（材料加工工程专业论文）无镉中温银基钎料的低电压电磁压制及烧结工艺研究.pdf

武汉理f 人学硕十学位论文 摘要 无镉中温银基钎料具有良好的润湿和填缝性能，不高的钎焊温度，钎焊接 头的强度、塑性、导电性以及耐腐蚀性都十分优异，且不含有毒元素，在微电 子封装、家电、航天、军工等行业中具有广阔的应用前景。目前，制备无镉中 温银基钎料的主要方法是传统的轧制工艺以及快速凝固技术。传统的轧制工 艺步骤多，生产周期长，效率低，成材率低；快速凝固技术是材料制备领域的 一种突破性新技术，但在国内对此研究较少，尚无生产企业采用该技术来制备 钎料。 基于本课题组的研究特长，本文将粉末冶金技术引入无镉中温银基钎料的 制备领域，采用低电压电磁压制工艺来制备无镉中温银基钎料，为得到高致密 度的无镉中温银基钎料开辟全新的加工方法，克服了传统轧制工艺生产周期长 等缺点，避免了传统的高温熔铸环节，减少脆性相的产生，提高成材率，这对 实际生产应用有重大的意义。 压制实验在本课题组自行研制的低电压粉末脉冲成形机上对 a g 2 2 c u 1 7 z n 5 s n 系无镉中温银基钎料的粉末进行了低电压电磁压制，系统地 分析了放电电压、电容、压制次数、压坯径高比以及线圈匝数等对压坯密度的 影响规律，并对比分析了常规压制和电磁压制对压坯密度的影响。 压制实验结果表明，通过提高放电电压、电容等提高放电能量以及增加线 圈匝数来提高放电能量的利用率都能有效提高无镉中温银基钎料压坯的致密 度；通过增加压坯径高比以及压制次数也能在一定程度上提高无镉中温银基钎 料压坯的致密度。相较于传统的静压制，通过增加放电能量及其利用率可获得 的压坯密度远高于静压制所能够获得的压坯密度，所以低电压电磁压制是一种 获得高致密的无镉中温银基钎料的有效方法。 本文研究了无镉中温银基钎料压坯的液相烧结机制，观察压坯的密度随加 热温度的变化规律。液相烧结实验表明，a g 2 2 c u 1 7 z n 5 s n 系无镉中温银基钎 料的压坯在液相烧结过程中会发生膨胀，密度降低的反致密化现象。结合热膨 胀测试、s e m 观看断口形貌、x r d 物相测试、电子探针测试以及分析二元相图， 揭示了a g 2 2 c u 1 7 z n 5 s n 系无镉中温银基钎料的压坯在液相烧结过程中发生膨 胀的原因是由于z n 在a g 中的溶解度较大，烧结过程中液态z n 会向a g 颗粒内 部扩散后使a g 颗粒体积变大，而z n 原来所占据的位置成为孔洞，导致压坯体 武汉理 大学硕士学位论文 积变大。这种元素间的溶解度不匹配引起元素原子间的不等量扩散，造成固一 液界面间的物质迁移，是导致固相颗粒体积长大和烧结膨胀发生的根本原因。 关键词：无镉中温银基钎料，低电压电磁压制，液相烧结，粉末冶金 玎 武汉理工人学硕十学位论文 a b s t r a c t c a d m i u m f r e es i l v e r - b a s e d i n t e r m e d i a t e t e m p e r a t u r e f i l l e rm e t a l s h a v eg o o dw e t t i n ga n dc l e a r a n c ef i l l i n gp r o p e r t i e s ，l o wf u s i n gt e m p e r a t u r e ，a n d c o n t a i nn op o i s o n o u se l e m e n t s ，i t sb r a z e dj o i n th a v ee x c e l l e n ts t r e n g t h ，p l a s t i c i t y , e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s oh a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti n m i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g e ，h o u s e h o l da p p l i a n c e ，a e r o n a u t i c s & a s t r o n a u t i c s ，m i l i t a r y i n d u s t r i e s a tp r e s e n t ，p r e p a r a t i o nm e t h o d so f c a d m i u m - f r e es i l v e r - b a s e d i n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l sa r et r a d i t i o n a lr o l l i n gt e c h n o l o g ya n dr a p i d s o l i d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a lr o l l i n gt e c h n o l o g yh a st h ed i