（材料加工工程专业论文）储存时间和环境对锌铝钎料显微组织和力学性能的影响.pdf

摘要 摘要 铜和铝的连接是目前焊接领域研究的一个热点 在一些行业以铝代替铜符 合可持续发展战略要求 锌铝钎料是目前铜铝连接中使用最为广泛的一种钎料 但是锌铝钎料本身所具有的一些特点给焊接带来了一些困难 锌铝钎料出现的 脆断 问题成为制约其发展的主要障碍之一 本文采用金相观察 扫描电子显微镜 x 射线衍射分析 显微硬度和拉伸试 验等分析测试手段 研究了在自然环境和高温 高湿环境中放置过程中钎料组 织和性能的变化 并研究了 含量和微量碱土元素对这种变化的影响 研究表明 钎料z n a l l 5 在室内环境中放置时 随着放置时间的延长 钎料 的抗拉强度和断后伸长率逐渐降低 显微硬度逐渐升高 当放置7 个月后 钎 料的抗拉强度从2 3 6 n r a m 2 下降到1 6 8n r a m 2 断后伸长率从8 3 下降到3 0 钎料组织中的黑色的q 相的体积百分比随时间延长逐渐增加 当钎料中灿含量为2 0 时 钎料组织中出现舢的偏聚 钎料的抗拉强度 从2 3 6n r a m 2 提高到2 6 4n r a m 2 断后伸长率从8 3 下降到7 0 显微硬度从 4 1 3 h v 0 1 上升到4 8 h v 0 1 在室内放置时 钎料的组织和性能变化与z n a l l 5 一致 当钎料中添加微量的碱土元素时 钎料的抗拉强度从2 3 6n m m 2 提高到3 5 8 n m m 2 断后伸长率从8 3 下降到4 4 显微硬度从4 1 3 h v 0 1 上升到 7 2 6 h v 0 1 在室内环境放置时 钎料显微硬度继续上升 塑性严重下降 当钎料在9 5 干燥环境放置1 0 d 后 钎料的晶粒长大 抗拉强度和显微硬 度变化不大 当钎料在1 1 5 水蒸气环境中放置6 6 h 后 钎料的组织发生了明显 的改变 出现了大量的条纹组织 钎料的抗拉强度提高 显微硬度上升 出现 明显的 脆断 现象 锌铝钎料在放置过程中出现的 脆断 现象可能是过饱和的q 相和b 相发 生分解以及晶间腐蚀共同作用的结果 关键词 铜铝钎焊 锌铝钎料 脆断 高温 高湿 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 h eb r a z i n go fc u a ii st h eh o t s p o ti nw e l d i n gs t u d y u s i n ga l u m i n u mi n s t e a do f c o p p e ri ns o m ea r e a si sa t r e n do ft h ed e v e l o p m e n t w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n to fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y z n a ls o l d e ri sw i d e l yu s e di n c u a lc o n n e c t i o n h o w e v e r t h ed i s a d v a n t a g e so fz n a 1 s o l d e rb r o u g h ts o m e d i f f i c u l t i e st ow e l d i n g t h eb r i t t l ea p p e a r e di nz n a 1s o l d e ri so n eo fm a i no b s t a c l e s i i li t sd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r t h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y s e m x r a yd i f f r a c t i o n x r d m i c r o h a r d n e s st e s t sa n dt e n s i l e s t r e n g t ht e s t sa n do t h e ra n a l y s i sm e t h o d s 1 1 1 e c h a n g e so fm i c r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e so fz n a ls o l d e ra g i n gi n n a t u r a la n dh i g ht e m p e r a t u r e h i g l lh u m i d i t y e n v i r o n m e n tw e r es t u d i e d t h e n t h ee f f e c t so fa ic o n t e n ta n dt r a c ea l k a l i n ee a r t h d e m e n t so nt h ec h a n g eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e