熔体过热对Sn-Cu焊料合金焊接性响探索.doc

毕业设计（论文）材料之二（1） 安徽工程大学机电学院本科毕业设计（论文）专 业： 材料成型及控制工程 题 目： 熔体过热对Sn-Cu焊料合金焊接性响探索作 者 姓 名： 导师及职称： 博 士 导师所在单位： 学 院 年 月 日 熔体过热对Sn-Cu焊料合金焊接性能影响探索摘 要本文以Sn-Cu作为研究对象，从温度诱导熔体结构转变的角度出发，通过改变制备温度来探索熔体结构和性质的变化规律，从而探索熔体结构对无铅焊料凝固组织及润湿性的影响规律以及焊料力学性能的变化规律。其主要内容及结论归纳如下：1通过探索Sn-Cu合金的电阻率-温度行为和电阻率-时间行为，发现随温度的上升，在-T曲线上出现不同特征和规律的异常转折。说明发生了温度诱导熔体结构转变。2通过凝固实验发现，经过高温不可逆熔体转变后凝固制备的焊料组织显著细化，其中化合物相形态由粗片状变为均匀分布的细小颗粒。这可能是由于熔体中类固团簇尺寸变小且更为均匀，致使形核过冷度增大、形核率激增，晶粒数增多。3借助铺展实验发现，经过不可逆熔体结构转变制备的焊料的润湿性能更好，表现在铺展面积更加，润湿角更小，焊接接头过渡层更薄。这可能是由于该焊料熔化速率快、熔滴粘度小有利于焊料在铜基板上铺展，同时熔体中细小类固团簇结构不利于反应层生长，因而过渡层生长缓慢且其界面相对平整。同时，焊料的力学性能也得到了提高。本文从熔体结构和性质变化的新视角探寻新型无铅焊料制备工艺，这是一条新颖的技术路线，具有明显的创新特色。关键词：熔体结构；凝固组织；润湿性Melt overheating on the Sn-Cu solder alloy welding Exploration PropertiesAs the breakthrough point, In this paper, as the research object Sn-Cu structure with solidification structure and wettability.The contents and result are shown as follows: First Temperature and time dependence of electrical resistivities of liquid base of Sn lead-free alloys with different components was surveyed by the resistivity experiments. Different characteristics and patterns of abnormal changes along with various alloys were found on -T curves. The result come about structural transition in alloy melts by temperature.Second. Refined eutectic solidification structure might result from irreversible post-transition melt. This might be due to smaller clusters hindering nucleation in the melt, resulting in lower super cooling degree and higher nucleation rate.Third. The solder obtained from irreversible structural transition melt had more advantage in wet ability, the spreading area of the solder alloy have improved, the wetting angle have decreased and the alloy welding joint interface layer more thinner. These advantages might be owing to that faster melting, lower melt viscosity of new solder that favorable for spreading, and smaller size of the clusters lead to slower