s a d v a n t a g e so f m a n yp r o c e s ss t e p s ，l o n gp r o d u c t i o nc y c l e ，l o we f f i c i e n c ya n dl o wr a t eo ff i n i s h e d p r o d u c t r a p i ds o l i d i f i c a t i o ni s ak i n do fd i s r u p t i v et e c h n o l o g yi np r e p a r a t i o no f m a t e r i a l s ，b u tt h er e s e a r c ho fi ti nc h i n ai sr a t h e rl i t t l e ，a n dn op r o d u c t i o ne n t e r p r i s e h a v ec o n t r o l l e dt h i st e c h n o l o g y b a s e do no u r s t u d y i n gt c a r n f e a t u r e ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep o w d e r m e t a l l u r g yt e c h n o l o g yt ot h ep r e p a r a t i o no fc a d m i u m f r e es i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t e t e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l s ，a d o p tl o w v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o nt op r e p a r e c a d m i u m f r e es i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l s ，o p e nu pan e ww a y f o rp r e p a r i n gh i g hd e n s i t yc a d m i u m - f r e es i l v e r - - b a s e di n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e r m e t a l s t h i st e c h n o l o g yo v e r c o m e sd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lr o l l i n gt e c h n o l o g y , s u c ha sl o n gp r o d u c t i o nc y c l e ，a n da v o i d st r a d i t i o n a lh i g h t e m p e r a t u r em e l tc a s t i n g , d e c r e a s et h eb r i t t l ep h a s e s ，i m p r o v et h er a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t ，s oh a sg r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h ec o m p a c t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n ew i t ht h es e l f - m a d ee l e c t r o m a g n e t i c f o r m i n gm a c h i n e ，o nl o w - v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i n ga g 一2 2 c u 一1 7 z n - 5 s n c a d m i u m f r e es i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l sp o w d e r sb yw a yo f i n d i r e c tp r o c e s s t h ee f f e c t so ft h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sd i s c h a r g ev o l t a g e ， c a p a c i t o r , d i s c h a r g et i m e s ，d i a m e t e rh e i g h tr a t i oo f t h ec o m p a c t sa