单辊法中,影响厚度的因素主要有: 辊轮的线速度、 喷射压力、 喷嘴缝隙宽度、 喷嘴至辊面的间距和喷铸时合金的温度等。2.双辊法63.非晶钎料的制备图2 双辊法示意图 熔体下落时，正好流入两辊之间，冷凝成薄带。由于凝固时热量可以由两个辊轮传导，所以冷速要比单辊法的高，冷却速度105K/s。其不足之处是冷凝过程中薄带会受到两个辊面的挤压产生形变和残余应力，而且设

6、备和操作工艺都较单辊法复杂。 目前常用焊接钎料主要有：镍基、铜基和低温非晶钎料。1.镍基钎料 镍基非晶钎料是一种很有发展前景的钎料，可用于航空、航天、原子能和机械等许多领域的各种高温合金、高合金钢、不锈钢和高温结构陶瓷的钎焊。2.铜基钎料 铜基非晶钎料成分均匀，箔带柔韧可以制成所需要的形状，而且熔点低、流动性好，可以替代银基钎料用于焊接铜和铜合金、银和银合金及各种接头材料的钎焊。3.低温非晶态钎料 低温非晶态钎料主要应用于电子产业、印刷电路和半导体器件中心和底座的焊接。4.非晶钎料的种类及应用1.Ti40Zr25Ni15Cu20钎焊Si3N41.1实验7 采用热压复合Si3N4陶瓷，尺寸16m

7、mX16mmX8mm,非晶钎料的厚度为（200.5）mm，连接前将陶瓷表面用粒度3.5m的金刚石研磨膏研磨，非晶箔带用800#金相砂纸磨平。上述材料均在丙酮溶液中分别进行超声波清洗20min,取出吹干，并按Si3N4/钎料/Si3N4的顺序装配与钎焊夹具中，放入真空炉进行钎焊。连接过程中真空度不低于2X10-2Pa，升温速率为10oC/min,连接后以5oC/min的冷却速度降至800oC，最后随炉冷至室温。5.非晶钎料的研究举例1.2 实验结果与分析5.非晶钎料的研究举例Fig.1. SEM images of joint interface brazed at 1223K (a)and 1

8、323K(b)for 30 min 从图1可以看出相同时间下，温度越高，反应层的厚度越大。5.非晶钎料的研究举例Fig.2. Dependence of brazing temperature on joint strengthFig.3. Dependence of brazing time on joint strength图2和图3反应了焊接接头强度随温度和时间的变化关系。从图中可以看出焊接接头的强度随温度的升高先上升后下降，在1323k时强度达到最大值，焊接接头强度随时间的关系也是先上升后下降，在1323K，保温120min时，焊接接头的强度达最大值160MPa。5.非晶钎料的研究举例

9、Fig.4. Comparison of strength of joints brazed with amorphous Ti40Zr25Ni15Cu20 fill and with Ti40Zr25Ni15Cu20 crystalline filler 图4为非晶态Ti40Zr25Ni15Cu20与晶态Ti40Zr25Ni15Cu20钎料焊接接头强度的比较，可以看出利用非晶态钎料焊接接头强度明显高于晶态钎料的焊接接头强度。1.3结论(1)非晶态焊接接头的强度与焊接时间和焊接温度有关，可以选择焊接时间和温度，得到理想的焊接接头强度。(2)与晶态钎料相比，非晶态钎料具有更高的焊接接头强度。5.

10、非晶钎料的研究举例2.Pd基非晶钎料焊接Cu2.1 实验8焊接试样如图5所示：5.非晶钎料的研究举例Fig.5. Photograph of brazed specimen如图所示，两端柱状Cu的直径为6mm,焊接部位的直径为5mm,厚度1.5mm，在1X10-3Pa压强，873K温度下焊接一分钟，然后吹入He以30K/s的速度冷却。然后在1X10-4/s应变速率下测试拉应力。利用K放射源进行XRD衍射。 2.2 结果与讨论5.非晶钎料的研究举例Fig.6. Mirco-focused X-ray diffraction patterns of cross section of the bas

11、e material （b）Cu/Pd43Cu30Ni10P20 interface and (c) center of Pd40Cu30Ni10P20 filler.从图6可以看出Pd40Cu3 0Ni10P20钎料在2=42o 时有个宽阔的峰值，这是非晶的明显特征。而Cu在(111)和（200）面分别出现尖锐的峰值，这是晶体 的 显 著 特 征 ， 在Cu/Pd40Cu30Ni10P20的界面可以同时观察到Cu的波峰，但没有出现反应层的衍射图样。5.非晶钎料的研究举例Fig.7. Microstructure of Cu/Pu40Cu30Ni10P20 interface 5.非晶钎料的研

12、究举例Fig.8. Elemental analysis of the Cu/Pd40Cu30Ni10P20 interface图8.为Cu/Pd40Cu30Ni10P20界面的元素分析，可以看出填料的成分与钎焊的基本相同，但是由于由于钎焊过程的溶析作用，80%的Cu在树状晶中，这是因为在Pd-Cu-Ni-P合金中，非晶的形成能力显著下降。因此，在淬火过程中，在Cu/Pd40Cu30Ni10P20界面出现树状晶。5.非晶钎料的研究举例Fig.9. True tensile fracture strength as a function of the void ratio 5.非晶钎料的研究举例

13、Fig.10. Fracture surface of the brazed specimens.Void area ratios of (a）and (b)are 0 and 10%,respectively 可以看出断裂强度250Mpa的断面呈现部分的纹理图案，这是非晶所特有的结构，而断裂强度低于100Mpa的断面显现河流类型，是明显的脆性物质。2.3 结论1.用Pd40Cu30Ni10P20可以钎焊Cu，通过XRD发现焊接接头呈现非晶态。2.焊接接头的拉伸断裂强度与空洞的面积比有关，但空洞面积比小时，强度高，断面表现纹理结构，空洞面积比大时，强度低，断面变现为河流类型。5.非晶钎料的研究

14、举例 由于非晶钎料采用极冷技术制备，可以做成很薄的箔带，有利于扩散后接头成分。组织均匀化，在成分与熔点方面，非晶态材料的成分很均匀，在一恒定的焊接温度下，能被全部或部分熔化，箔带面积小，因而氧化物少，有利于焊接接头性能的提高。今年来用作扩散焊或瞬间液相连接的中间层，有取代以粉末、电镀、喷涂等方式预制中间层的趋势。 此外，非晶在连接陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属钎焊领域一个重要的研究方向，具有广阔的前景9。6.非晶钎料的前景展望1 Kramer J.Annln,1934,(19):372 章熙康.非晶态材料及其应用M.北京：科学技术出版社，19873LuborskyF E.非晶态金属合金M.北京：冶金工业出版社，19894张新平 史耀武 任耀文 镍基非晶态及晶态钎料真空钎工艺性能的比较 J ,焊接学报 , 1996,4(17):2055路文江 余伟元 非晶态合金钎料的制备，甘肃工业大学学报，jun.19976 曹金山 Al-Si-Cu-Sn-Zn多元铝基钎料的制备及研究7jiashengzhou.Brazing of Si3N4 with am