《钎焊》课件 第1-5章 概论、钎焊基本原理- 钎焊方法及设备

钎焊SolderingandBrazing第1章

概论主讲教师：联系方式：第1章概论(Introduction)1.1钎焊基本内涵及特点1.2钎焊原理及应用实例1.3钎焊工艺方法及设备1.4钎焊材料1.5钎焊接头的设计1.6钎焊的科学问题钎焊最鲜明的特征：母材不化，钎料化“钎焊基本内涵”：(1)加热(钎料合金熔化)(2)液态金属与固态被焊材料之间发生作用(扩散与溶解)(3)原子或分子之间结合(冶金结合)“钎焊”――通过加热，使得熔化金属与固态被焊材料之间发生物理化学作用，实现原子或分子之间的扩散与结合，形成连接的工艺过程。1.1钎焊基本内涵及特点

钎焊技术特点加热温度较低焊件变形小尺寸精确高可焊异种金属或材料适合于批量生产生产率很高接头强度低耐热性差1234564个优点，2个缺点1.1钎焊基本内涵及特点(a)钎料熔化

(b)钎料毛细填缝中

(c)钎料毛细填缝完成(a)钎料熔化

(b)钎料部分润湿母材

(c)钎料全润湿母材1.2钎焊技术原理及应用实例(1)钎料和母材的同时加热过程，钎料、钎剂加热至熔化；(2)液态钎料和母材表面氧化膜去除；(3)液态钎料与母材发生润湿、流动铺展、毛细填缝，同时发生相互扩散与溶解，冷却时产生冶金结合。钎焊过程中发生的物理化学及冶金现象(1)钎料和母材的同时加热过程，钎料、钎剂加热至熔化；(2)液态钎料和母材表面氧化膜去除；(3)液态钎料与母材发生润湿、流动铺展、毛细填缝，同时发生相互扩散与溶解，冷却时产生冶金结合。钎焊过程中发生的物理化学及冶金现象焊缝生成示意1.2钎焊技术原理及应用实例钎焊工艺设计的基本要素钎料、钎剂选择(材料准备)钎焊工艺方法选择(加热手段)钎焊过程设计：接头形式、钎料钎剂放置方式、加热冷却过程参数、焊后处理等1.2钎焊技术原理及应用实例1.2钎焊技术原理及应用实例印刷电路板(PCB)、电子元器件软钎焊，如钎料用SAC305焊锡丝或焊锡膏，钎焊方法用电烙铁钎焊、热风钎焊等。实例2通讯基站铜管铝板散热器大型空冷设备双金属椭圆翅片管CPU热管散热器超临界发电机组空冷设备散热器的钎焊（铝钎焊、铜钎焊）1.2钎焊技术原理及应用实例实例31.2钎焊技术原理及应用实例夹层复合板件，蜂窝铝复合板和泡沫铝复合板，Al基钎料，气氛保护钎焊。实例41.2钎焊技术原理及应用实例切割刀具，金刚石/钢钎焊，NiCr、Cu、AgCuTi钎料,真空或气氛保护钎焊。超耐磨换向器，石墨/Cu电子器件用电极，Al2O3陶瓷/可伐合金钎焊，钎料AgCu，真空钎焊或氢气炉钎焊。涡轮增压器钛铝金属间化合物涡轮与钢轴焊接组件，Ni基钎料，真空钎焊实例51.3钎焊工艺方法及设备电阻钎焊、感应钎焊、电弧钎焊；火焰钎焊、真空钎焊、气氛保护钎焊；烙铁钎焊、回流焊等。

1.4钎焊材料钎料填充材料,(fillermetal，钎焊主体之一)钎剂助焊剂，(flux,去膜，防二次氧化)3气体N2,Ar等，(保护焊接件，不被加热氧化)21钎焊材料：1.5钎焊接头设计母材表面氧化膜去机制化学反应去膜物理去膜钎料与母材润湿机制物理冶金润湿化学冶金润湿钎料流动成形机制毛细填缝机制原位成形接头完整性钎料与母材冶金作用规律界面溶解界面冶金反应界面和钎缝组织结构接头性能及可靠性钎焊冶金过程流程图及其主要科学问题1.6钎焊科学问题母材不化，钎料化。钎焊SolderingandBrazing第2章

钎焊基本原理主讲教师：联系方式：2.1润湿2.1.1润湿的基本概念2.1.2润湿原理2.1.3润湿性的评定方法2.1.4润湿性的影响因素第2章钎焊基本原理--钎焊过程中钎料与母材的相互作用行为2.2液态钎料流动行为2.3钎料合金与母材的冶金结合2.3.1母材的溶解2.3.2钎料的扩散2.3.3钎缝成分和组织结构012.1润湿2.1.1润湿的基本概念2.1.2润湿原理2.1.3润湿性的评定方法2.1.4润湿性的影响因素1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素荷叶上的露珠1.润湿的现象2.1润湿汽车挡风玻璃上的雨水真实照片矢量图矢量图1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素1.润湿的现象2.1润湿水滴形状：荷叶-扁球形，玻璃-球缺形水滴的状态：荷叶-滚动，玻璃-流动铺展1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素1.润湿的现象2.1润湿