n dc o i lt u r n s ，o nt h e g r e e nd e n s i t yo fc e r a m i c sw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o na n ds t a t i cc o m p a c t i o no nc a d m i u m - f r e e s i l v e r - b a s e d i n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l sw a ss t u d i e d i i i t h ec o m p a c t i o ne x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a t ，e i t h e ri m p r o v ed i s c h a r g ev o l t a g e ， c a p a c i t o rt oi n c r e a s ed i s c h a r g ee n e r g yo ri n c r e a s ec o i lt u r n st oi m p r o v e su t i l i z a t i o n r a t ec a nb o t h e f f e c t i v e l yi m p r o v et h e r e l a t i v e d e n s i t y o ft h eg r e e nb o d yo f c a d m i u m f r e es i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r ef i l l e rm e t a l s f r o mi n c r e a s i n g t h ed i s c h a r g et i m e sa n dd i a m e t e rh e i g h tr a t i oo ft h ec o m p a c t sc a na l s oi m p r o v e t h e r e l a t i v ed e n s i t yo ft h eg r e e nb o d yt os o m ee x t e n t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls t a t i c c o m p a c t i o n ，t h ed e n s i t yo fg r e e nb o d yp r e p a r e db yl o w v o l t a g e e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a c t i o nu n d e rh i g hd i s c h a r g ee n e r g ya n du t i l i z a t i o n r a t ei sm u c hh i g h e tt h a n p r e p a r e db yt r a d i t i o n a ls t a t i cc o m p a c t i o n ，s ol o w - v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n i sae f f e c t i v em e t h o dt oo b t a i nh i g h d e n s i t yc a d m i u m - f r e es i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t e t e m p e r a t u r e f i l l e rm e t a l s a tt h es a m et i m e ，t h i s p a p e r s t u d i e st h ec h a n g e so fa g 一2 2 c u 一1 7 z n - 5 s n c o m p a c t sd u r i n g l i q u i d p h a s es i n t e r i n g ，a n d d r a w st h ec o n c l u s i o n t h a t a g 2 2 c u 1 7 z n 5 s nc o m p a c t sw o u l de x p a n da n dt h ed e n s i t yd e c r e a s e e x p a n s i o n m e c h a n i s mh a sb e e ns t u d i e db ym e a n so fh e a te x p a n s i o nt e s t i n g ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e l e c t r o np r o b em i c r o s c o p i ca n a l y z