growth of compound layer. At the same time. The capabilities of mechanics of the solder have improved.Persecution from melt structure to explore a new preparation process of lead-free solder is obvious technological innovation.Key Words: Melt structure; Solidification structure; Twistability目 录 引言第1章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.2 液态金属结构理论描述 1.3 压力诱导液-液结构转变的研究 1.3.1 压力诱导液-液结构转变的研究 1.3.2 温度诱导液-液结构转变的研究 1.4 焊料合金化 1.5 熔体过热处理的研究状况及其应用 1.5.1 熔体过热处理对熔体结构及凝固组织的影响1.5.2 熔体过热处理对 Cu 基合金的影响 1.6 论文内容第2章 铝合金无铅焊料研究及制备2.1 铝合金钎剂 2.1.1 钎剂组分的作用 2.1.2 氯化物基铝用硬钎剂 2.2 钎料合金系选择 2.2.1 铜的合金化作用 2.2.2 钎料选取原则 2.3 钎料的合金熔炼 2.3.1 玻璃包覆法 2.3.2 坩埚浇注法 2.4 实验研究内容及方法 2.4.1 电阻率实验 2.4.2 过热处理 2.4.3 晶相组织观察 2.4.4 润湿性实验 2.4.5 接头组织分析 2.5 本章小结第3章 合金试样性能评价 3.1 电阻率实验 3.2 过热处理 3.3 晶相组织观察 3.4 润湿性实验 3.5 接头组织分析3.6 本章小结结论与展望致谢参考文献引 言 本文主要以Sn-5Cu作为研究对象，对其的导电性、过热处理晶相组织观察、润湿角以及街头组织性能进行分析。本次实验所选用的试样是通过玻璃包覆法、坩埚浇注法进行制备的，并在实验过程中这两种方法的优缺点进行了详细的分析。这两种实验方法都是建立在金属的液态理论基础上进行研究与分析的。目前大部分的材料制备都以液态为母相，例如：冶炼金属、化工制品、晶体生长、制造玻璃等等。通过研究液态不仅能能够了解物质的基本物态，而且与材料制备机理、获取物相，控制质量和成分，改进工艺等都有着直接的关系。那么对于液态金属，在宏观性质上的润湿能力、粘度、表面张力、热导率、比热、磁性能以及结晶潜热，或是影响到熔炼、焊接、铸造时的工艺效果，或是影响到产品的质量。本文希望通过在实验室的研究，对锡基合金有个初步的认识，并对自己在大学期间所学到的金属液态理论有个实践性的了解。随着现代工业的发展，人们也更注重免清洗无铅焊料的开发和应用，这关系到电子、电器产品和汽车产品的焊接后续处理，直接影响到产品的性能和能耗，也是降低生产成本的有效途径。从熔体结构转变这一新的研究角度来探索无铅焊料制备工艺的改进和创新，为新型焊料的研发提供科学与技术依据。第1章 绪 论1.1 课题研究背景及意义本文所研究的Sn-5Cu，具有高的机械强度和硬度，良好的铸造性能和加工性能，抗腐蚀，很好的承载性能，适当的导电率和易于焊接等特性。本文以铜錫合金为研究对象，内容包括：第一，采用合金熔体的电阻率随温度变化的行为规律和示差扫描量热法来揭示熔体状态与温度的关系；第二，通过凝固实验，对熔体结构转变对合金凝固组织及行为的影响进行了研究；第三，通过焊料对铜基板的施焊，探索了不同熔体状态（熔体结构转变前后）制备出的焊料的润湿性能及焊接接头组织的规律以及焊料本身的力学能力变化规律。 图1-1市场上的Sn基合金 图1-1所示的就是市场上常用的铜锡合金，现在被广泛用作同海水、锅炉给水以及与无机酸接触的阀门和配件；用作齿轮和滑动轴承。1.2液态金属结构理论描述自然界中广泛的存在作为物质形态之一的液态。通常认为，液体的定义为有一定体积为自由状态、且不具有永远保持自身形状作用力的凝聚物质。由于液体结构的不确定性和不稳定性使研究者很难用模型来表述，此外也很难找到理想的描述方法来表述液体的原子组态。在多年来的理论研究和实验研究的基础上，人们越来越深入的认识液态金属结构，并形成了很多相同的理论：金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的。原子集团由数量不等的原子组成、其大小为10-10m数量级，在此范围内仍具有一定的规律性，称为“近程有序”。