90°润湿球缺型

90°不润湿扁球形θ

sg

ls

lg钎料母材θ

lg

sg

ls钎料母材2.润湿的物理模型2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素3.表面与界面根据物质的状态，通常可以分为气-固、气-液、液-固表面与界面。界面区的结构、组成和能量等都呈现连续的梯度变化。界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂、厚度极小的准三维区域，因此，通常把界面区域称为界面层。在多相不均匀体系中，表面和界面指的是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。习惯上，液体与固体、液体与液体、固体与固体之间的过渡区称为界面。固体气-固界面气体液体气-液界面液-固界面2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素(1)液体的表面张力和表面能液体中的分子或原子之间存在短程的相互作用力（分子之间的作用力称为范德华力），处在液体表面层的分子或原子与处在液体内部的分子或原子所受的力场是不同的。液体表面的分子或原子受到的是拉入本体内的力，力图将表面积缩小，作用的表面层分子或原子只限于1~2层。2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素液体中的分子或原子之间存在短程的相互作用力（分子之间的作用力称为范德华力），处在液体表面层的分子或原子与处在液体内部的分子或原子所受的力场是不同的。液体表面的分子或原子受到的是拉入本体内的力，力图将表面积缩小，作用的表面层分子或原子只限于1~2层。1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(1)液体的表面张力和表面能从力学角度看，表面张力是液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力（N/m）。从热力学角度看，表面张力将这体系的表面能降至最小，也就是形成或扩张单位面积的界面所需的最低能量，单位面积上的自由能（J/m2），即表面能，它的数值和表面张力（N/m）一致。气体液体表面张力表面张力范德华力从热力学角度，液体表面自动收缩使表面积减小，系统的能量越低越稳定。促使液体表面收缩的力叫做表面张力。1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(1)液体的表面张力1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(2)固体的表面张力和表面能固体表面应力固体中的分子或原子之间存在短程的相互作用力，是通过化学键产生的作用力。若将体相分离构成新表面后，固体表面的分子或原子的受力是不平衡的，与液体表面一样受到指向固体内部的力，这个应力被称为表面应力，在表面应力的作用下，固体中的分子或原子会向平衡位置缓慢迁移，表面应力缓慢降低。1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(2)固体的表面张力1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(2)固体的表面张力和表面能固体表面张力表面张力表面应力经过长时间的变化，表面的分子或原子达到新的平衡，迁移至新的位置，表面应力趋近表面张力。固体表面的分子或原子具有残余的应力场，使得其具有吸附其他物质的能力，或叫吸附作用。固体表面的吸附作用分为物理吸附和化学吸附。物理吸附的作用力是范德华力（Vanderwaals）；化学吸附的作用力与化合物中形成化学键的力相似，其数值大小要比范德华力大得多。1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(3)液/固体的界面张力和界面能液相与固相之间存在一个物质逐步过渡的界面区，是液固两表面接触并发生相互作用的区域。液体表面张力促使其表面收缩的力,固体表面张力使其吸附其他物质。当液相与固相的两表面接触时，液相与固相发生相互作用，其作用结果产生了液固界面张力或界面能。固体液体界面张力界面张力1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)(3)液/固体的界面张力1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.表面能与界面能(表面与界面张力)定义01是指固体表面上的气体被液体取代的过程。表观角度的润湿定义02是指液体与固体接触后造成液固体系自由能降低的过程。热力学角度润湿分类01附着润湿是指液体与固体接触后，将液气相界面和气固相界面变为液固相界面的过程。附着润湿分类02浸渍润湿是指固体浸入液体的过程，此过程中气固相界面被液固相界面所取代，而液相表面没有发生变化。浸渍润湿分类03铺展润湿是指液滴在固体表面上覆盖并展开的过程，液固相界面取代气固相界面，同时，液气相界面发生形状尺寸的变化。铺展润湿2.1润湿5.润湿的定义及分类1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿1.润湿的物理本质润湿使得液固体系自由能降低（热力学）某液体与某固体的润湿性：指的是液体与固体表面之间的亲和程度。润湿的物理内涵液体与固体表面的分子或原子之间的吸引力＞液体本身原子之间的吸引力润湿发生的条件1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿2.润湿的数学模型（杨氏方程）(1)体系T，P和组成不变；(2)系统处于平衡状态；(3)忽略重力影响。假设条件

--接触角，液体表面的切线方向与液固界面的夹角

lg—液态金属的表面张力

sg—固体材料的表面张力

ls—液固材料对的界面张力物理参量θ

sg

ls

lg钎料母材θ

lg

sg

ls钎料母材

1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素液态钎料能对母材润湿是钎焊过程进行的前提条件。接触角越小，润湿性越好。

评定原则：(1)接触角法（润湿角观测装置）温度不变的条件下，液态钎料与母材的接触角

越小，润湿性越好。

1.试验评定法Zn-5Al1060AlAg-Cu-TiAl2O3ceramic纯Sn2024Al2.1润湿1.润湿性的评定方法1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿2.润湿性的评定方法Sn-Ti钎料在ZrO陶瓷表面的润湿铺展过程

液态钎料能对母材润湿是钎焊过程进行的前提条件。接触角越小，润湿性越好。

评定原则：(1)接触角法（润湿角观测装置）温度不变的条件下，液态钎料与母材的接触角

越小，润湿性越好。

1.试验评定法1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿3.润湿性的评定方法AB钎料母材θ钎料母材AB

(a)母材表面铺展后钎料俯视图；(b)钎料与母材的截面图及接触角测试接触角法评定润湿性原理示意图液态钎料能对母材润湿是钎焊过程进行的前提条件。接触角越小，润湿性越好。

评定原则：(1)接触角法（润湿角观测装置）温度不变的条件下，液态钎料与母材的接触角

越小，润湿性越好。

1.试验评定法1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素钎料母材2.1润湿4.润湿性的评定方法液态钎料能对母材润湿是钎焊过程进行的前提条件。接触角越小，润湿性越好。

评定原则：(1)接触角法（润湿角观测装置）温度不变的条件下，液态钎料与母材的接触角

越小，润湿性越好。

1.试验评定法

液态钎料体积一定，液态钎料在母材的铺展面积s越大，润湿性越好。(2)铺展面积法1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素铺展面积法评定润湿性原理示意图(a)母材表面铺展后钎料俯视图；(b)钎料铺展面积的计算原理2.1润湿3.润湿性的评定方法评定原则：液态钎料能对母材润湿是钎焊过程进行的前提条件。接触角越小，润湿性越好。

1.试验评定法(1)接触角法（润湿角观测装置）温度不变的条件下，液态钎料与母材的接触角

越小，润湿性越好。

(2)铺展面积法液态钎料体积一定，液态钎料在母材的铺展面积s越大，润湿性越好。

2.理论评定法(1)定量分析法：杨氏方程法

(2)定性分析法：相图法（在2.1.4节中详细介绍）

1润湿的基本概念2润湿原理3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素1.钎料和母材中元素之间的冶金作用的影响2.钎焊温度的影响3.母材表面状态的影响4.钎料中填加表面活性物质的影响5.母材表面氧化物的影响

1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿2.1润湿1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响

lg—液态金属的表面张力决定润湿性程度，不能决定是否润湿；

sg—固体材料的表面张力不能完全决定是否润湿；

sg—液固材料对的界面张力决定是否润湿，其本质是元素之间冶金作用。气体液体表面张力表面张力范德华力固体表面张力表面张力表面应力固体液体界面张力界面张力

1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素金属元素之间冶金作用对润湿的影响：(润湿判定原则)(1)液、固态均不发生相互作用，不润湿；(无溶解、不反应，不润湿)(2)液、固态均可以相互溶解和固溶，可润湿；(无限溶解、有限固溶，可润湿)(3)固态相互化合，可润湿(无固溶、有化合，可润湿)(金属元素之间液相互溶，凝固时形成IMC)2.1润湿1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素a)液、固态均不发生相互作用(无溶解、不反应)例：Ag不能润湿Fe。元素Fe与Ag，液固态溶解度均是零，在1125℃

ls

3.4N/m，

90

，说明Ag对Fe的润湿很差。

这样的金属元素对还有：Fe－Pb，Fe－Bi，Fe－Cd。结论：无溶解、无反应，不润湿（无作用不润湿）

(1)纯金属／纯金属之间冶金作用1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(b)液、固态均可以相互溶解和固溶液态时无限or有限溶解，凝固时可以是无限，or有限固溶。

例(1)：Ag润湿Ni,Ag在Ni中

(Ag)=3%~4%(1200℃),Ag对Ni的

ls(比较小),说明Ag对Ni的润湿性比Ag对Fe有所改善。例(2)：Ag润湿Cu,Ag在Cu中

(Ag)=8%(779℃),Ag对Cu的

ls=0.28N/m，说明Ag对Cu的润湿性好。例(3)