e r ( e p m a ) t e c h n i q u e sa n dm e t a ld i a g r a m s b e c a u s eo f t h eh i g hz na d d i t i v es o l u b i l i t yi n a g ，t h el i q u i dz i n cp e n e t r a t e si n t o t h eg r a i nb o u n d a r i e so fa gp a r t i c l e sa n dl e a v e s p o r e sa tt h ep r i o rz np a r t i c l es i t e s ，w h i c hb r i n g sa b o u tt h es o l i dp a r t i c l eg r a i ng r o w t h a n dt h ei n c r e a s ei nt h ev o l u m eo ft h es p e c i m e na saw h o l e t h eu n b a l a n c e dd i f f u s i o n b e t w e e ne l e m e n t sl e a d st oi m b a l a n c e dm a s sf l o wb e t w e e nt h es o l i d l i q u i di n t e r f a c e ， r e s u l t i n gi nt h es o l i dp a r t i c l eg r a i ng r o w t ha nd o v e r a l le x p a n s i o no ft h es p e c i m e n k e yw o r d s ：c a d m i u m f r e e s i l v e r - b a s e di n t e r m e d i a t et e m p e r a t u r e f i l l e r m e t a l s ， l o w v o l t a g ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n ，l i q u i dp h a s es i n t e r i n g , p o w d e rm e t a l l u r g y i v 武汉理一f 大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 钎焊是现代焊接技术的三大主要组成部分之一，近年来，钎焊技术以其独 特的优势在电子信息、汽车、军工等行业中得到了广泛的应用和发展。钎焊是 用将焊件和低子母材熔点的钎料一起加热，使钎料熔化( 母材不熔化) 后润湿 并填满母材的间隙，钎料与母材相互扩散形成牢固连接的焊接方法。钎焊过程 中采用的钎料的熔点低于4 5 0 的称为软钎焊，高于4 5 0 的称为硬钎焊。由于 钎焊过程中焊件并未熔化，所以钎焊对母材组织和性能的影响较小，焊缝成形 美观，平滑光整。此外，由于钎焊是将工件整体或在焊缝周围大面积均匀加热， 所以工件的相对变形量以及钎焊接头的剩余应力都相对较小，易于保证工件的 尺寸精度【1 1 。 钎焊技术以其多方面的优势广泛应用于各行业中，与此同时，对钎料的需 求就日益增长。银基钎料是为一种以银或银基固溶体组织的合金，具有良好的 润湿性和填缝性能，其焊缝的强度、塑性、导电性以及耐蚀性等各方面的性能 都十分优异，可以用来焊接除铝、镁及其他低熔点金属之外的所有黑色金属及 有色金属，应用范围十分广泛。但对某些熔点较低的工件而言，普通银基钎料 的钎焊温度偏高，而中温银基钎料( 熔化温度在5 5 0 , - - 6 5 0 。c ) 的钎焊温度相 对较低，钎焊时对母材的晶粒结构影响小，能有效减少热应力引起的机械性能 降低，但现有的中温银基钎料中含有大量脆性相，塑性加工性能差，难以通过 常规的轧制工艺生产，且成材率低，这种生产上的难题已经严重限制其在工业 上的应用和发展1 2 j 。 粉末冶金是一项集材料制备与零件成形于一体的节能、节材、高效、近净( 终) 成形、污染小的先进制造技术，在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和 作用，已经成为当代材料科学发展的前沿领域【3 】。近年来出现了温压技术、模壁 润滑技术、放电等离子烧结、高速压制技术、电磁压制技术等粉末冶金新技术， 其中高速率成形最为引人注刚钔。高速率成形是将能量转换成冲击波的形式作用 于工件，使工件以很快的速度发生变形的一种动态压制工艺方法。与传统的静 态压制成形相比，高速率成形的最大特点是载荷加载速率快，其成形速率是静 态压制的1 0 0 - 1 0 0 0 倍，且载荷的作用时间短，仅为几十到几百微秒1 5 j 。 武汉理。r 大学硕士学位论文 目前，高速率成形包括爆炸( 冲击) 成形技术、高速压制技术和电磁成形 技术等。相对于爆炸( 冲击) 成形技术，电磁成形技术具有生产安全性好，效 率高，可重复性好，易于实现自动化等优点；而相对于高速压制技术，电磁成 形技术的应用范围更加广泛，成形速率更快。