d w h i c hi s p r o v i d i n gt h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i st os o l v et h ep r o b l e mo fb r i t t l ef r a c t u r e a p p e a r e di nz n a 1s o l d e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw h e nz n a ll5s o l d e rp l a c e di nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt i m e t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o na f t e rf r a c t u r e d e c r e a s e dg r a d u a l l y a f t e r7m o n t h s t h et e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s ef r o m2 3 6 n r a m zt o 16 8n r a m 2 t h ee l o n g a t i o na f t e rf r a c t u r ed e c r e a s e df r o m8 0 t o3 0 o nm e c o n t r a r y t h em i c r o h a r d n e s sa n d t h ev o l u m ep e r c e n t a g e o f 也 p h a s e i n t h e m i c r o s t r u c t u r ei n c r e a s e d a 1s e g r e g a t i o no c c u r r e di nt h es t r u c t u r eo fs o l d e rw h e nt h ec o n t e n to f a li n c r e a s e d t o2 0 c o m p a r ew i t ht h ez u15 t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s ef r o m2 3 6 n m m 2t o 2 6 4n r a m 2 t h ee l o n g a t i o nd e c r e a s e df r o m8 3 t o7 0 a n dh a r d n e s si n c r e a s e df r o m 41 3h v 0 1t o4 8h v 0 1 w h e nz i 谢2 0w a sp l a c e di nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sw e r ec o n s i s t e n tw i t hz n a l l5 m e na d dt r a c ea l k a l i n ee a r t he l e m e n t si nz n a l l5s o l d e r t h et e n s i l es t r e n g t h i n c r e a s e sf r o m2 3 6 n r a m 2t o3 5 8n r a m 2 t h ee l o n g a t i o na f t e rf r a c t u r ed e c r e a s e df r o m 8 3 t 04 4 a n dh a r d n e s so fs o l d e rw e r ei n e a s e d 怕m4 1 3 h v o 1t 07 2 6 h v 0 1 t t a b s t r a c t t h eh a r d n e s so fs o l d e ri n c r e a s e sg r a d u a l l yw h e ns o l d e rw a sp l a c e di nt h en a t u r a l e n v i r o n m e n t w h i l et h ee l o n g a t i o na f t e rf r a c t u r eo b v i o u s l yd e c r e a s e s w h e nt h es o l d e rw a sp l a c e di nd r ye n v i r o n m e n ta t9 5 f o r10d a y s t h ec r y s t a l g r a i no fs o l d e rg r o wu p w h i l et h et e n s i l es t r e n g t ha n dh a r d n e s sh a sl i t t l ec h a n g e d w h e nt h es o l d e rw a sp l a c e di ns t e a me n v i r o n m