：Cu润湿Fe,Cu在Fe中

(Cu)=3%~4%(1100℃),Cu对Fe的

ls=0.28N/m。(1100℃)，说明Cu对Fe的润湿性好。

结论：有溶解，可润湿（固溶润湿）

1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(c)固态相互化合液固相之间通过溶解扩散，成分比例达到共晶成分，发生共晶反应，形成低熔点共晶液相，凝固时形成金属间化合物IMC。例(1)铝与钢的熔钎焊，铝合金钎料可以润湿钢。原因：Al可以与Fe液态溶解，无固溶，发生化学反应润湿。例(2)在AgCu钎料中添加Zn、Sn、Si元素，均可以改善钎料与钢(Fe)的润湿。原因：Zn、Sn、Si元素与Fe化合反应，化学反应促进润湿。结论：无固溶、有化合，可润湿（反应润湿）

1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(a)纯金属与合金从润湿性评价实验结果：Ag对不锈钢润湿性不好原因：不锈钢(1Cr18Ni9Ti)核心成分是Fe，Ag对Fe润湿困难。Ag对镍基合金润湿性好原因：镍基合金(NiCr)核心成分是Ni，Ag对Ni有一定的润湿性。镍基合金不锈钢1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(2)纯金属／合金，或合金／合金之间冶金作用图1-6.Ag在不锈钢(1Cr18Ni9Ti)和镍基合金(NiCr)表面铺展面积的影响曲线b)钎料合金/母材合金例1：Ag、Cu合金钎料，改善不锈钢的润湿性（核心元素Fe）Fe与Ag，溶解度是零，在1125℃

ls

3.4N/m，

90

，说明Ag对Fe的润湿很差。

Fe与Cu，Cu在Fe中

(Cu)=3%~4%(1100℃),Cu对Fe的

ls=0.28N/m(1100℃)，说明Cu对Fe的润湿性好。钎料中添加润湿元素，可以改善其润湿性。1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(2)纯金属／合金，或合金／合金之间冶金作用合金元素Pd、Mn、Ni、Zn、Sn、Si对AgCu钎料在钢表面铺展面积的影响曲线b)钎料合金/母材合金例2：添加多元润湿性元素，改善润湿性。(Ⅰ)在AgCu钎料中，加入Pd、Mn、Ni，均可以促进AgCu与钢的润湿。原因：Pd、Mn、Ni与钢的核心成分Fe可以无限固溶。Ni含量低时，作用效果与Pd、Mn相近，含量高时，作用变差(钎料熔点)。1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(2)纯金属／合金，或合金／合金之间冶金作用合金元素Pd、Mn、Ni、Zn、Sn、Si对AgCu钎料在钢表面铺展面积的影响曲线1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(2)纯金属／合金，或合金／合金之间冶金作用b)钎料合金/母材合金例2：添加多元润湿性元素，改善润湿性。(Ⅱ)在AgCu钎料中，加入Zn、Sn、Si，均可以促进AgCu与钢的润湿。原因：Zn、Sn、Si与钢的核心成分Fe可以化合，对AgCu与Fe的润湿性有一定的改善。合金元素Pd、Mn、Ni、Zn、Sn、Si对AgCu钎料在钢表面铺展面积的影响曲线1．钎料和母材中元素之间冶金作用的影响(2)纯金属／合金，或合金／合金之间冶金作用b)钎料合金母材合金分析结论：(Ⅲ)加入Pd、Mn、Ni,促进作用强，加入Zn、Sn、Si，作用有限。原因：Pd、Mn、Ni与Fe可以无限固溶，Zn、Sn、Si与Fe只能化合。固溶润湿强于化合润湿1.钎料和母材中元素之间的冶金作用的影响2.钎焊温度的影响3.母材表面状态的影响4.钎料中填加表面活性物质的影响5.母材表面氧化物的影响

2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿2.钎焊温度的影响

(1)温度的升高，液体粘度降低，液态钎料表面张力

lg减小，润湿性提高；(2)温度的升高，液态钎料与母材之间的界面张力液

ls有一定程度的降低，钎料润湿性提高。但是，温度不能过高，过高的温度会使钎料流动性太好，造成钎料流失，还有可能引起母材晶粒长大、熔蚀等现象发生1.钎料和母材中元素之间的冶金作用的影响2.钎焊温度的影响3.母材表面状态的影响4.钎料中填加表面活性物质的影响5.母材表面氧化物的影响

2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿3.母材表面状态的影响

母材表面状态的影响试验结果：钢刷刷的表面铺展面积最大，润湿性好,粗糙表面的沟槽起到了毛细管作用，促进钎料的铺展。抛光表面铺展面积小，润湿差。但是，如果钎料与母材具有强烈溶解作用时，表面粗糙度不起作用。如在母材Al表面做SnZn钎料的铺展实验。母材表面粗糙度对钎料的润湿性的影响表面粗糙度越大，粗糙表面存在的沟槽对液态钎料有毛细吸附作用，润湿性越好。表面润湿铺展试验验证：钎料：SnPb58-2

母材：Cu母材表面处理：抛光、化学清洗、砂纸打光、钢刷刷（表面越来越粗糙）1.钎料和母材中元素之间的冶金作用的影响2.钎焊温度的影响3.母材表面状态的影响4.钎料中填加表面活性物质的影响5.母材表面氧化物的影响

2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿4.填加表面活性物质的影响

填加表面活性物质的影响

钎料中填加表面活性物质，可以明显减小液态钎料的

lg,改善润湿。CuP钎料P起到2个作用：(1)Cu与P形成低熔点共晶合金，降低钎料熔点；(2)钎料中P与母材发生强烈溶解，促进润湿性；(3)P会还原Cu表面的氧化铜：5CuO＋2P＝P2O5＋5Cu反应产物P2O5与CuO形成复合化合物，浮于液态钎料表面。例如，Cu中加入P，

(P)＝0.04%-0.08%，CuP钎料对钢的润湿性比其他Cu基钎料的好，CuP钎料是自钎钎料。1.钎料和母材中元素之间的冶金作用的影响2.钎焊温度的影响3.母材表面状态的影响4.钎料中填加表面活性物质的影响5.母材表面氧化物的影响

2.1润湿1润湿的基本概念2润湿原理

3润湿性的评定方法4润湿性的影响因素2.1润湿5.母材表面氧化物的影响

金属表面氧化物

sg(N/m)Al2O30.35CuO0.76Fe2O30.56金属表面存在氧化物，如Al2O3，CuO，Fe2O3。氧化物陶瓷的惰性，

sg很小，cos

0,

90

,钎料无法与金属表面氧化物润湿，因此，只要金属母材存在氧化膜，钎料就不能润湿母材。

2.2液态钎料流动行为钎料能润湿母材，液态钎料就可以在母材表面铺展(流动),进而实现毛细填缝。毛细填缝示意液态钎料铺展过程母材A母材B钎料(a)钎料流动(b)(c)(d)(e)2.2液态钎料流动行为毛细作用：是自然界中一种常见的物理现象。早在13世纪人们就提出了毛细血管的概念，并从血液循环的角度认识毛细作用的规律。液体在两个无限长平行板的间隙中上升或下降的高度h：a--平行板的间隙