原子集团间的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离原子。这样的结构不是静止的，而是处于瞬息万变的状态，即原子集团、空穴或裂纹的大小、形态及分布及热运动的状态处于无时无刻在变化的状态。液态中存在着很大的能量起伏。其中温度越高，原子集团尺寸就越小，游离原子的“游动”越快。相对于纯金属的液态结构，液态合金的结构是及其复杂的，熔体中不仅存在着大量的空穴、原子团和能量起伏，还存在着浓度起伏。但是研究者并不满足于目前对液体结构的认识，在前人的基础上继续通过理论与实验等各种途径探索液态结构的物理本质，特别是在液体随其状态参数（压力和温度）变化的规律上取得崭新的认识。1.3液-液结构转变的研究1.3.1压力诱导液-液结构转变的研究一般都认为，在熔点与液-气临界点之间物质的结构和性质会随温度和压力的变化而逐步连续地变化着，而且在合金相图中液相线以上一般只有单一的液相区存在(一些有液-液相分离的合金除外)。然而在最近的几年里，陆续出现的理论解释和实验数据显示，在高压（或深过冷）条件下一些单元系液体会发生压力诱导液液结构转变，在研究液态结构方面取得了卓越的进步。在压力诱导液液结构转变的理论研究上率先取得了突破。Mites等人在1985年根据液态物质中存在局域有序结构的现象和固态多晶型结构转变理论，推测有压力诱导液液结构转变的发生的可能性，并且从热力学的范畴给予了理论上证明。Poole在1997年的科学杂志上发表论文，分析认为，低压下的并具有开放型配位的分子结构液态物质在过冷条件下容易发生压力诱导液液结构转变，例如局域呈四面体分子的单组元液体：SiO2、Si 、GeO2、Ge、H2O及C。之后因为实验方法和手段得到不断的发展和更新，在研究液体结构方面也有了更加广泛的开展。Katayama等在2000年运用S-Poring第三代同步辐射装置对液态P作了详细的高压XRD实验。于P=1GPa左右在极小的压力差范围内(0.02GPa)发现其结构在几分钟后就出现了异常的变化，液态P密度由2.0g/cm3转变成2.8g/cm3，并且该结构转变是可逆的。立刻这个研究项目就引起科学界高度重视，McMillan在自然杂志上发表论文对这一研究结果给予了极高的评价：首次为压力诱导型非连续液-液结构转变提供了直接的实验依据，表明人类有必要对液体结构连续变化的观念重新认识。1.3.2温度诱导液-液结构转变的研究因为物质状态与压力、温度都成函数关系，在前面叙述中得知压力能够诱导液体结构转变，那么温度的变化对液体结构的影响又会怎样呢？近些来，国内外的一些研究结果表明，当温度的上升至液相线以上几百度的温度范围内，温度也会诱导液-液结构的非连续转变。与压力诱导的液-液结构转变研究相比来说，温度诱导金属及其合金液-液结构转变的研究内容和方法更加丰富。到21世纪，在研究液态结构时就开始应用内耗技术。热分析法（DSC、 DTA）、内耗技术、液体状态XRD等方法的实验研究显示，一些合金熔体在高于液相线几百度范围内会发生温度诱导液-液结构非连续转变，例如Pb-Bi、In-Sn 、In-Bi、Pb-Sn等合金 12-15。Sn-20In合金溶液的衍射结果说明，在液-液结构转变过程中原子间距r1和配位数N1会发生不连续的突变，并且在转变的后期其原子团簇原子数Nc、团簇半径Rc及有序度突然减小16。Sn-80In的偶熵随着温度的上升也出现了不连续的变化17。在后来的研究中运用电阻法考察了这些二元合金的电阻率温度的变化关系，结果发现这些合金在电阻率温度曲线上都发生了突变。这些研究结果充分说明液态合金在高出液相线的几个百度温度范围内会出现温度诱导液液结构转变。适当添加一些图、表更有说服力文献22-25采用了XANE和EXAFS技术、电阻法、分子动力学模拟等对In-Sb和Ga-Sb的电子结构和原子结构进行了研究，研究结果显示合金融化过程中打破坏了In-Sb和Ga-Sb的大部分网状共价结构，但是还有一些类似晶态的共价键仍然存在于液态中。研究者认为电子传输特性的特殊变化来自于在熔点以上的液态中随温度上升进一步出现的结构变化。文献26-28运用理论计算和粘度等手段对Sn-Bi、Bi-Sb、Al-Cu等合金的温度诱导液-液结构转变进行了研究。文献29-31也采用了不同的计算方式和实验方法对液态纯Al、纯Sn、Al-Si、In-Sn等进行了结构随温度的变化的研究，研究发现在高温范围内纯金属也可能发生液态结构变化。压力和温度诱导液-液结构转变被人们发现，对液态金属及合金的本质认识具有重大意义。与此同时此外，把握好结构转变熔体的热历史规律对新型材料的研发将具有重要的指导意义。