e n ta t115 f o r6 6h o u r s t h e s t r u c t u r eo fs o l d e rh a so b v i o u s l yc h a n g e d t h es t r i a t i o ns t r u c t u r eh a sl a r g e l ya p p e a r e d t h et e n s i l es t r e n 醇ha n dh a r d n e s so fs o l d e rw e r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d h o w e v e r t h e b r i t t l ef r a c t u r eo b v i o u s l ya p p e a r e di nt h es o l d e r b r i t t l ef a i l u r eo fs o l d e ri ns t o r a g ep e r i o dr e s u l t sp o s s i b l yf r o mac o m b i n e da c t i o n o f p r e c i p i t a t i o no f o v e r s a t u r a t e do t l bp h a s ea n di n t e r e r y s t a l l i n ec o r r o s i o n k e yw o r d s c o p p e r a l u m i n u mb r a z ew e l d i n g z n a 1f i l t e rm e t a l b r i t t l ea p p e a r e d 1 1 i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t h i g hh u m i d i t ye n v i r o n m e n t i i i 引言 1引言 1 1课题的研究背景 1 1 1铝代铜和铜铝连接 铜矿资源是保障国家经济安全运行的重要物质基础 是仅次于石油的第二大 战略资源 我国的铜储量居世界前几位 但是人均储量约占世界人均储量的1 5 而且目前我国存在着大量铜矿规模小 品位低难处理等问题 更一步加剧了铜资 源的短缺 目前我国铜资源对外依存度超过5 0 每年需要从国外大量进口 来满足铜资源的消耗 而我国处于一个高速发展的时机 铜资源的消费连年增长 在2 0 0 2 年超过美国成为第一消费大国 铝的产量仅次于钢铁 是具有广泛用途的 战略性金属材料 我国是铝资源大国和铝工业大国 同时也是铝消费大国 我国 铝工业储量居世界第7 位 探明储量的铝资源全部为铝土矿且分布高度集中 总体来讲 我国铜材紧缺 每年需进口来满足国内市场的使用 而铝资源丰 富 在电力系统和制冷行业多使用铜或者铝材料作为传输电流和热的导体 由于 铜比铝在导电和导热特性上优越 使用铜材的比较多 但考虑到经济成本和我国 的资源状况 在这些行业中以铝代替铜是一个必然的发展趋势 6 7 铝代铜是目前工业中很有发展前景的一个方向 目前在铜铝连接领域主要有 熔焊 压焊 钎焊等连接方法 聃 尽管铜和铝都是好的导电和导热体 但是铝与铜在物理性能及化学性能方面 还存在较大的差异 其主要物理性能差别见下表u 表1 1 铜与铝物理性能主要差别 t a b l e1 1d i f f e r e n c e si np h y s i c a lp r o p e r t yb e t w e e nc o p p e ra n da l u m i n i u m 由于铜和铝对氧的亲和力比较大 当采用熔焊方法连接铜铝时 氧化现象比 较严重 在接头的两侧会形成c u o c u 2 0 和a 1 2 0 3 形成的这些氧化物会阻碍液 态钎料润湿母材 铜和铝线膨胀系数相差较大 焊接时会产生热应力 在焊接冶 金反应时 熔池中形成的气体会产生压力 导致焊接裂纹的产生 在冷却过程中 不能及时逸出的气体 还会形成气孔 另外在熔焊过程中 会产生大量的脆性相 l 引言 导致接头的力学性能严重降低 目前应用较成功的铝铜连接方法是压力焊 其中效果比较好的是冷压焊 摩 擦焊 爆炸焊和电阻焊 摩擦焊质量稳定 生产效率高 冷压焊是在常温下形成 接头 接头中不会大量产生影响接头性能的的铝铜脆性化合物 冷压焊要求母材 表面要绝对清洁 而且不能加工过细的线材和薄壁管材 也不能加工大直径的棒 材 1 2 1 5 爆炸焊是目前制冷系统铝铜管常用的连接方法 一般只用于平面或柱面 结构的焊接 且爆炸焊的生产率很低 临1 7 j 钎焊是目前铝铜连接研究的热点之一 钎焊的原理是将比母材熔化温度低的 钎料加热到低于母材熔化温度 但高于钎料熔化温度的温度 利用钎料填充接头 间隙而实现连接的一种焊接方法 l 引 钎焊按照钎料的液相线温度在4 5 0 c 为界限 分为硬钎焊和软钎焊 软钎焊一般依靠钎料对母材的润湿形成接头 1 9 2 2 由于钎 焊反应一般母材不会熔化 因此有利于异种金属之间的连接 钎焊时 可以使用 钎剂或不使用钎剂 通过钎料与铝和铜之间的接触反应实现连接 当不使用钎剂 时 钎焊需在真空或有保护气体才能进行钎焊 