--液体密度g—重力加速度

2.2液态钎料流动行为液体向上爬升形成弯曲液面，产生附加压力，PA--弯曲液面附加压力

公式推导过程：

2.2液态钎料流动行为

(1)当接触角

90

时，h

0，意味着液态钎料可以填缝，而且，接触角

越小，填缝能力越强；(2)当接触角

90

时，h

0，意味着液态钎料不能填缝，无毛细作用；(3)当平行板的间隙a越小，h越大，毛细填缝作用越强。（影响毛细作用程度）

2.2液态钎料流动行为钎料能润湿母材，液态钎料就可以在母材表面铺展(流动),进而实现毛细填缝。公式推导过程与实际钎焊过程毛细填缝差异：弯曲液面附加压力克服的阻力发生巨大变化(1)当接触角

90

时，液态钎料可以填缝,填缝长度L与钎料量有关；(2)当接触角

90

时，h

0，液态钎料不能填缝；(3)当平行板的间隙a越小，L越大，毛细填缝速度越快。（影响毛细作用程度）

毛细填缝

2.2液态钎料流动行为填缝初期填缝末期填缝完成钎料熔化(a)(b)(c)(d)平行间隙液态钎料的填缝过程示意图2.2液态钎料流动行为(a)(b)(c)(d)(e)(f)不平行间隙液态钎料的填缝过程示意图(a-c)钎料放置小间隙端(d-e)钎料放置大间隙端2.3钎料合金与母材的冶金结合钎料与母材的冶金结合作用：(1)固溶体结合(2)化合物结合凝固态钎料与母材的扩散溶解作用：(1)母材被液态钎料溶解（母材溶解）(2)液态钎料向母材扩散（钎料扩散）热态2.3钎料合金与母材的冶金结合1.母材的溶解1.现象与特点溶解现象：母材表面层金属元素被液态钎料溶解，进入到液态焊缝之中，并与之形成新的焊缝合金。特点：(1)母材被钎料适量溶解，会使钎料合金成分改变，或提升钎料合金熔点(改变焊缝组织与性能)；(2)过量的母材溶解，导致母材发生溶蚀或溶穿缺陷。2024AlZnAl2024Al偏扩散机制：液态金属与固态金属接触，液态金属的组分向固态金属扩散，在10-7mm表面层内达到饱和溶解度，发生溶解。偏溶解机制：液态金属与固态金属接触，固态金属晶格内的原子结合被破坏，它们与液态金属形成新的金属键，发生溶解，进入到液态金属中的金属原子向焊缝内部扩散；2.母材溶解的物理机制2.3钎料合金与母材的冶金结合1.母材的溶解(2)钎焊温度的影响(1)相互溶解量的影响（液态互溶、固态有限）在一定温度下，母材在钎料中的溶解量取决于极限溶解度。若在钎料中增加母材的组分，可以降低母材溶解。例：采用AlSi钎料钎焊Al，Al12Si、Al10Si、Al7.5Si钎料中Al的含量越来越多，母材溶解量也越来越低；12%Si（95%Al）是极限溶解度，采用Al5Si，母材溶解量最低。钎焊温度升高，溶解速率增大，母材在钎料中的溶解量也增大。若形成界面化合物,IMC的出现会阻碍钎料的扩散，使溶解速率降低。3.影响因素0201CuCu6Sn52.3钎料合金与母材的冶金结合1.母材的溶解3.影响因素(3)钎焊保温时间的影响

母材的扩散速率要比钎料向母材的扩散快得多；原因：固态金属原子在液态钎料中的扩散系数约为10-5cm2/s，而钎料元素在固态母材中的扩散系数约为10-8cm2/s。钎焊保温时间越长，母材溶解量越大。钎料量越大，越容易发生母材溶蚀；例：钎料浴钎焊与毛细填缝钎焊相比，钎料浴钎焊容易发生母材溶蚀。2.3钎料合金与母材的冶金结合1.母材的溶解2.钎料的扩散钎料的扩散(1)钎料元素向固态母材中的扩散钎料中某元素的含量比母材高，浓度梯度的存在导致钎料元素向固态母材中的扩散，浓度梯度越大，扩散量越多；(2)扩散系数D决定了扩散量（可以计算）元素在母材中的扩散系数D(与晶格参数、温度、激活能有关)越大，扩散量越多；(3)晶格类型影响扩散系数元素在体心立方晶格中的扩散系数比面心立方晶格的大，扩散原子越小，扩散系数越大，温度越高，扩散系数大。

2.3钎料合金与母材的冶金结合晶间渗入方式及现象危害：产生微裂纹，或形成晶界IMC，使钎焊接头的强度、韧性下降。钎料组元向母材晶界扩散，在饱和溶解度以内，形成固溶体，对接头性能没有影响；晶间渗入现象：钎料组元向母材晶界扩散，在晶界处如果形成低熔点共晶组织，在钎焊温度下晶界上形成一层液体层；2.3钎料合金与母材的冶金结合3.钎焊接头组成及组织结构母材与钎料之间，极薄准三维结构区域。钎焊界面区在母材中，其成分是原母材+钎料扩散元素，大多数对接头性能影响不大。近界面扩散区钎料的组分+溶解并进入的钎料中的少量母材组分，其成分变化不大，但由于尺寸过薄产生尺寸效应，可能会使性能发生比较大的变化。钎缝区0201031.钎焊接头的组成扩散区界面区钎缝区母材与钎料之间，极薄准三维结构区域。钎焊界面区在母材中，其成分是原母材+钎料扩散元素，大多数对接头性能影响不大。近界面扩散区钎料的组分+溶解并进入的钎料中的少量母材组分，其成分变化不大，但由于尺寸过薄产生尺寸效应，可能会使性能发生比较大的变化。钎缝区0201031.钎焊接头的组成2024AlZnAl2024Al2.3钎料合金与母材的冶金结合3.钎焊接头组成及组织结构CuCu6Sn52024AlZnAl1.钎焊接头的组成钎焊界面区：界面组织是母材晶体的同质外延或异质外延生长的晶体，可能是固溶体，也可能是IMC，其结构往往决定了接头性能，是钎焊接头的薄弱环节。2.3钎料合金与母材的冶金结合3.钎焊接头组成及组织结构(1)固溶体组织从冶金角度分析，钎料与母材能形成固溶体，母材溶解的元素偏聚于晶界，形成与母材接近的固溶体。如AlSi钎料钎焊Al，界面形成的是外延生长的