1.4液态合金的热历史对凝固组织及性能影响的有关研究在从液态到固态的转变过程中，金属或合金熔体的结构及性质对金属材料的组织和性能有着直接和重要的影响32-34。对此国内外研究者通过大量的探索和研究取得了显著的成果。上个世纪初期，前苏联的材料研究者就提出了凝固组织的遗传性，之后更多的研究者和铸造行业的工作者都发现许多合金的熔体与其凝固组织间存在着某些关联。二十世纪90年代，研究者对熔体热历史对凝固组织的影响的认识更为广泛，并总结为大体的三类：熔体热处理、熔体过热及热速处理。首先Johnson等人对熔体热处理(过热熔体和非过热熔体混合浇注)对凝固组织的影响进行了研究，结果显示在没有任何细化剂添加的情况下经过熔体热处理后的晶粒变细。之后，研究者又探索了亚共晶以及过共晶Al-Si合金等，发现熔体热处理不但能够将亚共晶Al-Si合金的a-Al固溶体及共晶Al-Si合金的初晶硅细化，还能够改善合金及其金属间化合物的形态。探索了熔体热处理的不同温度熔体的温度、保温时间及混合方法等对组织细化程度及性能的影响规律。与此同时，研究者对通过熔体过热改变熔体结构进而改善凝固组织进行了探索。从非平衡热力学角度来说，一个热力学定态与压力和温度成函数关系。体系在定态转变过程中需要一定的弛豫时间。当系统驰豫时间小于过程进行时间，就认为过程为整体平衡的；当过程进行时间小于系统驰豫时间但大于局域过程的驰豫时间的平方，认为过程是局域平衡；当局域过程驰豫时间的平方大于过程进行时间，认为过程为完全非平衡的。熔体过热本质上就是在该理论的基础上，将液态合金过热至某一高温并保温至稳态后对冷却速度(过程进行时间)进行控制，将高温下熔体的优良结构保留至低温或常温，为改善凝固组织创造条件。文献探索了Al-Si合金熔体在加热和冷却过程中物性变化规律并研究了初生硅的平均尺寸与熔体过热温度之间的关系，将熔体过热至高温时，熔体组织中不均匀结构逐渐分离变小，当过热温度高于1050时，熔体组织中不均匀结构尺寸达到1-10nm，表明熔体结构非常接近均匀状态，此时基本可以消除原固态组织对重熔凝固组织的影响。文献41通过对Ag-Cu合金熔体的过热处理后不同生长速率时平界面的结晶位向的研究，结果显示表明熔体高温会导致平界面单晶的位向产生分支，这一现象表明了团簇状态在母相中的分布对结晶取向具有重要作用。文献42通过对Al-7Si-0.50Mg合金熔体过热，研究发现凝固组织得到细化和力学性能得到提高。文献探索了熔体过热历史对Al-Fe合金快凝组织的影响，认为熔体中存在着可逆和不可逆的液相原子和类固型团簇的不均匀现象。我国科研者在熔体处理方面也做了大量工作，并取得了众多的科研成果。成果之一的是我国研究者提出了热速处理(熔体过热后快速冷却至浇注温度再浇注)工艺方法。首先他们通过对热速处理对共晶及亚共晶Al-Cu、Al-Si和Pb-Sb合金凝固组织的影响的研究，研究显示不但其凝固组织得以细化，而且宏观及微观偏析明显降低。现在已经有利用XRD对Al-13Si合金熔体的结构参数随过热温度的关系，更深层次的探讨了热速处理的作用机理。最近几年，我国研究者还对熔体热历史对Al-Cu、Sb-Bi及Ni基高温合金界面稳定性的影响规律进行了探索，结果表面过热处理温度越高，k对平衡溶质分配系数k0的偏离越大，界面越稳定；但是随着过热处理温度的继续提高，导致熔体结晶的热力学过冷度明显增大时，反而降低了液固界面稳定性。上述研究表明了某些相关性存在于凝固组织及行为与熔体结构之间，液态微观结构及其性质的变化对凝固组织及行为有着显著的影响。同时这一发现对材料的制备和性能的提升具有重要意义，为熔体过热处理工艺的发展提供了新的途径。1.5 熔体过热处理的研究状况及其应用1.5.1. 熔体过热处理对熔体结构及凝固组织的影响研究熔体结构的主要途径有: (1)采用 X射线衍射、 中子射线衍射方法进行熔体结构测试; (2)熔体物性测量 ,一般包括粘度、 电阻率、 表面张力等; (3)计算机模拟 ,如采用分子动力学模型 ,对液态金属粒子(原子)的分布状态进行演算 ,获得结构参数信息。国外通过对熔体过热的研究发现金属熔体加热到某一高温会出现结构突变。国外有抓家认为 ,当合金熔化接近液相线温度时 ,熔体呈现显微分层现象。这种显微分层可视为亚稳定乳化或一种组元富集的胶状悬浮粒子。这种胶状粒子只有过热到液相线温度之上一定温度时才发生不可逆性的破坏。国外的专家分别对铁基合金做了大量的差热分析及 X射线衍射分析 ,实验结果表明 ,熔体过热处理过程中 ,合金的粘度、 磁感应强度、 表面张力及电阻率有突变现象 ,证明熔体结构发生了变化。