使其应用也受到一定的限制 当 使用钎剂进行钎焊时 焊接接头的外观和性能受钎剂和钎料的性能影响比较大 2 3 1 但钎焊与摩擦焊和冷压焊等焊接方法相比有设备简单 投资少等很多优点 另外钎焊的工艺简单 施工方便 对复杂形状的构件和焊缝有较强的适应性 通 过优化钎料和钎剂 还能够改进钎焊接头性能 因此用钎焊方法连接铜铝有较大 的发展潜力 综上所述 在铝铜连接的众多方法中 熔焊在根本上存在很大的难以解决的 缺陷 压力焊能够生产外观和性能优良的接头 是目前使用效果最好的方法 但 其成本高 适应性差 使其应用受到限制 钎焊方法成本低 适应性好 是非常 有发展前景的铜铝连接技术 1 1 2铝铜钎焊的研究现状 但是目前的铝铜钎焊技术还不成熟 钎焊工艺 钎剂和钎料等方面均有待改 进 国内学者杨瑞鹏认为锌锡钎料与灿反应钎剂匹配 在钎焊铜铝接头时可得到 较为理想的结果 另外在钎料中添加微量的稀土元素还可提高铜铝钎焊接头的强 度和抗腐蚀性 2 4 1 但是有另外的研究指出 这种以锌锡为基的钎料与a l 反应钎 剂匹配钎焊铜铝接头时 铜铝钎焊接头的抗腐蚀性难以保证 因为甜反应钎剂本 身是腐蚀性钎剂 焊后若清理不彻底 会吸潮形成电解质 加剧接头的腐蚀速度 2 引言 研究采用锌铝铜和锌铝硅合金钎焊铜铝接头的苏文英认为锌铝铜钎料的铺展性 以及火焰钎焊后得到的接头强度及抗腐蚀性均比采用锌锡铜钎料时要好 2 5 但 是苏文英等人在 铝 铜火焰钎焊材料研究 中介绍了几种钎料火焰钎焊铜铝的 情况 所得到的铜铝接头强度均较低 达不到工业生产上的要求 孙德超等人从 钎焊工艺参数 钎料和钎剂等三个方面对铜铝直接钎焊进行了一系列的研究 他 们认为在钎焊过程中 钎剂的腐蚀性对铝铜管接头强度的影响不大 而钎焊温度 和钎缝间隙对钎缝强度影响最大 2 6 1 赵越在对冰箱制冷系统铜铝管连接的研究 时发现 采用铝基钎料配合无腐蚀性的c s f a 1 f 3 钎剂来钎焊铜铝管时 能获得成 形良好的接头 合理控制工艺能够避免焊缝中脆性组织和气孔的产生 可以满足 产品的强度和抗腐蚀性要求 2 研究者为了解决残留钎剂的腐蚀作用以及清洗残留钎剂带来的污染问题 对 铝铜无钎剂钎焊技术进行了研究 当不采用钎剂时 钎焊一般需要在保护气氛或 真空状态下进行 2 8 1 哈尔滨工业大学的钱乙剁2 9 等人对c u a 1 接触反应研究表 明 5 7 0 5 8 0 的反应温度是比较适合的工艺参数 广岛大学的小山 3 0 等人研 究了采用m s i m g b i 钎料在真空环境下钎焊铜铝接头 认为合适的钎焊温度为 5 2 0 5 4 0 接头区域有c u a l 2 c u 3 a 1 2 等金属间脆性化合物产生 断裂破坏多 发生在此处 金属间化合物类型决定接头的强度 接头强度受焊接条件影响比较 小 山东大学李亚江 3 1 主要对铜铝异种金属的真空钎焊工艺及接头组织性能进 行了研究 结果表明通过控制合适的加热温度 保温时间和真空度可以获得结合 良好的铜铝异种金属接头 接头界面区只有很少量金属间化合物生成 近年来研究表明 铜铝钎焊主要难点在于以下几个方面 首先是铝母材表面 的氧化膜难以去除 当使用腐蚀性强的钎剂去除铝的氧化膜时 焊后没有清理干 净的钎剂残渣会吸潮形成电解液 对接头有强烈的腐蚀作用 其次铜 铝之间原 子相互扩散比较快 在钎焊的过程很容易在接头中形成脆性比较大的铜铝金属间 脆性化合物 导致钎焊接头强度低 最后铝铜钎焊是异种金属的钎焊 两者在物 理及化学性能存在着较大的差异 铜和铝的熔点 热容量 热传导差别很大 现 场操作时不易控制钎焊温度 造成工艺上的难度比较高 1 1 3铝铜钎焊用钎料的研究现状 目前可以用来钎焊铜铝的钎料主要有锡基 锌基 镉基 铝基钎料和药芯铝 焊丝等几种 3u 引言 由于铬有毒性 目前铬基钎料的应用很少 铝硅系钎料是共晶成分为基础的 一种钎料 具有很好的润湿性和流动性 钎焊所得的接头具有很好的抗腐蚀性 而且钎料具有很好的加工性能 能够做成薄片状等 所以目前的应用很广泛 在 铝硅系钎料中加入少量的镁所得到的铝硅镁系钎料 能够提高钎料的润湿性 在 真空环境中钎焊铜铝时 钎焊初期形成的镁蒸气可以吸收水汽 同时还可以通过 还原反应去除氧化膜等 3 2 在铝硅系钎料中加入少量的铜可以显著降低钎料的 熔点 降低钎焊温度 但是加入铜后 钎料的加工性能变差 很难加工成丝状和 箔状钎料 3 4 1 在此基础上再加入少量的锌一方面降低钎料的熔点 另一方面提 高了钎料的流动性和润湿性 改善了钎料的钎焊工艺性 锡锌共晶钎料是以锡为基的一种钎料 其最大优点是钎焊工艺性能好 s n 8 5 z n s n 8 0 z n 这两种是比较常用的该类钎料 当使用锡铅钎料来钎焊铜铝时 所得焊缝强度比较低 这是因为锡 铅和铝的互溶度都比较低 也不会生成金属 化合物 和母材的结合力很低 影响锡基钎料广泛应用于钎焊铜铝的一个主要原 因是锡基钎料的抗腐蚀性比较差 少量的锌和银等可以提高锡基钎料的润湿性和 抗腐蚀性 锡基钎料主要应用于电子工业中钎焊铜铝电子元器件 3 5 3 6 锌铝钎料是最为广泛地用来钎焊铜铝的一种高温锌基钎料 锌和铝的互溶度 比较大 所以当钎料在钎焊的过程中会快速向母材中扩散 因此所得铜铝接头一 般具有较高的强度 但是由于铜和铝的原子相互扩散速度比较快 在钎焊的过程 中也很容易形成脆性的铜铝金属间化合物 