目前，受电磁成形设备能量的限 制，电磁成形技术多用于加工较小的零件或大零件的局部成形。钎料大都是较 薄的片材，完全可以通过电磁成形技术来制各，还可以根据所需钎料形状来设 计相应的凹模形状，这样通过电磁成形制备的坯料就可以直接用于实际生产， 无需再次加工。 综上所述，中温银基钎料在电子信息、汽车、军工等领域具有广阔的应用 前景，但如何制备中温银基钎料，提高其成材率一直是制造业及科研机构着力 解决的关键问题。电磁成形技术作为一种高速率成形方法，在粉末冶金领域有 其独特优势。因此，结合电磁成形技术来探索一种优质高效的中温银基钎料成 形新方法具有十分重要的广阔应用前景和理论意义。 1 2 无镉中温银基钎料及其成型方法 1 2 1 无镉中温银基钎料的介绍 传统的铅锡焊料具有悠久的历史，据历史学家普利姆斯( p l i m u s ) 记载，早 在公元前3 5 0 年的古罗马时期，水道铅管就采用锡铅焊料来钎焊了。铅锡焊料 的熔点较低，具有良好的钎焊性、导热性和导电性，曾广泛应用于电子封装、 容器、建筑金属构件以及各种管道装置的焊接中。 然而铅锡钎料接头的剪切强度不高，蠕变及热机械疲劳性能差，难以满足 现代电子封装、航空、汽车等行业对于可靠性的要求。此外，铅锡钎料含有的 铅是一种对人体和环境都有害的金属元素，流入土壤后会污染土壤，侵入人体 后会损害人体的中枢神经，造成精神混乱、贫血以及高血压等疾病1 6 j 。目前，世 界各地都已经出台相关政策法规明令禁止电子信息产品中包含铅、镉等六种物 质( 元素) ，这种全球范围内的“禁铅 趋势使无铅焊料的研究成为全球钎料界 的热点【7 捌。 银基钎料是一种以银或银基固溶体为主的合金，具有良好的润湿性和填缝 性能，焊接接头的强度、塑性、导电性以及耐腐蚀性都比较优良，是国际上公 认的代替铅锡焊料的首选钎料i 钆1 0 l 。传统的银基钎料的钎焊温度偏高，焊接过程 2 武汉理 大学硕士学位论文 中会对母材自身的晶粒结构造成不良影响。研究表明，在银基钎料中加入镉元 素能显著降低银基钎料的熔化温度，提高钎料的塑性，润湿和填缝性能。但镉 元素是一种不可分解的有毒元素，和铅一样已被禁用，因此研制无铅无镉，焊 接性能和塑性加工性能优异的中温银基钎料十分迫切l l 。经过大量的评估，当 前的研究思路是在a g c u 合金的基础上加入z n 、s n 、g a 、i n 等元素来降低银基 钎料的融化温度，提高润湿性以及相关机械性能。目前，无镉中温银基钎料主 要有a g - c u z n s n 系、a g c u z n n i 系、a g c u z n i n 系以及a g c u z n g a 系等。 1 2 2 无镉中温银基钎料的应用前景 近年来，随着电子技术的飞速发展，以“3 c ，即计算机( c o m p u t e r ) 、通 信( c o m m u n i c a t i o n ) 和家用电器等消费类电子产品( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 为 代表的r r 产业得到迅猛发展，微电子产业已发展成为第一大产业，现代的微电 子产业主要包括设计、制造以及封装，其中封装产业是支撑微电子产业飞速发 展的关键所在。 微电子封装就是通过热压焊、超声焊和软钎焊等方法将芯片载体或引线框 架上或将电子元件连接在p c b 板上的焊接技术，钎料作为全部或主要的连接材 料，直接决定了微电子封装的质量。随着传统铅锡焊料的淘汰，银基钎料以其 各方面的优异性能异军突起，成为微电子封装行业中需求量最大的钎料；而无 镉中温银基钎料在降低了钎焊温度的同时对人和环境无害，顺应现代微电子封 装行业对于钎料的要求，所以具有十分广阔的应用前景1 1 2 1 3 j 。 在电子工业和电真空仪器仪表业迅速发展的形势下，电真空钎焊料的用量 越来越大，得到了迅速的发展。电真空焊料除要求一般焊料所要求性能外( 如： 浸润性、流动性、焊接强度等) ，还要求一些特殊性能，这是由其使用条件决 定的。电真空焊料现有很多类型，按成份分主要有银基、金基、铂基、钯基、 铜基等系列，其中以银基焊料的综合性能最为优异，需求量也最大1 1 4 1 。 综上所述，随着科学技术的飞速发展，中温银基钎料在电子封装、家电、 航天、军工等行业中的应用越来越多，发挥的作用越来越至关重要，有着十分 广阔的应用和发展前景。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 3 无镉中温银基钎料的加工方法 目前，制备无镉中温银基钎料的方法主是传统的轧制加工以及快速凝固 技术【1 5 】。传统的轧制加工是将钎料合金熔铸后均匀化退火，经热挤压开坯或刨 床铣面后再进行热轧，轧制过程中要尽可能增大热轧变形量，减少加工道次， 热轧后再进行中间退火和冷轧，冷精轧。轧制加工步骤多，仅轧制和均匀化退 火就有十几道工序，生产周期很长，效率低下，且加工过程中容易形成氧化物， 增加合金的脆性，降低其塑性加工性能。此外，通过轧制制备的钎料都是片状， 须经再次加工成特定的形状后才能使用。