-Al，钎缝是(

-Al+Si)的AlSi共晶组织+少量的

-Al。(2)金属间化合物IMC组织从冶金角度分析，钎料与母材能形成金属间化合物。Sn与Cu形成金属间化合物Cu6Sn5Sn在Cu中的固态溶解度4%，但Cu在Sn中的固态溶解度很小。250℃，纯Sn钎焊Cu，母材与钎料的界面形成金属间化合物Cu6Sn5。350℃，纯Sn钎焊Cu，母材与钎料的界面形成金属间化合物Cu6Sn5+Cu3Sn。2.钎焊界面区组织结构特征2.3钎料合金与母材的冶金结合3.钎焊接头组成及组织结构减少钎料形成化合物元素的量在钎料中加入既不与母材、又不与钎料形成化合物的组分，可以减薄化合物厚度或抑制化合物，如Sn+40%Pb可以减薄化合物厚度，Sn+70%Pb抑制化合物.添加易于与钎料形成化合物的元素在钎料中加入能与钎料形成化合物但不能与母材形成化合物的组分，可以减薄化合物厚度，如Sn+3.5%Ag可以减薄化合物厚度。(2)金属间化合物IMC组织抑制的金属间化合物Cu6Sn5措施：2.3钎料合金与母材的冶金结合3.钎焊接头组成及组织结构母材不化，钎料化。本章学习内容要点1.润湿概念与杨氏方程2.润湿性判定方法3.润湿性影响因素4.钎料毛细填缝原理5.钎料与母材的扩散与溶解6.钎焊接头组织结构钎焊SolderingandBrazing第3章

钎料合金制作者：闫久春制作：机械工业出版社第3章

钎料合金本章主要内容：3.1钎料合金的设计与选用3.1.1钎料合金的分类3.1.2钎料合金的选用原则3.1.3钎料合金的设计方法3.2软钎料合金3.2.1铟基钎料3.2.2铋基钎料3.2.3锡铅钎料3.2.4锡基无铅钎料3.2.5铅基钎料3.2.6镉基钎料3.2.7锌基钎料3.3硬钎料合金3.3.1铝基钎料3.3.2银基钎料3.3.3铜基钎料3.3.4锰基钎料3.3.5钛基钎料3.3.6镍基钎料3.3.7贵金属钎料3.4本章小结3.4.1硬钎料3.4.2软钎料3.1钎料合金的设计与选用3.1.1钎料合金的分类熔点高于450℃的钎料硬钎料钎料熔点低于450℃的钎料软钎料熔点

若以某元素为主组元的钎料，称为“某”基钎料，这样就可以将钎料按其化学组成进行划分。常用软钎料可分为铋基、铟基、锡基、铅基、镉基、锌基等钎料，硬钎料可分为铝基、银基、铜基、锰基、钯基、钛基、镍基等钎料。1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.1钎料合金的设计与选用3.1.1钎料合金的分类种类组成牌号软钎料铟基钎料S-InBi、S-InSn、S-InSnPb、S-InPb、S-InAg铋基钎料S-BiSn、S-BiPbSn、S-BiCd、S-BiAg锡基钎料含铅S-SnPb、S-SnPbSb、S-SnPbCd、S-SnPbAg、S-SnPbSbP无铅S-SnCu、S-SnAg、S-SnAgCu、S-SnZn、S-SnZnBi锌基钎料S-ZnAl硬钎料铝基钎料BAlSi、BAlSiCu、BAlSiMg、BAlSiZn银基钎料BAgCu、BAgCuZn、BAgCuZnSn、BAgCuZnCd、BAgCuZnIn、BAgCuZnNiMn铜基钎料高铜BCu、BCuAg、BCuNiB铜锌BCuZn、BCuZnMn、BCuZnMnCo、BCuZnFeSnSiMn、BCuZnSnSiMn、BCuZnSnSi、BCuZnSi、BCuZnSiMn铜磷BCuP、BCuPAg、BCuSnPAg、BCuPSnSi、BCuSnP、BCuSnPNi、BCuPSb其它BCuSnP、BCuSnSiMn、BCuSiMn、BCuAlNiMn、BCuAl、BCuAlFe、BCuMnAlFeNi、BCuMnCo、BCuMnNi钛基钎料BTiCuNi、BTiCuBe、BTiZrBe、BTiZrNiBe、BTiZrCu、BTiZrCuNi、BZrNi、BZrTiCuNi锰基钎料BMnNiCr、BMnNiCo、BMnNiCu、BMnNiCrFeCo、BMnNiCoFeB、BMnNiCuCr镍基钎料BNiCrSiB、BNiCrWB、BNiCrSi、BNiSiB、BNiP、BNiCrP、BNiMnSiCu金基钎料BAuCu、BAuNi钯基钎料BPdAgCu、BPdAgMn、BPdMnNi常用钎料合金的分类1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.1钎料合金的设计与选用3.1.1钎料合金的分类常用钎料的熔点范围a）软钎料b）硬钎料

（a）

（b）1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.1钎料合金的设计与选用3.1.2钎料合金的选用原则1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结选择钎料合金时需要考虑以下几点：1.尽量选择主成分与母材主成分相同的钎料合金，有助于提高钎料合金与母材的相容性，保证钎缝强度；2.钎料的液相线温度低于母材固相线温度至少20~30℃；3.钎料的熔化区间，即该钎料合金组成的固相线与液相线之间的温度差尽可能小，温差过大易引起溶析或熔蚀；4.钎焊过程中钎料合金中的某一组元应能与母材产生液态互溶、固溶或形成化合物，从而能够形成牢固的结合；5.钎料合金的主成分与母材的主成分在元素周期表中的位置应当尽量靠近，这样引起的电化学腐蚀较小，即接头的耐腐蚀性好；6.钎料的主成分应具有较高的化学和热稳定性，以免钎焊过程中钎料成分发生改变；7.钎料合金应具有良好的加工性能，以便能制成丝、棒、片、箔、粉等型材。以上条件只有少数情况能在一种钎料合金上得到全面体现。因此，多数情况下需要通过添加某些微量元素对钎料进行改性，这是目前改善钎料性能的一种重要措施。单击此处添加标题通过大量的工艺试验对比研究确定最佳性能的钎料组分，目前是大多数研究常用的钎料设计方法。钎料合金的研制采用“尝试”式的设计手段，通过调整钎料的成分比例，逐一比较不同钎料的物理、化学以及工艺特性，筛选出满足不同需要的钎料。尽管有些试验采用了正交试验方法来减少试验量，这种“尝试”性设计方法仍旧费时、费力。但考虑到钎料合金的特殊性，这种方法在较长一段时间内还将是钎料设计的主流方法。这是一种基于热力学基本理论建立热力学模型，通过计算、优化合金相图进行钎料合金设计的方法，目前可应用于二元、三元乃至四元钎料合金体系的设计。例如，有学者根据热力学第二定律，进行了Sn-In-Ag相平衡计算，确定了可以在接近Sn-Pb钎料共晶温度范围内进行再流焊的钎料合金成分为Sn20In3.5Ag，实验结果证实了计算的正确性。1.试验设计2.热力学辅助设计1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.1钎料合金的设计与选用3.1.3钎料合金的设计方法型号成分（质量分数，%）熔化温度/℃InSnCdAgBiPbZnIn97Ag余量--3---143In66Bi余量---33.7--72In62BiCd余量-8-30--62In60Pb余量----40-144In52SnZn余量46----1.8108In51Sn余量49-----118In44SnCd余量4214----93In30SnPb余量50