桂忠楼也发现某牌号镍基高温合金熔体加热时电阻率急剧增大 ,也证实熔体结构发生了变化。除了试验研究外 ,一些学者还通过热力学计算和计算机数值模拟的方法 ,分别从热力学和分子物理学的角度出发 ,探讨了熔体过热对熔体结构的影响 ,证明低温熔体中含有许多短程有序原子基团 ,高温过热熔体呈现一种无序状态。关于熔体过热温度对凝固组织的影响有两种不同的理解 ,一种观点认为在熔体温度较低的条件下 ,熔体结构仍将保持与固相结构相类似的特点。当升高到一定温度时 ,熔体转变成为无序状态。同时当降温冷却时 ,这种反向转变进行得相当缓慢 ,当熔体从高温开始降温凝固时 ,这种无序的高温熔体结构就容易保持到固态结构中。另一种观点从热力学角度出发 ,认为熔体过热使组织细化是自发结晶的结果。这种观点认为熔体是由多相态组成 ,特别是在液相线温度附近 ,当熔体温度较低时 ,熔体中存在许多可以形核的多相组织质点。随熔体过热程度的增大 ,会导致可以作为结晶质点的多相组织的溶解和活性降低 ,熔体逐渐变得均匀化。因此 ,作为结晶质点的多相组织在少量过热条件下 ,结晶核心数量的减少导致熔体凝固后晶粒尺寸的增大;当熔体温度过热到某一特定温度后 ,熔体热力学过冷度的增大将导致自发结晶使熔体凝固后晶粒得到细化。1.5.2 熔体过热处理对 Cu 基合金的影响铜基形状记忆合金价格低廉、 形状记忆特性良好 ,有较好的应用潜力 ,但该类合金铸造组织易粗化 ,使其抗疲劳性能大幅降低。西北工业大学探索了通过熔体过热处理实现实际铸造条件下该类合金晶粒细化的可能性。一些实验结果表明对 Cu2Al2Ni形状记忆合金进行合适的熔体过热处理可使该类合金宏观组织由以柱状晶为主变为以等轴晶为主 ,且晶粒尺寸大大细化 ,其晶粒细化效果与添加含钛(锆)孕育剂相近 ,为无添加剂细化合金宏观组织开辟了新途径。另外 ,国外的一些学者对铜基合金的研究表明 ,熔体过热温度和过热时间对合金的过冷度都有重要的影响 ,当过热温度低于 40 ,过热时间少于 600s 时 ,过热处理对合金的过冷度没有明显的影响 ,超过此条件时 ,过冷度与过热温度和过热时间呈线性关系。此外 ,他还指出 ,过热处理的循环次数也会对过冷度产生一定的影响。1.6论文内容课题以铜錫合金为研究，通过对合金熔体在结构转变温度前后的不同过热处理，采用金相显微镜分析、扫描电镜分析（SEM）、焊接接头分析，拉伸试验、硬度等多种分析方法对合金进行组织，力学性能、焊接性能等一系列研究。从熔体结构转变这一新的研究角度来探索无铅焊料制备工艺的改进和创新，为新型焊料的研发提供科学与技术依据。 第2章 研究及制备2.1铜錫合金成分2.1.1铜组分的作用铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一，稍硬、极坚韧、耐磨损。还有很好的延展性。导热和导电性能较好。铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，在干燥的空气里很稳定。但在潮湿的空气里在其表面可以生成一层绿色的碱式碳酸铜Cu2（OH）2CO3，这叫铜绿。可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸。容易被碱侵蚀。铜的硬度HB=140，铜的导电性能仅次于银而优于其它所有的金属，因而被用作测试材料导电性能的基准。铜不仅具有很好的导电性，而且熔点高(1083)、机械性能好、耐腐蚀、工作可靠、使用寿命长，是最常见的导电材料，广泛用于电力、电子和电器工业2.1.2 锡的组成作用锡是银白色的软金属，比重为7.3，熔点低，只有232，你把它放进煤球炉中，它便会熔成水银般的液体。锡很柔软，用小刀能切开它。锡的化学性质很稳定，在常温下不易被氧气氧化，所以它经常保持银闪闪的光泽。锡无毒，人们常把它镀在铜锅内壁，以防铜温水生成有毒的铜绿。锡的硬度的研究，黄铜的硬度小于铜的硬度，焊锡的硬度小于锡的硬度，因为黄铜和焊锡都是合金，而铜和锡是纯净的金属，金属的硬度大于它合金的硬。可以说锡的硬度是非常的大。2.2 铜錫合金系选择 锡和铜的合金就是青铜，它的熔点比纯铜低，铸造性能比纯铜好，硬度也比纯铜大。所以它们被人类一发现，便很快得到了广泛的应用，并在人类文明史上写下了极为辉煌的一页，这便是“青铜器时代”。 图2-1 图2-1所示就是铜錫二元合金相图。 2.2.2 钎料的选取原则2.3 钎料的合金熔炼这对此次实验的特殊性，经过我们和老师的商量和查询相关的资料，最后我们决定先后采用试管包覆法和坩埚浇注法进行实验2.3.1 试管包覆法（1）实验设备的介绍：扫描电镜，金相显微镜，高温电阻炉（最高1600摄氏度恒温），机械性能测试仪器，石英试管，玻璃棒，高温胶，氩气瓶，电子称，切割机等，如下组图所示。 