中南大学张惠、杨伏刘1 6 j 等人将银铜 锌锡四元合金在高纯度、高强度、高致密的石墨坩埚中在真空环境下熔炼得到 铸锭，均匀化退火后热挤压开坯得到5 0 x 4 m m ( 厚度) 的片材，多次热轧至0 2 8 m m 后进行中间退火处理，最后通过多次冷轧、冷精轧可得到约o 0 9 m m 厚的片材， 抗拉强度可达4 9 5 m p a ，成材率约6 0 。陈慧、甘卫平【1 7 】等人在冷轧过程中采用 两次中间退火，再进行1 5 次冷精轧后也可得到0 0 9 0 m m 后的片材，其抗拉强度 平均可达到4 7 0 m p a ，剪切强度平均可达到6 9 m p a 。 快速凝固技术是材料制备的高新技术之一，发展于上世纪七十年代，它使 液态金属以每秒1 0 4 1 0 8 快速冷凝成固态，液固相转变非常快，制备的产品性 能与熔铸得到的铸锭有很大区别，其组织多呈非晶态或微晶态。与传统的轧制 加工相比，快速凝固技术制备的钎料合金化程度以及流动铺展性能都更好，化 学成分均匀且可调性强，还具有生成成本低，效率高等优点。目前，快速凝固 技术包括单辊法、双辊法以及熔体拉曳法，其中以单辊法的应用较多【1 8 - 2 0 1 。 国外通过快速凝固技术来制备钎料薄带的报道较多，波兰的j d u t k i e w i c z ， k l i t y f i s k a ，r s w i a t e k 2 1 l 等人在制备a 餐c u s n 三元合金时，将纯度为9 9 9 的原 材料( 粉末) 在氩气保护下置于石英坩埚中熔炼，然后用压力1 4 m p a 的氦气将熔 融合金从坩埚底部的一个0 7 5 m m 大小的洞口喷射至以2 6 m s 速度旋转的铜辊上， 成功制备了宽度为2 m m ，厚度在3 0 - - 3 5 m 之间的合金。国内只见中南大学张惠、 杨伏刘2 2 】采用单辊急冷法制得银基钎料的报道，通过调节转速等参数成功制备 了厚度在0 1 m m 以下的薄带。 快速凝固技术是钎料制备领域的突破性新技术，在欧美发达国家已经作为 一种成熟的技术来生成钎料，但在国内尚无一家生产企业采用该技术来生产钎 料。有学者提出通过新的加工方法来制备塑性较差的钎料，比如包覆轧制、复 合轧制、复合轧制+ 扩散合金化法及高真空旋淬法等【捌，但目前这些成形方法都 4 武汉理工大学硕士学位论文 是用于铝基等非银基钎料，尚未见到用于加工无镉中温银基钎料的报道。 1 - 3 粉末冶金高致密化成形技术 粉末冶金应用领域不断扩大，新技术层出不穷，我国的粉末冶金工业起步 不算晚，但产品的质量、数量以及生成技术方面与先进国家相比都存在不小差 距，因而应及时了解与研究不断出现的新技术。目前，粉末冶金技术的发展方 向是提高产品的致密度和相关性能并降低生成成本。近年来许多优异的粉末冶 金新工艺相继出现，其中以温压、流动温压、模壁润滑、高速压制、爆炸压制 技术、放电等离子烧结、电磁压制技术等新技术为代表，下文将着重介绍几种 高速率粉末冶金方法。 1 3 1 爆炸压制技术 爆炸压$ 1 j ( e x p l o s i v ec o m p a c t i o n ) 又称冲击波) 压$ o ( s h o c kc o n s o l i d a t i o n ) ，始 于上世纪五十年代，是一种利用化学能的高能成形方法，原理是将粉末放置在 特定形状的模具中，通过引爆炸药获得高压冲击波，并以脉冲波的形式作用于 粉末颗粒将其压实。在爆炸压制过程中，脉冲波的作用时间仅为1 0 - - 1 0 0 s ，粉 末颗粒表面会发生极快速的升温和降温，粉末成形时间约1 榭左右l z 4 j 。 爆炸压制技术的优点在于：1 、爆炸产生的冲击波压力远大于普通压力机所 能提供的压制力，可以用于压制粉末颗粒很硬的材料和难以通过压力机来加工 的较大工件，且爆炸压制的成本较低；2 、爆炸压制中的产生的压制力很大，且 载速率快，所以可制备的压坯的密度大，这是普通的静压所无法比拟的；3 、爆 炸压制可以由于加工形状复杂的工件，能很好的控制工件的尺寸公差i z 引。 爆炸压制技术的缺点在于难以确保爆炸压制过程的安全性以及精确控制爆 炸释放的能量，压制过程的可重复性较差。此外，由于压力冲击波在粉末中传 递时会有很大的损耗，所以得到的压坯密度分布不均匀，直接影响到制品的相 关性能，这种不利影响在制备较大工件时更加凸显。 鉴于上述爆炸压制技术的缺点，爆炸压制技术已经逐渐为其他高速率成形 方法所取代，近年来对爆炸压制技术的研究越来越少。 5 武汉理工人学硕十学位 八文 图1 - 1 爆炸压制实验工装 1 、雷管；2 、引爆药；3 、上定位板；4 、芯杆；5 、粉末体；6 、模具管； 7 、炸药；8 、炸药外壳；9 、下定位板 f i g 1 - 1e x p e r i m e n t a lf r o c ko fe x p l o s i v ec o m p a c t i o n 1 d e t o n a t o r ；2 p r i m i n gc h a r g e s ；3 u p p e rl o c a t i n gp l a t e ；4 c o r er o d ；5 p o w d e r s ； 6 d i et u b e ；7 e x p l o s i v e ；8 s h e l lo fe x p l o s i v e ；9 b o t t o ml o c a t i n gp l a t e 1 3 2 高速压制技术 高速压制技术( h i g hv e l o c i t yc o m p a c t i o n ，h v c ) 是瑞典的h 口a g a n 口s 公司和 h y d r a p u l s o r 公司于本世纪初共同推出的一种新型粉末压制技术，其基本原理是 通过液压控制一个重锤( 5 1 2 0 0 k g ) 运动产生一个巨大的冲击波作用于粉末颗 粒将其压实。