--20-138In25SnPb余量37.5---37.5-181常用铟基钎料的化学成分及熔点In的熔点较低，为156℃，可与Bi、Sn、Pb、Ag等元素形成低熔点共晶钎料。铟基钎料对很多金属和非金属均具有良好的润湿能力。另外，铟基钎料的塑性很好，可用于电真空器件、玻璃、陶瓷和低温超导器件等不同热膨胀系数材料的非匹配封接。然而，由于In为稀有金属，资源有限，价格也日益上涨，使得该类钎料的使用受到限制，目前仅应用于一些特殊场合。单击此处添加标题3.2.1铟基钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2软钎料合金3.2.2铋基钎料常用铋基钎料的化学成分及熔点Bi的熔点为271℃，通过添加Sn、Pb、Cd等元素可形成熔点较低的钎料。Bi与很多母材之间的互溶度都很低，因此铋基钎料的润湿性较差，钎焊前需要在母材上预先镀一层Zn、Ag或Sn。此外，由于Bi的脆性很高，导致铋基钎料的脆性也较高，这类钎料主要用于热敏电子元器件的钎焊。型号成分（质量分数，%）熔化温度/℃BiSnAgCdPbInBi97.5Ag2.5余量-2.5--

263.5Bi60Cd余量--40-

144Bi58Sn余量42---

138Bi55Pb余量---45

124Bi54PbSnIn余量16.3

29.791Bi52.5PbSn余量15.5

32

95Bi50PbSnCd余量12.5

12.525

70Bi50PbSn余量25--25

115Bi49PbSnIn余量12

1821581钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.3锡铅钎料

Sn-Pb二元合金相图锡铅钎料是应用最广泛的一类软钎料，锡铅二元合金的共晶成分为Sn-38.1Pb(质量分数%)，共晶温度为183℃，共晶组织由体心立方的β-Sn和面心立方α-Pb组成。这类钎料的钎焊温度低、润湿性好，得到的焊接接头可靠性较高、导电性好、热阻小，是软钎焊的首选钎料。1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.3锡铅钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结随着Pb含量的升高，Sn-Pb钎料的电导率和密度呈现单调下降或单调升高的趋势，其硬度和强度则呈现先升高后降低的趋势，在wPb约为27%时其综合力学性能达到最佳。Sn-Pb钎料的物理性能和力学性能a)物理性能b)力学性能3.2软钎料合金3.2.3锡铅钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结由于Sn-Pb钎料熔点较低，其工作温度一般不高于100℃。但工作温度过低，该种钎料有冷脆倾向。这是由于Sn在低温（<13℃）下发生同素异构转变，产生体积膨胀而脆性破坏。Pb在低温下无冷脆现象，所以当Sn-Pb钎料组织以Pb固溶体为主，Sn固溶体量少且弥散分布时，低温冷脆现象不明显。为了满足一些特殊性能的需要，Sn-Pb钎料除了含Sn、Pb两种元素以外，也会添加其它的一些合金元素。添加Cd可使钎料的固液相线温度下降至145℃，但Cd的添加会使钎料的晶粒粗化失去光泽并降低钎料的铺展性能。添加Ag元素主要是为了一些重要的场合下减轻对母材镀银层的熔蚀，同时提高钎料的抗蠕变和疲劳性能。加入少量Sb元素可以提高液态钎料抗氧化能力，从而改善钎料的润湿性，并增大其强度和电阻率，提高接头的热稳定性；wsb一般为0.3-3%，其超过6%时会使钎料变硬、变脆，润湿性反而下降。添加Bi可使钎料的熔点下降，润湿性提高，但会使钎料的电阻率增加，脆性增大。3.2软钎料合金3.2.3锡铅钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结Sn95Pb等含Sn量较高的钎料主要用于电气和电子工业的耐高温器件，以及食品工业的钎焊以避免食品被铅污染。01Sn50Pb、Sn40Pb、Sn30Pb等这一类钎料的固相线保持在183℃，液相线也比较低，熔化间隔比较小，钎焊的工艺性能较佳，同时Pb含量的增加提高了钎料的综合力学性能和经济性，其中Sn40Pb和Sn40PbSb成为最通用的Sn-Pb钎料，广泛用于钣金、铅管软钎焊、电缆线、换热器金属器材等部件的软钎焊。03Sn63Pb和Sn60Pb是熔化温度最低的一类Sn-Pb钎料，它具有优越的钎焊工艺性能，特别适合于低温钎焊或者对温度要求很苛刻的场合，如电子器件的软钎焊温度应尽可能的低，以避免对周围元件的热损伤。02Sn10Pb、Sn5Pb钎料的含Sn量较低，其润湿性和铺展性都明显下降，固、液相线都明显提高，适用于工作温度较高的场合，如钣金、锅炉以及其它高温用零部件的软钎焊。043.2软钎料合金3.2.3锡铅钎料常见锡铅钎料的物理性能和用途锡铅钎料因其优异的工艺性能和良好的力学性能，在电子领域得到了广泛的应用。Pb是一种有毒元素，会危害人的中枢神经系统。大多数废旧电子产品使用后都作为工业垃圾进行填埋处理，钎缝中的Pb会慢慢渗入土壤甚至进入地下水，这对人类的健康构成了很大的威胁。自2003年欧盟颁布“RoHs”无铅化法令起，日本、美国、中国也提出了相关的法规和禁令，有铅钎料在生产中被禁用，发展无铅钎料成为趋势。牌号固相线/℃液相线/℃电阻率/Ω·mm2/m主要用途S-Sn95Pb183224——电气、电子工业、耐高温器件、食品工业S-Sn63Pb1831830.141电气、电子工业、印刷线路、微型技术、航空工业及镀层金属的软钎焊S-Sn60PbS-Sn60PbSb1831900.145S-Sn50PbS-Sn50PbSb1832150.181S-Sn40PbS-Sn40PbSb1832380.170钣金、铅管软钎焊、电缆线、换热器金属器材、辐射体、制罐等的软钎焊S-Sn30PbS-Sn30PbSb1832580.182灯泡、冷却机制造、钣金、铅管S-Sn10Pb2683010.198钣金、锅炉用及其它高温用S-Sn5Pb300314——S-Sn50PbCd145145——轴瓦、陶瓷的烘烤软钎焊、热切割、分级软钎焊及其它低温软钎焊S-Sn5PbAg296301