导致接头强度大大降低 将严重的影 响钎焊接头的使用 通过研究发现 通过适当的添加一些微量元素 这些微量元 素形成细小弥散的硬质相质点 起到弥散强化的作用 或者微量元素与母材和钎 焊材料形成固溶体 起到固溶强化的作用 这两种方式都可以有效的提高钎焊接 头的抗拉强度 2 近年来市场上出现了一种新型的铜铝钎焊用药芯铝焊丝 这种焊丝用来钎焊 铜铝接头能够得到很好的效果 药芯铝焊丝的外表是一层金属钎料 一般采用的 是锌铝合金等 内部是焊剂 一般采用氟铝酸铯一类的无腐蚀性钎剂 这种药都 要明显好于锌镉 锌锡铜等钎料 这种钎料可以应用于火焰钎焊 感应钎焊 电 阻钎焊 炉中钎焊等各种钎焊工艺 尤其是当采用火焰钎焊时更能体现其优势 因为药芯铝焊丝内部是钎剂 因此在焊接过程中不用再另外加焊剂 而且一般所 采用的氟铝酸铯等钎剂在常温下不具有腐蚀性 一次焊后不用清理残余焊剂 既 环保又能提高生产效率 由于加工工艺等比较复杂 药芯铝焊丝的价格要比普通 4 引言 实芯焊丝高 综合生产效率 后续处理等方面因素 药芯铝焊丝的优点还是比较 明显 目前在欧美等国外得到了较大范围的推广 在国内也有越来越多的厂家开 始使用这一类钎料p 7 3 9 1 1 2铝铜钎焊用z n ai 钎料的研究进展及存在问题 由于锌铝钎料在铝铜钎焊所使用的钎料中具有明显的优点 国内学者也越来 越多的关注到锌铝钎料的研究 苏文英 2 5 认为锌铝铜钎料是一种能够很好实现 铜铝连接的软钎料 具有极好的铺展性 拉伸强度 火焰钎焊后的得到的铜铝钎 焊接头强度 抗腐蚀性也较好 采用该种钎料所得到的钎焊接头的中焊缝中含的 金属间化学物较少 对焊接接头的性能影响较小 锌铝硅钎料是一种用于铜铝连 接的硬钎料 其电阻系数 拉伸强度较好 火焰钎焊后所得到的铜铝接头强度也 较高 当采用锌铝硅钎料火焰钎焊得到的铜铝接头的组织中 铝铜金属间化合物 的量比较多 对接头性能影响较大 中南大学的刘正林即 对铜铝钎焊用锌铝钎 料做了一系列研究 他认为通过调整钎料中铝的含量 能够有效的提高锌铝钎料 的抗拉强度 这有助于提高钎焊后所得到的钎焊接头的强度 当钎料中铝含量在 l o w t 左右时 钎料的强度最高 而且随着钎料中铝含量的提高 钎料对母材的 润湿性变好 钎料中添加适量的铜元素可以提高钎焊接头的强度 过量会明显降 低接头的强度 且钎料中加入铜元素后 能够改善钎料在母材铝上的铺展性 采 用锌铝钎料所得到的钎焊接头抗拉强度和抗腐蚀性都要明显优于锡基钎料和锌 锡钎料 郑州机械研究所在铜铝钎焊用锌铝钎料的研究方面比较深入和系统 在国内 处于领先地位 龙伟民 黄俊兰 4 l 等系统研究了微量元素对锌铝钎料组织与性 能的影响并得出一些结论 通过添加适量银元素可以改善锌铝钎料的润湿性和填 缝性 得到更优良的铜铝接头 同时而且银元素可以提高铜铝接头抗盐水腐蚀的 能力 通过添加适量铜元素一方面可以改善钎料的润湿性 同时还可以提高钎料 的强度和铜铝接头的抗拉强度 这是因为适量的铜可以起到固溶强化的作用 通 过添加适量镍也可以改善钎料的润湿性并同时提高接头的抗拉强度强度 通过添 加适量稀土元素大大提高钎料的润湿性 同时可以起到细化晶粒 净化钎缝的作 用 从而提高接头的抗拉强度强度 4 2 1 但是目前在锌铝钎料应用过程中发现了它的一种失效行为 锌铝钎料在自然 存储 存放和运输过程中的塑性会逐渐降低 甚至会产生 脆性 断裂 这对锌 5 引言 铝钎料的广泛应用带来了很大的障碍 对生产和使用锌铝钎料的企业带来了严重 的经济损失 郑州机械研究所的龙伟民研究员 4 3 对这一失效现象作了一些研究 并得到一些结论 他认为锌铝钎料产生脆性断裂的机理主要有三个因素 首先是 锌的晶体晶格结构 其次是锌铝合金的晶间腐蚀 还有一个因素是锌铝合金的应 力腐蚀 钎料合金的铝含量一般不大于2 2 一般锌铝钎料的铝含量为2 和5 这两 种成分 所以锌铝钎料属于高锌合金 其晶格结构更倾向于保持着锌的晶体结构 锌属于密排六方晶格结构 其中晶格常数c 为4 9 4 7 1 0 1 0 m a 为2 6 6 5x 1 0 1 0 m 可以看出锌的晶格的c 轴长度比a 轴长很多 因此当一定的情况下 晶格容易在c 轴发生断裂 龙伟民研究员 在研究过程中发现 铸态下的锌铝合金晶粒与挤压组织 轧制组织或者拉拔组织相比 铸态组织的晶粒大很多 但是铸态的锌铝合金并不 像锌铝钎料这么容易发生 脆断 这种失效行为 由此他推断应力腐蚀也是引发 锌铝钎料脆性断裂的一个因素 一般认为影响应力腐蚀的主要因素有冶金因素 力学因素和环境因素三大 类 其中冶金因素和力学因素可以在分别通过在钎料中添加微量元素和消除应力 来减少这部分的影响 但是锌铝钎料仍然会有部分出现 脆断 现象 所以推断 环境因素可能在钎料的失效现象中起到一个重要的作用 1 3 本文的研究目的及意义 铜铝连接在空调制冷等行业有着广阔的应用前景 相比于其他的连接方法 钎焊以其显著的成本和性能优势在铜铝连接中得到了广泛的应用 含银锡基钎料 和锌锡钎料 配合铝反应钎剂 可以制备强度性能较高的铝铜钎焊接头 然而接 头的抗腐蚀性能很差 锌铝钎料配合无腐蚀性钎剂得到的钎焊铝铜接头的抗腐蚀 性能较好 在锌铝钎料通过添加微量元素可以有效提高接头的强度 很好的满足 目前工业中的使用要求 但是目前锌铝钎料面临着在生产 存放过程中出现脆断 现象的问题 这严重阻碍了锌铝钎料的发展前景 