图2-2 氩气瓶 图2-3 高温胶 图2-4 玻璃封管试样 图2-5 经切割机打磨的玻璃塞 图2-6 切割打磨机 图2-7 三氧化二硼(2)实验原料的准备1. 原料：5%的铜、95%的锡、B2O3试剂2. 清洗：1）用10%左右的稀盐酸对Cu片清洗到其表面光亮为止，约1分钟。其目的是消除其表面的氧化铜。然后用乙醇清洗，风干待用；2）用蒸馏水清洗试管，风干待用；3. Sn、Cu制备：都需要切割成小块状，按照成分配比放入试管内进行封管实验，如下图6所示： 图2-8（3）熔炼步骤1. 使用电子称按质量百分比称取上述准备好的Cu、Sn颗粒，并保证误差在0.01克之内，然后都放入干燥的石英试管中。放好后，将试管两端放入适量的B2O3，防氧化作用的并塞好玻璃塞；2. 将塞好的试管两端密封。先将试管通5分钟的氩气，彻底排除试管内的空气，然后用高温胶将玻璃塞和试管口涂抹上，接着插入玻璃塞，将外壁涂抹上，为了不然外界空气流进。然后再封另外一端，过程一样。做两组同样成分的试样。封好后的试管需要风干24小时，待用；3. 将上述两组试管分别放入电阻炉中用不同温度进行加热，使其充分熔化，并保温60min。并且在此期间每隔10min搅拌一次，目的是使添加元素之间充分反应，并使钎料成分均匀；4. 待时间到后，取出试管，使其自然冷却；打开试管取出合金试样，将其清洗干净，钎料熔炼完成。（4）方法的优缺点 优点：此方法的优点在于气密性较好且通过试管的方法可以减少浇注过程，使整个实验过程的操作性更好的控制，避免对金属的氧化过程。 缺点：此方法的缺点在于操作比较复杂，且气密的保证较复杂，同时在冷却过程中要防止玻璃管本身的裂纹出现。2.3.2 坩埚浇注法（1）实验设备的介绍：陶瓷坩埚、高温电阻炉、三氧化二硼、电子称、浇注模具、耐火钳(2) 实验原料的准备 1.对所用坩埚进行蒸馏水进行清洗，保证坩埚内部的清洁和无杂质2用电子天平称所需的铜锡量，并将其放入坩埚里，表面充分覆盖三氧化二硼（3）熔炼步骤1.将准备好的材料放入高温电阻炉，按所设定好的程序对其进行加温和保温，具体程序入下：TTuF005030303501500603550028002035502.在保温过程中，将一个坩埚取出，进行浇注成型，另外一组使其继续加热，对其进行过热。3.取出800的过热试样取出进行浇注(4) 方法的优缺点优点：此方法的优点在于其操作非常简便，易操作，易掌握。缺点：此方法总的来说缺点要大于优点，其几乎不存在气密性的保护，容易产生气孔， 同时浇注的质量不好的到保证，容易在浇注过程中液体提前冷却。2.4实验研究内容及方法 本文主要研究的内容：探索Sn基焊料合金的熔体结构状态；合金凝固组织和行为的分析；焊料的润湿性和焊接接头的考核；以及力学性能的研究。基本上是通过实验来支撑的2.4.1电阻率实验(1)试验原理：此实验的原理是通过材料的电阻率计算公式=VC/I，其中C为探针系数，而C的得出是用所测实验的横截面积S除以电极之间的长度L。（2）实验设备：图2-9 电阻率测试装置示意图1.浓硫酸脱水瓶；2.硅胶干燥塔；3.管式电阻炉；4.电导池；5.瓷管；6.橡皮塞；7.尾气处理瓶；8.钨电极；9.控温热电偶；10.可控硅温度控制器；11.测温热电偶2.4.2 过热处理（1）过热处理的说明：合金的熔体结构不仅与合金的成分有关 ,也与合金熔体的温度和热历史有关。熔体过热处理就是通过对熔体结构和物理化学性质的研究 ,选定最佳熔体过热处理工艺参数 ,使熔体形成具有均匀结构的处理工艺 ,其实质就是根据熔体结构与温度、 时间的对应关系及其在冷却和凝固过程中的演化规律 ,通过适当的熔体过热处理工艺来获得对合金性能最有利的熔体结构并控制其变化进程。适当的熔体过热处理能在很大程度上改善、细化组织和提高综合力学性能 ,已被逐渐认识并得到一定应用。本文介绍了近年来合金熔体过热处理理论和工艺在国内外的发展及应用情况。（2）实验过程;本实验选取两组试样并分别采用在500和900加热、熔炼、保温进行处理，以此来进行观察比较以得到对比实验的效果。将熔炼好的合金熔体从炉中取出空冷，并进行打磨抛光，然后在老师的指导进行相图的观察，从而得到合金相图。2.4.3晶相组织研究(1)实验说明：金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。将计算机应用于图像处理，具有精度高、速度快等优点，可以大大提高工作效率。