在高速压制过程中，重锤在冲击粉末的瞬间会产生一个巨大的冲 击波，能量在粉末中的传递时间仅为2 0 m s 左右，这比传统的静压制要快5 0 0 4 1 0 0 0 倍，所以能够显著的提升压坯的密度( 具体由重锤的质量及其冲击速度决 定) 和强度，还可根据实际需求产生间隔0 3 s 的多重冲击波来进一步提升压坯的 密度。此外，高速压制技术制备的压坯密度分布比较均匀，压坯径向弹性后效 较小，可用于大规模的生产，成本低，效率高1 2 6 1 。 此外，高速压制技术还为粉末冶金技术的创新和发展提供了很好的契合点， 比如将高速压制技术与粉末的温压技术结合起来，提高温压技术中的成形速率， 这样就能同时兼备两种压制方法的优势，可大幅提高产品的密度和性能。 高速压制技术具备传统静压制的平稳性的同时还具备动态压制的巨大冲击 能量，是粉术冶会领域追求低成本高密度加工技术的一个突破，可广泛用于各 6 武汉理l ：人学硕十学位论文 种金属、陶瓷以及聚合物等材料粉末冶金的压制过程1 2 7 】。 1 3 3 电磁压制技术 电磁压制( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a c t i o n ) 3 l 称动磁压制，是通过储能电容器放 电产生一个幅值很大的脉冲电磁力作用于粉末颗粒并将其压实的一种高能率成 形工艺。1 9 7 6 年，英国曼切斯特大学理工学院的c l y e n s 、j o h n s o n 干1 a 1 h a s s a n i 等 人率先将电磁压制技术引入粉末冶金的压制中，成功制备出了棒料、条料以及 一些形状比较复杂的零件1 2 8 1 。根据电磁力施加方向的不同，电磁压制技术可分 为轴向压制和径向压制两种方式 2 9 - 3 4 1 。 图1 2 所示为径向电磁压制方式的工装，基本原理是将待压粉末颗粒装入一 个导电的容器中，并将该容器放在磁场强度大的位置，储能电容器放电时线圈 中就有强脉冲电流，并在其周围产生感应磁场，装有粉末的导电容器中就会产 生感应涡流，这个涡流也会在其周围产生一个感应磁场，感应涡流在两个感应 磁场的综合作用下就会产生一个很大的电磁力压缩容器，从而使粉末得到压制， 这种方式的压制速度可达1 0 2 1 0 3 m s ，整个压制过程时间不到1m s 。 3 4 0 图1 - 2 径向动磁压制工装 1 、粉术供给；2 、线圈；3 、高脉冲电流；4 、磁场力；5 、脉冲磁场； 6 、粉木；7 、导电容器 f i g 1 - 2f r o c ko fr a d i a ld y n a m i cm a g n e t i cc o m p a c t i o n 1 p o w d e rs u p p l y ；2 c o i l ；3 h i g hp u l s e dc u r r e n t ；4 m a g n e t i cf o r c e ； 5 p u l s e dm a g n e t i cf i e l d ；6 p o w d e r s ；7 c o n d u c t i v ev e s s e l 7 武汉理l = 入学硕士学位论文 图1 3 所示是轴向电磁压制方式的工装，基本原理是电容器充完电后通过平 面螺旋线圈放电，在线圈中产生一强烈的瞬时脉冲电流，并在其周围产盟i 感应 磁场，受该感应磁场的作用，驱动片上也会产生感应涡流，感应涡流也会在其 周围形成一个感应磁场，最终感应涡流在这两个磁场的综合作用下形成一个很 大的从电磁冲击力，推动冲头往下运动实现粉末的压制，这种方式下的压制速 度可达2 0 - - 1 0 0 m s 。 图1 3 轴向动磁压制工装 1 、螺旋线圈；2 、驱动片；3 、上冲头；4 、容器( 内) ；5 、容器( 外) ； 6 、加热体；7 、粉末；8 、下冲头 f i g 1 - 3f r o c ko fa x i a ld y n a m i cm a g n e t i cc o m p a c t i o n 1 p l a n es p i r a lc o i l ；2 d r i v e r s ；3 u p p e rp u n c h ；4 c o n t a i n e r ( i n n e r ) ；5 c o n t a i n e “o u t e r ) ； 6 h e a t i n gb o d y ；7 p o w d e r s ；8 b o t t o mp u n c h 相较于传统的静压制，电磁压制技术具有以下特点：1 、采用径向压制方式 不使用模具，没有模壁摩擦可达到更高的压制力，且工装的生产与维修成本较 低；2 、对环境的温度和气氛没有要求，适用于几乎所有的材料；3 、一般不需 武汉理【大学硕士学位论文 要在粉料中添加润滑剂或粘结剂，对环境无害也提高了压坯的性能；4 、由于压 制压力大，压力加载速率快，所以电磁压制技术制备的材料的压坯密度和力学 性能都比传统的静压要高，对于各种合金钢粉末材料，压坯密度通常在9 5 以上。 