本文的研究目的和意义就在于 通过对钎料在存放过程的组织和性能进行研究 尽可能的找出影响锌铝钎料产生 脆断 现象因素 并为下一步彻底解决锌铝钎料的 脆断 问题提供参考 6 1 4 本文的研究内容 通过提高铝含量和添加微量碱土元素 分析其对钎料在自然状态下的组织和 性能改变的影响 改变钎料存放环境 观察在不同的环境因素下钎料的组织和性 能的变化 为钎料产生脆断现象的原因做初步的判断 并为下一步的研究提供参 考 具体内容有 1 通过拉伸试验 显微硬度测试试验来测试钎料的力学性能 并采用s e m e d s x r d 等分析方法观察钎料组织形貌 物相变化 元素含量等 采用力学性 能与组织形貌 物相分析相结合的方法分析钎料在室内环境放置时 其组织性能 随时间的变化 2 通过提高钎料中铝含量和添加微量碱土元素 分析其在钎料在室内环 境放置过程中对钎料组织性能随时间变化的影响 3 将钎料放置在9 5 的干燥环境保存1 0 d 观察钎料在放置前后组织与性 能的变化 分析温度在钎料放置过程中的影响 4 将钎料放置在l1 5 2 的高温水蒸气环境中腐蚀6 6 h 观察钎料在放置前 后组织与性能的变化 分析高温水蒸气环境对钎料在放置过程中的影响 7 试验方法及分析测试手段 2试验方法及分析测试手段 2 1 试验用原材料 作为钎焊铜铝异种金属的填充材料 钎料既要对铜铝母材具有良好的润湿 性 又要具有一定的力学性能 a l 的质量分数为1 5 的锌铝钎料对铜和铝都有较 好的润湿性 且其力学性能也能满足一般的使用要求 在工业生产中使用也较广 泛 为了比较其他因素对钎料在放置过程中的影响作用 本试验在此基础上设计 三种成分的钎料 其对应的化学成分如表2 1 所示 制作这三种成分钎料所使用 的原材料为牌号为l 2 的工业高纯铝 铝的质量分数大于9 9 8 5 主要杂质铁和 硅含量低于0 1 5 电解锌 锌的质量分数大于9 9 5 主要杂质铅 铬和铁的 含量低于0 5 表2 1试验用钎料的化学成分 训 t a b l e2 1 c o m p o s i t i o no ft h ee x p e r i m e n t a ls o l d e r s 叭 2 2z n a 1 钎料的熔炼及加工工艺 2 2 1熔炼工艺 将块状纯锌和纯铝按配比加入到石墨坩埚中 采用高频感应加热进行熔炼 熔炼温度为6 5 0 c 加入铝合金精炼剂 去除杂质 4 s 在熔炼过程中加入所需要 的微量元素 保温2 0 r a i n 然后进行浇铸 2 2 2z n a 1 钎料的加工工艺 将铸锭加热到2 5 0 保温一段时间进行热挤压 首先得到q 2 0 r a m 的棒材 再 经第二次热挤压得到 4 5 m m 的丝材 最后在l s 3 6 0 型拉丝机上经多道次拉拔 成 3 m m 的焊丝 将拉拔后得到的焊丝在1 0 0 下保温0 5 一 2 h 去除应力 8 试验方法及分析测试手段 2 3 组织分析 2 3 1s e m e d s 分析 试样的制备和腐蚀过程如图2 1 所示 试样是直径只有3 m m 的丝状钎料 所 以必须先用x q 一2 b 镶嵌机镶样才能进行抛光 最后再将试样取出在电子扫描显微 镜下观察 图2 1 扫描试样的制备过程 f i g u r e2 1 p r e p a r i n gp r o c e d u r eo fs e ms a m p l e s 本试验在p h i l i p 生产的q u a n t a 2 0 0 型扫描电镜上进行 主要是利用其对钎料 的组织形貌和能谱分析 2 3 2x r d 分析 把钎料轧成薄片状 在p h i l i p sp w l 7 0 0 型x 射线衍射仪上进行试验 以c u kq 为靶材 工作电压为4 0 k v 电流为4 0 m a 扫描速度为4 m i n 起始角度为3 5 终止角度为8 8 2 a 性能测试 2 4 1常温拉伸性能测试 参照g b t2 2 8 1 2 0 l o 金属材料拉伸试验第1 部分 室温试验方法 规 定 直径在4 m m 以下的试样一般为产品的一部分 不用加工成标准试样 原始标 距 厶 取2 0 0 m m 或者1 0 0 m m 本课题采用原始标距1 0 0 m m 的试样 由标准可知 平行长度 乜 应大于等于1 5 0 m m 所取试样保证无缺陷 采用型拉伸试验机 并用游标卡尺测定拉伸前后试样标距的长度变化 根据公式么 瓯瑚悔计算钎 料的断后伸长率 其中三 为断后标距 9 试验方法及分析测试手段 2 4 2显微硬度测试 将镶嵌好的试样经砂纸打磨并抛光后 采用国产h v 一1 0 0 0 型维氏显微硬度计 进行显微硬度测试 负载l o o g 加载时间1 0 s 每个试样取5 个点测定 去除偏差 较大的结果 求平均值 1 0 3钎料z i a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 3 1 办魁l 5 凝固结晶过程及组织形貌 3 l 圃 竺兰纂 纛郴 俐煳5 的 l n m 5 删 图3 1 为锌铝二元相图 从相图中可知 m 质量分甄刀1 细则 一 凝固过程为 在4 6 0 时发生析晶反应 工j 口初 缘 温度下降到共晶温度时发生共晶反应 直至 凝固完全 此时合金组织为磊砌 p 随着温度继续下降 初生口 