电气工业、高温工作条件S-Sn63PbAg1831830.120同S-Sn63Pb，但焊点质量等诸方面优于S-Sn63Pb1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.4锡基无铅钎料常用锡基无铅钎料的成分型号熔化温度范围/℃成分（质量分数，%）SnAgCuBiSbZnPb杂质总量S-Sn99.3Cu0.7227余量0.100.5~0.90.100.100.0010.070.2S-Sn97Cu3227~310余量0.102.5~3.50.100.100.0010.070.2S-Sn96.5Ag3.5221余量3.3~3.70.050.100.100.0010.070.2S-Sn95Ag5221~240余量4.8~5.20.050.100.100.0010.070.2S-Sn98.3Ag1Cu0.7217~224余量0.8~1.20.5~0.90.100.100.0010.070.2S-Sn95.8Ag3.5Cu0.7217~218余量3.3~3.70.5~0.90.100.100.0010.070.2S-Sn99Cu0.7Ag0.3217~227余量0.2~0.40.5~0.90.060.100.0010.070.2S-Sn91Zn9199余量0.100.050.100.108.5~9.50.070.2S-Sn89Zn8Bi3190~197余量0.100.052.8~3.20.107.5~8.50.070.2无铅钎料大部分以Sn为基体，通过添加Ag、Cu、Zn等元素构成二元或多元合金体系。目前锡基无铅钎料主要包括Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Zn系等。011钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金Sn-Ag二元合金相图1、Sn-Ag系钎料Sn-Ag二元合金的共晶成分为Sn-3.5Ag(质量分数%)，共晶温度为221℃，共晶组织由β-Sn和Ag3Sn组成。Ag以Ag3Sn微粒的形式均匀分散在β-Sn中，能有效阻挡疲劳裂纹的蔓延，故钎料具有良好的抗拉强度和抗高低温冲击特性。Sn-3.5Ag钎料熔点为221℃，其钎焊温度较Sn-37Pb钎料高。Sn-3.5Ag的密度和电导率都小于Sn-37Pb钎料，但线膨胀系数更高。力学性能方面两者的抗拉强度相差不大，但Sn-3.5Ag的抗剪强度略高，弹性模量和硬度都更高。Sn-3.5Ag钎料的铺展性和润湿性和Sn-37Pb钎料相比差很多，并且由于含有Ag元素，钎料成本较高。1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2.4锡基无铅钎料1.Sn-Ag系钎料Sn-Ag二元合金的共晶成分为Sn-3.5Ag(质量分数%),共晶温度为221℃,共晶组织由β-Sn和Ag3Sn组成。Ag以Ag3Sn微粒的形式均匀分散在β-Sn中,能有效阻挡疲劳裂纹的蔓延,故钎料具有良好的抗拉强度和抗高低温冲击特性。Sn-3.5Ag钎料熔点为221℃,其钎焊温度较Sn-37Pb钎料高。Sn-3.5Ag的密度和电导率都小于Sn-37Pb钎料,但线膨胀系数更高。力学性能方面两者的抗拉强度相差不大,但Sn-3.5Ag的抗剪强度略高,弹性模量和硬度都更高。Sn-3.5Ag钎料的铺展性和润湿性和Sn-37Pb钎料相比差很多,并且由于含有Ag元素,钎料成本较高。3.2软钎料合金1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结Sn-Ag二元合金相图3.2.4锡基无铅钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.4锡基无铅钎料Sn-Cu二元合金的共晶成分为Sn-0.7Cu(质量分数%),熔化温度为227℃,共晶组织由β-Sn和Cu6Sn5组成,基体为β-Sn,Cu以Cu6Sn5形态分散在Sn基体内。凝固初期,Sn初晶包围着Cu6Sn5微粒,但Cu6Sn5微粒不稳定,经100℃保持数十小时后,微细共晶组织就会变成分散着的粗大Cu6Sn5颗粒组织,致使Sn-0.7Cu合金的抗蠕变、耐热疲劳性能降低,但仍比Sn-37Pb好。Sn-0.7Cu钎料的熔点比Sn-37Pb及其它主要的无铅钎料高;电导率和密度比Sn-37Pb钎料的小,硬度相当;此外,Sn-0.7Cu钎料的抗拉强度较低,仅为Sn-37Pb钎料的一半,但两者的抗剪强度相差不大;Sn-Cu钎料的铺展性能较差,主要应用于波峰焊。在Sn-Cu钎料中加入微量的Ni可以改善其性能,通过微量元素添加获得的Sn-0.7Cu-0.05Ni钎料强度有所提高,其力学性能可与Sn-37Pb基本相同,并且铺展性能有所改善。然而Ni的熔点较高,其添加进钎料中会使钎料的熔化温度略微升高。2.Sn-Cu系钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.4锡基无铅钎料3.Sn-Ag-Cu系钎料:Sn-Ag-Cu三元共晶的熔点为217℃,因此在Sn-Ag钎料中添加Cu能使钎料的熔点略有降低,同时维持Sn-Ag合金良好的力学性能。此外,添加Cu元素还能减少钎料对母材的熔蚀。Sn-Ag-Cu系钎料是适用性很强的钎料,可在回流焊、波峰焊、手工焊组装时使用,也可以用于对多层基板的高密度封装。4.Sn-Zn系钎料:Sn-Zn二元合金共晶成分为Sn-9Zn(质量分数%),熔点为198℃。Sn-Zn共晶温度与Sn-Pb(183℃)的共晶温度接近,但当wZn>9%后,熔点重新提高;而且会在共晶体中形成硬的富Zn相初晶,使合金的硬度迅速增大,导致塑性变差。Sn-9Zn钎料的物理性能与Sn-37Pb钎料相差不大,但Sn-9Zn的表面张力很高,相比Sn-Ag-Cu和Sn-Cu钎料,其钎料润湿性很差;Sn-9Zn钎料的强度和抗蠕变性能均优于Sn-37Pb,但因其硬度较大,钎料塑性差。在Sn-Zn钎料内加入少量Bi元素(一般为wBi为3%)可以降低钎料的熔化温度,同时改善其润湿性,但仍远低于Sn-37Pb钎料。Sn-Zn系钎料合金的实际应用主要受其润湿性差和抗氧化性能不良的限制,主要是由于钎料中Zn的化学性质活泼,造成Sn-Zn系钎料极易被氧化。3.2软钎料合金3.2.4锡基无铅钎料Sn-Cu二元合金相图Sn-Zn二元合金相图1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.2软钎料合金3.2.5铅基钎料铅基钎料的化学成分和性能1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结纯Pb不能较好地润湿Cu、Fe、Al、Ni等许多常用金属，因此不宜单独用作钎料。铅基钎料一般是通过添加Ag、Sn、Cd、Zn等合金元素组成。加入Ag可使铅基钎料能够润湿铜及铜合金，同时降低钎料熔点；加入Sn可进一步提高铅银钎料的对铜的润湿性和填缝能力。加入Cd和Zn可提高钎料的强度，但钎料的熔点升高，结晶区间也较大，需采用快速加热的钎焊方法。铅基料的固相线温度较高，耐热性优于锡铅钎料，适用于钎焊在150℃以下工作的铜和黄铜零件。铅基钎料钎焊的铜和黄铜接头在潮湿环境下耐腐蚀性较差，钎焊接头表面必须通过涂覆防潮涂料等措施防止被腐蚀。3.2软钎料合金3.2.6镉基钎料镉基钎料的化学成分和性能1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结钎料牌号化学成分（质量分数,%）熔化温度范围/℃用途CdZnAgNiS-Cd96AgZn9613—300~325适用于铜及铜合金零件的软钎焊，如散热器、电机整流子等。在铜及铜合金上具有良好的润湿性及填缝能力S-Cd95Ag95—5—338~393S-Cd84AgZnNi84682363~380强度极限比Sn-Ag和Pb-Ag钎料高，耐热性是软钎料中最好的一种，在260°C时抗拉强度为12MPaS-Cd82.5Zn82.517.5——265同S-Cd95Ag。加Zn可以减少Cd在加热过程中的氧化S-Cd82ZnAg82162—270~280这两种钎料是在Cd-Zn共晶的基础上加Ag，熔点较低，强度及耐热性良好，钎缝能进行电镀S-Cd79ZnAg79165—270~285镉基钎料是软钎料中兼具良好耐热性和抗腐蚀性的一种钎料。镉基钎料添加Ag目的是提高钎料对铜及铜合金的润湿性，以及接头的抗腐蚀性；但wAg超过5%同时无其它添加元素时，钎料的液相线会迅速上升，结晶区间变得很宽，钎焊时需采用快速加热的方法。添加少量Zn除了可以降低熔化温度外，还可减轻熔化钎料表面的氧化以及提高钎料的强度。用镉基钎料钎焊铜及铜合金时，应避免加热温度过高和加热时间过长，以防止Cd与Cu在钎缝界面反应生成脆性铜镉金属间化合物，降低接头性能。3.2软钎料合金3.2.7锌基钎料Zn-Al二元合金相图1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结锌基钎料属于高温软钎料，熔点370~480℃，以Zn为基体，添加少量的Al、Ag、Cu等元素，主要用于铝及铝合金的钎焊。锌基钎料主要是Zn-Al系钎料，两者的共晶成分为Zn-5Al(质量分数%)，共晶温度为382℃，通过调整钎料内Al的含量，Zn-Al钎料熔点可控制在382~500℃范围内。Zn属于密排六方晶格，由于晶格常数c轴大于a轴近一倍，断裂容易发生在c轴上，因此纯Zn的铸态性能很差。共晶点处合金的机械加工性能和纯Zn差不多，可以通过热加工制成丝、片状钎料，但长期存放易变脆。随着钎料合金中Al含量的增加，合金的加工性能可得到明显改善。3.2软钎料合金3.2.7锌基钎料Zn-Al钎料对Al基体的熔蚀性很强，这是由于Zn和Al的互溶度很大，钎料熔化后以相当快的速度向母材晶间渗透，这会影响钎料在钎缝中前进的速度，导致其流动性变差。该钎料的铺展性、耐腐蚀性和强度都较高，但在钎焊铝和铝合金时强度和稳定性仍显不足，需添加适量Cu、Ag、稀土和碱土族元素来改善其钎焊性能。Cu是Zn-Al钎料内常用的添加元素，Cu的加入可以提高钎料的强度和硬度，降低其延伸率，同时使钎料变脆。此外，钎料内添加Cu能提高其铺展性，但会影响钎料的耐腐蚀性能。少量Ag元素能提高钎料的铺展性并改善钎焊接头的力学性能，但会使钎料的熔点升高。添加微量的碱土族Mg元素可以提高Zn-Al钎料的耐腐蚀性能，但会增加钎料的脆性。Sn元素能降低Zn-Al钎料的熔化温度，适量的Sn还能提高钎焊接头的强度，但会显著降低钎料的耐腐蚀性。1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.3硬钎料合金3.3.1铝基钎料Al-Si二元合金相图铝基钎料主要用来钎焊铝及其合金，Al-Si系钎料是主要的铝基钎料，共晶成分为Al-12.6Si(质量分数%)，共晶温度为577℃。Al-Si钎料的钎焊性、强度、镀覆性以及耐腐蚀性都极佳，且与母材色泽接近。此外，Al-Si钎料还可以通过变质处理增加钎料及钎焊接头的力学性能。然而这类钎料的熔点较高，钎焊温度多在600℃以上，接近铝母材的固相线温度，钎焊过程中容易出现母材晶粒长大、熔蚀等问题。为了降低钎料的熔点，一般在Al-Si合金的基础上选择性添加可与Al形成低熔点共晶的元素，如Cu、Zn、Mg、Ge等。1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.3硬钎料合金3.3.1铝基钎料常见Al-Si系钎料的化学成分型号化学成分（质量分数，%）熔化温度/℃AlSiFeCuMnMgZn其它固相线液相线BAl95Si余量4.5~6.0≤0.6≤0.30≤0.15≤0.20≤0.10Ti≤0.15575630BAl92Si余量6.8~8.2≤0.8≤0.25≤0.10—≤0.20—575615BAl90Si余量9.0~11.0≤0.8≤0.30≤0.05≤0.05≤0.10Ti≤0.20575590BAl88Si余量11.0~13.0≤0.8≤0.30≤0.05≤0.10≤0.20—575585BAl86SiCu余量9.3~10.7≤0.83.3~4.7≤0.15≤0.10≤0.20Cr≤0.15520585BAl89SiMg余量9.5~10.5≤0.8≤0.25≤0.101.0~2.0≤0.20—555590BAl89SiMg(Bi)余量9.5~10.5≤0.8≤0.25≤0.101.0~2.0≤0.20Bi0.02~0.20555590BA89Si(Mg)余量9.50~11.0≤0.8≤0.25≤0.100.20~1.0≤0.20—559591BAl88Si(Mg)余量11.0~13.0≤0.8≤0.25≤0.100.10~0.50≤0.20—562582BAl87SiMg余量10.5~13.0≤0.8≤0.25≤0.101.0~2.0≤0.20—559579BAl87SiZn余量9.0~11.0≤0.8≤0.30≤0.05≤0.050.50~3.0—576588BAl85SiZn余量10.5~13.0≤0.8≤0.25≤0.10—0.50~3.0—5766091钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结3.3硬钎料合金3.3.1铝基钎料1钎料合金的设计与选用2软钎料合金3硬钎料合金4本章小结