计算机定量金相分析正逐渐成为人们分析研究各种材料，建立材料的显微组织与各种性能间定量关系，研究材料组织转变动力学等的有力工具。采用计算机图像分析系统可以很方便地测出特征物的面积百分数、平均尺寸、平均间距、长宽比等各种参数，然后根据这些参数来确定特征物的三维空间形态、数量、大小及分布，并与材料的机械性能建立内在联系，为更科学地评价材料、合理地使用材料提供可靠的数据。（2）实验方法:方法如过热处理的实验方法，其实两者是一个实验，这里单独拿出来是晶相实验的重视。2.4.4润湿性实验（铺展实验）（1）润湿角简介：润湿角是反应润湿性的一个重要参数，测试润湿角的方法较多， 而根据被测样品的几何特性测试方法主要可分为平板法、毛细管法和粉末法常用于铝润湿性测量的方法为平板法，本文将以此种方法为重点介绍研究铝液润湿性的情况。当熔融金属液滴置于某种材料上时，最后达到平衡时的情况如图9所示。 图2-10 润湿角图中叫润湿角，rgs、rgl、rls分别表示气相与固相之间、气相与液相之间、液相与固相之间的表面张力。平衡时就有如下关系：rgs= rgl+rlscos从上式可以看出，当rgsrgl时，即气相与固相之间的表面张力大于气相与液相之间的表面张力时，cos0, 90。当rgsrgl时，即气相与固相之间的表面张力大于气相与液相之间的表面张力时，cos90。当90时，我们说此种金属不润湿该材料。当完全润湿时=0，当完全不润湿时，=180。对于铝液润湿角的测量来说，去除铝液表面的氧化膜，是正确测量铝液润湿角的关键。（2）实验方法：1）合金制备：按照凝固实验获得经过不同温度熔体过热处理的合金熔体。2）材料准备：将坩埚中熔炼好的合金熔体注入铁模中制备出细棒，再将其切割磨制成每块0.2g的小圆柱，每组准备5块，用酒精清洗后放入干燥箱内烘干，为铺展试验做准备。3）准备好铜片（50mm X 50mm X 1mm）,先将铜片浸入1%HCl中清洗10S，再放入3%NaOH溶液中进行中和，拿出后立即放入酒精中清洗，烘干，在侵入钎焊活性剂（ZnCl2:NH4Cl:H2O=18:6:76/g），然后再放入干燥箱内烘干。4）铺展实验：将0.2 g/块的焊料均匀平整的摆放在铜片上，每块焊料上覆盖等量的钎焊活性剂，放进KSX2节能式快速升温炉，先150预热5 min再升至260并保温1min，取出空冷，用酒精清洗焊接区的污垢。用数码相机拍照，再软件处理铺展区，然后软件测量计算润湿角和铺展面积，将测得数据整理绘制成表。5）沿焊料铺展中心区纵向剖开铺展铜板，打磨抛光焊接接头部分，用腐蚀液过硫酸铵（NH4）2S2O8）水溶液腐蚀，最后通过扫描电镜观察焊接接头组织。2.4.5接头组织分析（1）实验简介：最近一段时间里在学术界关于熔体过热处理对凝固组织及行为的影响引起了高度的重视，而这又以接头组织分析为主，并且在这方面取得了一定的研究成果。目前科学家们已经发现了熔体结构转变对合金凝固行为及组织有着重要的影响，并对其内在规律及本质进行了一些初步的尝试，避免了在工艺上的一些盲目性。 这里所要做的接头组织分析就是在这些基础上，在老师的指引下做一些初步的探索。 （2）实验方法: 1）用所得到的实验用的试样对其进行焊接。2）在切割机上对焊接的试样进行切割，制备3块试样进行试样3）对试样进行打磨抛光。4）对焊接组织进行观察。得到相关图片进行分析。2.5 本章小结 本章介绍了铜锡合金钎料及钎剂，并介绍了所需要的比例配比，合金成份的基本介绍，介绍了相关的设备，并介绍了相关的实验方法，主要是两种一种是玻璃包覆法，坩埚浇注法，并对这两种方法进行了详细的阐述。第3章 合金试样性能评价本章节所要介绍的是此次实验带来的一些研究成果的展示，主要包括以下几种实验方法对试样性能的研究：电阻率实验 过热处理 晶相组织观察 润湿性实验（铺展实验） 接头组织分析 3.1 电阻率实验实验数据及其分析： 图3-1（A） 图3-1（B） 实验结果如图3-1（A）所示我们可以观察到在加热过程中在温度达到758前-T曲线呈线性关系，但是到达了758左右时曲线发生了很大的震荡。这是由于上述的化学短程序在合金熔点以上是不稳定的，在随着温度的升高的过程中，得到了充足的能量逐渐打破了液体内部的进程有序，熔体的结构发生极大的转变，原子间的类固型结构的短程有序不再存在，它们的有序度也是在不断的下降。强烈的异类原子间的共价结合渐渐消失，此转变将熔体中大量自由电子释放，进而致使自由电子数增加。这样就导致在这个过程中熔体电阻率随温度上升的速度下降，造成电阻率随温度出现了异常的变化。而在758后液体的结构也趋于稳定了，-T曲线也再一次的呈现线性规律。