相和共晶体中口相一起发生共析转变2 专叻 p 咪删 骺芝二嚣嚣铲 鳓 p 初 群q p j 十p j 图3 1 z n a l 二元相图 f i 畔3 1 z n a ip h a s ed i a g r a m 鼬 鲫 湖 枷 擂 埘 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 3 1 2z n a l l 5 组织形貌 图3 2 图3 3 和图3 4 分别为铸态z n a l l 5 合金的金相显微组织 经挤压拉拔制 和退火处理后得到的直径为3 m m 钎料z n a l l 5 的金相显微组织和钎料z n a i l 5 的 s e m 扫描照片 由相图知道 砧含量在1 5 的锌铝合金在平衡凝固过程结束后的 组织为 a l 初 唧 夕 纠 其中n 相是都是z n 固溶于砧中形成的以a 1 为基的 固溶体 面心立方晶格 在不同凝固时间形成的q 相的z n 含量和晶格常数还存 在差别 但是在实际的凝固过程中 金属的凝固过程一般都是非平衡凝固过程 因此z n a l l 5 在凝固过程中不会如相图所示那样的产物 其室温下最终产物应该 是共晶组织 共析组织以及初生a 相等 4 卜5 3 从图3 3 中可以看出 铸态合金经 过一系列加工后 组织变的极为细小 这有利于提高钎料的力学性能 丝状钎料 的显微硬度与铸态合金相比有所下降 塑性则提高 这是因为具有超塑性的锌铝 合金存在 加工软化 现象 经挤压拉拔后钎料的组织在加工过程中破碎变小 在普通光学显微镜下已经很难观察其组织形貌 因此需采用扫描电镜对钎料组织 进行观察 图3 4 中颜色最深的为富铝 相 颜色稍亮的为共析体或共晶体 可以看出 z n a l l 5 铸态合金经挤压拉拔制成直径为3 m m 的丝状钎料后 其铸态组织中的枝 晶完全被破碎成小晶粒 组织更加均匀 其力学性能得到了提高 图3 2z n a l l5 铸态组织照片 f i g u r e3 2 m i c r o s t r u c t u r eo f z n a l l 5a l l o ya s c a s t 1 2 图3 3z n a l l 5 钎料显微组织 f i g u r e3 3 m i c r o s t r u c t u r eo f z n a l l 5s o l d e r 图3 4z n a l l 5 钎料s e m 照片 f i g u r e3 4 s e mm i c r o g r a p ho f 7 n a l l 5s o l d e r 图3 5 为z n a l l 5 丝状钎料的扫描电镜图片及取点位置能谱分析 表3 1 为图3 5 取点位置对应的能谱分析结果 1 3 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 图3 5z n a l l 5 钎料的扫描电镜照片及能谱图 f i g u r e3 5 s e m m i c r o g r a p ha n de d sd i a g r a mo f z n a l l 5s o l d e r 表3 1z n a i l 5 钎料能谱分析结果 t a b l e3 1e d s a n a l y z i n gr e s u l t so f z n a l l 5s o l d e r 钎料的能谱分析结果如表3 1 所示 1 点铝的含量3 7 4 7 2 a 铝的含量为 1 6 1 对照锌铝二元相图可知 l 点处黑色相为砧含量较高的q 相 2 点处成分 与共析点成分相近 2 点处灰色相可能包括共析组织与共晶组织等 1 4 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 j 矗 菪 鬲 c 3 三 加4 5 弱 7 07 5 弱 2 0 d e g r e e 图3 6z n a l l 5 钎料的x r d 谱图 f i g u r e3 6 x r d d i a g r a mo fz n a l l5s o l d e r 图3 6 是z n a l l 5 钎料的x r d 谱图 从x r d 中可以看出 z n a l l 5 钎料的相主要 由 a 1 和1 3 z n 组成 因为在熔炼时采用的是纯锌和纯铝 因此其中含有极少量 的其他元素 由于仪器的检测精度 观察不到其他的相 从x 射线衍射分析结果 来看 虽然钎料的组织是由共析组织 共晶组织等组成 但是其中包含相的就只 有a a i 和b z n 两种 只是这两种相中的舢和z n 的含量有着比较大范围的波动 3 2钎料z n a l l 5 组织随时效时间的变化 在实际铸造条件下 金属的凝固过程是非平衡凝固过程 相图中的反应不能 进行彻底 室温下a 相和p 相都是过饱和相 随着放置时间的延长 这些过饱和 相将会发生分解 5 l 这些不稳定相在放置过程中向稳态转变的分解过程就是自 然时效过程 在这个过程中 锌铝合金会形成巨大的内应力 促进晶间腐蚀 并 造成塑性明显下降 使合金变脆 这就是常说的锌铝合金的 老化 s 2 s 3 在锌 铝合金的自然时效过程中锌铝合金的相变是很复杂的 本节从组织成分及相来分 析锌铝钎料在放置过程中的变化 1 5 