即使是像钨、碳化钨和陶瓷等难以通过传统静压加工的粉末，也可通过电磁压 制来获得较高的密度 3 5 - 3 6 1 。 近年来，本课题组利用平面螺旋线圈放电对多种金属粉末进行低电压电磁 压制，取得了一系列的研究成果，压坯的相对密度最高可达9 9 。通过采用低电 压电磁压制技术对功能陶瓷粉末进行压制，选择合适的工艺参数也可获得相对 密度在9 5 以上的陶瓷制品，并深入分析了放电电压、电容等参数对压坯密度及 性能的影响规律f 3 7 - 3 8 。 1 4 粉末电磁压制概述 粉末电磁压制是电磁成形技术在粉末冶金中的应用，压制过程中电磁间的 作用机理以及和载荷的施加与传递等与板材、管件的电磁成形是类似的，所以 传统的电磁成形理论和成形规律对粉末的电磁压制同样具有重大的指导意义。 下面简单介绍一下电磁成形技术的发展和应用状况。 上世纪二十年代，物理学家k a p t i l a p 发现处于脉冲磁场中的金属线圈会发生 膨胀现象开启了人们对电磁成形技术原理的研究，到五十年代末，美国通用电 气公司推出了世界上第一台电磁成形机。此后，电磁成形技术以其独特的优势 吸引了许多工业发达国家的关注，电磁成形技术得到快速的发展，对电磁成形 技术的研究也取得了很多成果并逐渐应用于实际生产中。到八十年代，电磁成 形及时在美国、前苏联和日本等发达国家已经得到广泛的应用。 国内对电磁成形技术的研究起步较晚，上世纪七十年代末，哈尔滨工业大 学开始研究电磁成形技术的基本理论，并于1 9 8 6 年成功推出我国首台生产用的 电磁成形机。此后，北京机电研究所、武汉理工大学等开始研究电磁成形技术， 但到目前为止，国内对电磁成形技术的研究和应用水平和国外仍存在一定的差 距。 近几年来，我校黄尚宇教授分别对薄板、管状毛坯以及功能陶瓷粉末的电 磁成形工艺进行了深入研究，对放电回路参数、螺旋管工作线圈和平面工作线 圈的电磁场分布、电磁力及工艺参数进行了分析计算。 电磁成形技术涉及电学、电磁学、电动力学等多门学科的知识，鉴于电学、 9 武汉理1 ：大学硕十学位论文 电磁学、电动力学的复杂性和塑性动力学自身的不完善性，使电磁成形技术的 理论研究十分复杂和困难。目前，电磁成形技术领域仍有很多问题有待于进一 步研究解决1 3 9 1 。 1 5 本课题选题意义及其主要研究内容 低电压电磁压制指的是将电磁成形的放电电压从几千上万伏降低到至几百 伏，并通过增大电容量来保证成形所需的能量，这种低电压高电容放电时的电 流波形为阻尼波，脉冲电流的衰减减缓，延长了磁脉冲力作用于粉末的时间， 可以提高压坯的密度及其分布的均匀性。此外，电压的降低还能提高设备的安 全性和可靠性，减小成形设备的体积和制造成本i 似4 2 j 。 本课题将粉末冶金技术引入无镉中温银基钎料的制备领域，采用低电压电 磁压制工艺来制备无镉中温银基钎料，克服了传统轧制加工生产周期长等缺点， 避免了传统的高温熔铸环节，减少脆性相的产生，提高了成材率，为得到高致 密度的无镉中温银基钎料开辟全新的加工方法，这对实际生产应用有重大的意 义。 论文对低电压电磁压制无镉中温银基钎料工艺及其相关理论进行了深入的 研究，系统揭示了低电压电磁压制无镉中温银基钎料的机理及各种工艺参数对 压坯致密度的影响规律，进而得到低电压电磁压制无镉中温银基钎料的最佳工 艺参数。还对无镉中温银基钎料的压坯进行液相烧结，观察压坯在烧结过程中 的变化并通过相关测试手段来揭示其变化机理。具体研究内容如下： 1 、研究了放电电压、电容、压坯径高比、压制次数、线圈匝数等工艺参数 对无镉中温银基钎料密度及相关性能的影响，揭示无镉中温银基钎料电磁压制 的机理与规律； 2 、为满足精度要求越来越高的微电子封装的需求，在现有的工装及最佳的 工艺条件下去探索能够成形完好的无镉中温银基钎料的最小厚度； 3 、比较通过低电压电磁压制和传统的静压制所获得的无镉中温银基钎料的 区别，探索低电压电磁压制工艺对改善无镉中温银基钎料性能的作用与方法。 4 、液相烧结无镉中温银基钎料的压坯，观察压坯密度的变化规律，并通过 热膨胀测试等手段来揭示无镉中温银基钎料液相烧结变化行为的机理。 1 0 武汉理l i 大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章粉末压制及烧结过程概述 粉末冶金是以金属粉末或用金属粉末( 或金属粉末与非金属粉末的混合物) 为原料，经过压制和烧结来制备金属材料、复合材料以及各种类型制品的技术。 粉末冶金工艺的基本流程如图2 - 1 所示，其中最重要的两道工序是粉末的压制以 及压坯的烧结。 图2 - 1 粉末冶金流程图 f i g 2 - 1f l o w c h a r to fp o w d e rm e t a l l u r g y 本章的主要内容是介绍金属粉末在压制过程中发生的变化及成形机理，同 时还介绍了液相烧结工艺过程及其相关影响因素，为制定低电压电磁压制和液 相烧结的实验方案和工装设计奠定基础。 2