从（B）图的降温过程中我们可以发现在降温过程物体的组织结构不会发生改变，熔体的结构也趋于更加的稳定。这说明经过熔体过热处理后物体组织结构的改变是一个不可逆的过程，这样的性能的展现可以说为熔体过热在实际的应用奠定了基础。3.2 过热处理实验结果及分析： 图3-2 合金过热冷却曲线 测量合金熔体随坩埚空冷时的凝固曲线，如图3-2所示。观察分析可得加热至400保温的合金凝固温度为207将其标记为T1，加热至900保温的合金的凝固温度为199.5将其标记为T2。Sn-Cu合金在平衡状态下析出初生相的温度为209.3。不论是初生相还是共晶过冷度试样T2均明显大于试样T1。合金熔体结构转变前熔体凝固的初生相过冷度为2.3 ,而发生结构转变熔体的相应过冷度增大为9.8。充分的说明熔体结构转变对合金的凝固行为有着明显的影响，凝固过冷度也随之增大。对应于合金凝固行为的改变，试样T1和T2的凝固组织也发生了较大变化。3.3晶相组织观察 图3-3（A） 图3-3（B） 图3-4（A） 图3-4（B）从以上图3-2（A）和（B）以及图3-3（A）和(B)在不同倍数下的比较得知在经过过热处理后，我们可以看到的是在500的情况下晶相组织还是较为粗大的，大部分是呈现板条状结构，在这样的结构下我们知道材料的力学加工性能较差，材料的塑性也因此较低。而在经过了熔体过热处理所得凝固组织明显细化，且其组织形态也发生了明显变化：白色初生相由粗大的板条状转变的更为细小、弥散化，且各相分布更为均匀。这样的结构表明了通过熔体过热的处理之后材料在组织上更加的细化，更加的具有可加工性能，这样的结果可以告诉我们熔体过热性能具有很强的实际应用的潜力，3.4润湿性实验（铺展实验）（3）实验数据分析 图3-5（A） 图3-5（B） 图3-6（A） 图3-6（B） 图3-7（A） 图3-7（B） 根据所得到得图示我们可以知道，在经过过热处理后合金在Cu板得铺展面积得到提高大约从60平方毫米增加到63平方毫米，且润湿角也下降了5度左右，其主要的原因有以下几个方面的原因：1） 因为经过熔体过热的处理，其晶粒组织细化，合金的相应的熔点也降低，在先融化的情况下，其铺展面积也就更加铺展。2） 晶相的组织的细化，在这样的情况下。其组织内能随晶粒比表面增加而增大，意为组织中界面、晶界等晶格缺陷增多导致体系内能相对较高。因此也更容易铺展开来3） 由于晶粒的细化，促使其团簇也越小，因此合金组织的粘度更小，粘度的降低也就增加了金属的流动性，流动性的提高肯定可以提高铺展的面积，因为金属的流动阻力大大的减小了。3.5 接头组织分析 图3-8(a) 500热处理凝固组织 图3-8(b) 900热处理凝固组织 图中所示的就是Sn-5Cu的焊接结构组织，我们先来分析一下它从上而下的组织分别为焊料组织分别是；化合物过渡层（主要成分是Cu6Sn5）；铜基板。在焊料组织中分布着Sn-Cu共晶组织-Cu6Sn5相和-Cu-Sn相。通过观察可得出500焊料的焊缝组织共晶区集结度比较大，过渡层较厚且粗糙度也大；经过900过热处理得到的Sn-Cu合金焊料的焊缝组织细密且界面较薄且粗糙度小。3.6 本章小结1.通过钎料显微组织及扫描电镜分析，初步断定其性能变化与过热温度有关；再通过硬度及拉伸实验可知，过热合金试样的性能明显得到了提高。2.通过做Cu基润湿实验，可知Cu-Sn钎料中加入Cu，钎料的润湿性能得到改善，对焊接工艺的制定提供了保证。3.无铅焊料取代Sn-Cu焊料是必然的趋势但与Sn-Cu焊料相比,无铅焊料还存在着许多工艺问题,润湿性差尤为严重,润湿性机制有待于进一步研究。4.焊料对钎焊金属的润湿是一个非常复杂的动态过程,与焊料成分、基板材料、加热温度、焊剂种类、金属表面清洁度与粗糙度、环境气氛(如空气、氮气、真空)等因素都有紧密的关系,要得到较好的润湿性,需要综合考虑各方面的因素。结论与展望结论：（1）制定了Cu-Sn无铅焊料的配比、熔炼和拉伸等工艺参数，获得成分均匀和表面光滑的无铅焊料。（2）加入适量的B2O3，是为了防止合金熔炼过程中氧化，提高合金成分的纯净度，去除部分杂质等作用。（3）通过金相显微镜分析得知，无铅焊料熔体在过热处理后组织得到明显改变，力学性能得到强化。（4）过热后的焊料比常温下的焊料，强度及展望：塑性都要好，组织结构得到细化，温度对无铅焊料性能的影响很大。随着电子设备的多功能化、轻薄短小化的发展和焊膏的无铅化，以及电子元器件或PCB的高密度化等条件的变化，无铅化技术正在步入崭新的领域。随着欧盟R o H S 关于2 0 0 6 年7月无铅化期限的逼近，日本知名的电子、电器产品制造商P A N A S O