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 3 2 1钎料z n a l l 5 在自然时效过程中组织及成分的变化 图3 7z n a l l 5 钎料组织形貌随放置时间的变化 f i g u r v 3 7 v a r i a t i o no f m i c r o s t r u c t u r co f z n a l l 5s o l d e r 嬲a g i n gt i m ec h a n g i n g 图3 7 中的a b c 和d 分别为z n a l l 5 钎料在自然环境下放置1 个月 3 个月 5 个月和7 个月后的s e m 照片 其中黑色相是舢含量高的q 相 灰色相应 该为z n 含量较高的b 相和q 相形成的共析组织 从图中可以看出 随着时效时 间的延长 富铝q 相黑色部分的体积百分比有所增加 而z n 含量较高的1 3 相和 q 相组成的共析组织的灰色部分体积百分比则随时效时间的延长有所减少 利用 图片处理软件p h o t o s h o p 可以计算中这两种不同颜色的相在整个组织中所占的比 例 如图3 8 所示 图3 9 是在不同放置时间黑色相所占比例变化 从图3 9 可以很 直观的看到 随着放置时间的延长 黑色q 相所占组织中的比例在不断升高 而 灰色相的面积所占比例不断下降 黑色q 相面积所占组织比例在7 个月时比1 个月 时增加了1 8 左右 这可能是因为随着放置时间的延长 灰色的共析组织的p 相 和a 相发生了分离 分离中来的q 相与原来的结合在一起 所以体积百分比有所 增多 而剩余的是没有发生分离的共析组织以及分离出来的b 相 还有一种原因 1 6 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 从文献 5 4 可以知道 锌铝组织中含z n 量高的相不耐腐蚀 在放置的过程中 由 于灰色的组织中z n 的含量比黑色相中 z n 的含量高很多 会首先发生腐蚀行为 也会导致灰色的组织的体积百分比变少 为了弄清楚在放置过程中趾u 1 5 钎料组织中1 3 相和q 相的变化 对放置不 同时间的z n a l l 5 钎 图3 8 利用p h o t o s h o p 计算黑色q 相的体积百分数示意图 f i g u r e3 8 s c h e m a t i cg r a p ho fq p h a s ev o l u m ep e r c e n t a g ea c c o r d i n gt op h o t o s h o p 0 123456 7 自然放置时间 f l 图3 9 黑色q 相体积百分数随放置时间的变化 f i g u r e3 9 v a r i a t i o no fa p h a s ev o l u m ep e r c e n t a g ea sa g i n gt i m ec h a n g i n g 图3 1 0 1 2 时效3 个月 5 个月 7 个月后z i 认1 1 5 丝状钎料的扫描照片和能谱 图 表3 2 4 分别为g i l a 1 0 1 2 取点位置对应的能谱分析结果 1 7 6 墨丑冬阻露硎衄避鼷恒罂印涨 翻 褂 l 号砉 f 蔷鼍篙鼍f 掣g j l 0 峄1 4 1 掣龟 锪冀t 紫i i m i t m w z b 群 t v 图3 1 0 时效3 个月后z n a i l 5 钎料的扫描照片和能谱图 f i g u r e3 10 s e m m i c r o g r a p ha n de d sd i a g r a mo f z n a ll5s o l d e ra f t e ra g e dt h r e em o n t h s 表3 2 时效3 个月后z n a l l 5 钎料能谱分析结果 f i g u r e3 2 e d sa n a l y z i n gr e s u l t so f z n a l l 5s o l d e ra f t e ra g e dt h r e em o n t h s 取点位置 z n元素质警数 o a l u 1 2 4 5 0 3 8 3 7 4 5 3 8 9 1 3 8 4 1 0 8 2 4 2 钎料z n a l l 5 在自然环境放置过程中组织和性能的变化 磊品丽忑鬲鬲石丽砭爱露f 一 蚋 一 嚣肾盯 l 嘲 玉皇螂雀譬号 葛 啐 譬单雀 竿出糊乎 土尸z 扣 k 鼍擎 蠹 瓮产薏产篙尸篙 蔷上毒盆蕊一 n c r 钟 州 刚 图3 1 1时效5 个月后z n a l l 5 钎料的扫描照片和能谱图 f i g u r e3 11 s e mm i c r o g r a p ha n de d sd i a g r a mo fz n a ll5s o l d e ra f t e ra g e df i v em o n t h s 表3 3时效5 个月后z n a l l 5 钎料能谱分析结果 f i g u r e3 3 e d sa n a l y z i n gr e s u l t so f z n a l l 5s o l d e ra f t e ra g e df i v em o n t h s 取点位置 z n元素质量a 分i 数 o 1