在Al-Si二元合金的基础上添加Cu可以显著降低Al-Si系钎料的熔点。在Al-Si-Cu三元相图中，共晶成分为Al-5.5Si-28Cu(质量分数%)，熔点为525℃。Al-Si-Cu钎料组织中主要有α-Al固溶体、Si颗粒和Al2Cu，其中Al2Cu是脆性相，钎料中含有较多的Cu会使Al2Cu相增多，钎料变脆并在钎焊时容易发生对母材的熔蚀，产生晶间断裂，影响接头性能。典型的Al-Si-Cu系列钎料如4145钎料，在Al-Si中添加质量分数为3.3-4.7%的Cu，使钎焊温度下降了近20℃，此时钎料脆性不大，仍保持较好的加工性能，主要用于钎焊5000系（Al-Mg系）和7000系母材。然而，4145钎料的钎焊温度仍较高，不适用于部分铝合金的钎焊，为了进一步降低钎料熔点，需要添加更多的Cu。当Cu含量增加并接近共晶点成分时，钎料的液相线温度明显下降并接近共晶温度，如Al-9.6Si-20Cu(质量分数%)钎料的液相线温度为543℃左右。此时钎料脆性大大增加，难以加工成丝或箔，只能制成条使用，并且对接头性能影响较大。3.3硬钎料合金3.3.1铝基钎料Al-Si-Zn三元合金体系中没有化合物生成，钎料的热加工性能要比Al-Si-Cu系好，可以制成丝或带材。此外，Zn的加入可显著提高钎料的润湿性和流动性。Al-Si-Zn合金共晶点处wZn高达94.86%，因此少量的Zn对Al-Si钎料