（材料加工工程專業(yè)論文）儲存時間和環(huán)境對鋅鋁釬料顯微組織和力學性能的影響.pdf

摘要 摘要 銅和鋁的連接是目前焊接領(lǐng)域研究的一個熱點 在一些行業(yè)以鋁代替銅符 合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求 鋅鋁釬料是目前銅鋁連接中使用最為廣泛的一種釬料 但是鋅鋁釬料本身所具有的一些特點給焊接帶來了一些困難 鋅鋁釬料出現(xiàn)的 脆斷 問題成為制約其發(fā)展的主要障礙之一 本文采用金相觀察 掃描電子顯微鏡 x 射線衍射分析 顯微硬度和拉伸試 驗等分析測試手段 研究了在自然環(huán)境和高溫 高濕環(huán)境中放置過程中釬料組 織和性能的變化 并研究了 含量和微量堿土元素對這種變化的影響 研究表明 釬料z n a l l 5 在室內(nèi)環(huán)境中放置時 隨著放置時間的延長 釬料 的抗拉強度和斷后伸長率逐漸降低 顯微硬度逐漸升高 當放置7 個月后 釬 料的抗拉強度從2 3 6 n r a m 2 下降到1 6 8n r a m 2 斷后伸長率從8 3 下降到3 0 釬料組織中的黑色的q 相的體積百分比隨時間延長逐漸增加 當釬料中燦含量為2 0 時 釬料組織中出現(xiàn)舢的偏聚 釬料的抗拉強度 從2 3 6n r a m 2 提高到2 6 4n r a m 2 斷后伸長率從8 3 下降到7 0 顯微硬度從 4 1 3 h v 0 1 上升到4 8 h v 0 1 在室內(nèi)放置時 釬料的組織和性能變化與z n a l l 5 一致 當釬料中添加微量的堿土元素時 釬料的抗拉強度從2 3 6n m m 2 提高到3 5 8 n m m 2 斷后伸長率從8 3 下降到4 4 顯微硬度從4 1 3 h v 0 1 上升到 7 2 6 h v 0 1 在室內(nèi)環(huán)境放置時 釬料顯微硬度繼續(xù)上升 塑性嚴重下降 當釬料在9 5 干燥環(huán)境放置1 0 d 后 釬料的晶粒長大 抗拉強度和顯微硬 度變化不大 當釬料在1 1 5 水蒸氣環(huán)境中放置6 6 h 后 釬料的組織發(fā)生了明顯 的改變 出現(xiàn)了大量的條紋組織 釬料的抗拉強度提高 顯微硬度上升 出現(xiàn) 明顯的 脆斷 現(xiàn)象 鋅鋁釬料在放置過程中出現(xiàn)的 脆斷 現(xiàn)象可能是過飽和的q 相和b 相發(fā) 生分解以及晶間腐蝕共同作用的結(jié)果 關(guān)鍵詞 銅鋁釬焊 鋅鋁釬料 脆斷 高溫 高濕 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 謝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課題的研究背景 1 1 1鋁代銅和銅鋁連接 銅礦資源是保障國家經(jīng)濟安全運行的重要物質(zhì)基礎(chǔ) 是僅次于石油的第二大 戰(zhàn)略資源 我國的銅儲量居世界前幾位 但是人均儲量約占世界人均儲量的1 5 而且目前我國存在著大量銅礦規(guī)模小 品位低難處理等問題 更一步加劇了銅資 源的短缺 目前我國銅資源對外依存度超過5 0 每年需要從國外大量進口 來滿足銅資源的消耗 而我國處于一個高速發(fā)展的時機 銅資源的消費連年增長 在2 0 0 2 年超過美國成為第一消費大國 鋁的產(chǎn)量僅次于鋼鐵 是具有廣泛用途的 戰(zhàn)略性金屬材料 我國是鋁資源大國和鋁工業(yè)大國 同時也是鋁消費大國 我國 鋁工業(yè)儲量居世界第7 位 探明儲量的鋁資源全部為鋁土礦且分布高度集中 總體來講 我國銅材緊缺 每年需進口來滿足國內(nèi)市場的使用 而鋁資源豐 富 在電力系統(tǒng)和制冷行業(yè)多使用銅或者鋁材料作為傳輸電流和熱的導體 由于 銅比鋁在導電和導熱特性上優(yōu)越 使用銅材的比較多 但考慮到經(jīng)濟成本和我國 的資源狀況 在這些行業(yè)中以鋁代替銅是一個必然的發(fā)展趨勢 6 7 鋁代銅是目前工業(yè)中很有發(fā)展前景的一個方向 目前在銅鋁連接領(lǐng)域主要有 熔焊 壓焊 釬焊等連接方法 聃 盡管銅和鋁都是好的導電和導熱體 但是鋁與銅在物理性能及化學性能方面 還存在較大的差異 其主要物理性能差別見下表u 表1 1 銅與鋁物理性能主要差別 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 由于銅和鋁對氧的親和力比較大 當采用熔焊方法連接銅鋁時 氧化現(xiàn)象比 較嚴重 在接頭的兩側(cè)會形成c u o c u 2 0 和a 1 2 0 3 形成的這些氧化物會阻礙液 態(tài)釬料潤濕母材 銅和鋁線膨脹系數(shù)相差較大 焊接時會產(chǎn)生熱應力 在焊接冶 金反應時 熔池中形成的氣體會產(chǎn)生壓力 導致焊接裂紋的產(chǎn)生 在冷卻過程中 不能及時逸出的氣體 還會形成氣孔 另外在熔焊過程中 會產(chǎn)生大量的脆性相 l 引言 導致接頭的力學性能嚴重降低 目前應用較成功的鋁銅連接方法是壓力焊 其中效果比較好的是冷壓焊 摩 擦焊 爆炸焊和電阻焊 摩擦焊質(zhì)量穩(wěn)定 生產(chǎn)效率高 冷壓焊是在常溫下形成 接頭 接頭中不會大量產(chǎn)生影響接頭性能的的鋁銅脆性化合物 冷壓焊要求母材 表面要絕對清潔 而且不能加工過細的線材和薄壁管材 也不能加工大直徑的棒 材 1 2 1 5 爆炸焊是目前制冷系統(tǒng)鋁銅管常用的連接方法 一般只用于平面或柱面 結(jié)構(gòu)的焊接 且爆炸焊的生產(chǎn)率很低 臨1 7 j 釬焊是目前鋁銅連接研究的熱點之一 釬焊的原理是將比母材熔化溫度低的 釬料加熱到低于母材熔化溫度 但高于釬料熔化溫度的溫度 利用釬料填充接頭 間隙而實現(xiàn)連接的一種焊接方法 l 引 釬焊按照釬料的液相線溫度在4 5 0 c 為界限 分為硬釬焊和軟釬焊 軟釬焊一般依靠釬料對母材的潤濕形成接頭 1 9 2 2 由于釬 焊反應一般母材不會熔化 因此有利于異種金屬之間的連接 釬焊時 可以使用 釬劑或不使用釬劑 通過釬料與鋁和銅之間的接觸反應實現(xiàn)連接 當不使用釬劑 時 釬焊需在真空或有保護氣體才能進行釬焊 使其應用也受到一定的限制 當 使用釬劑進行釬焊時 焊接接頭的外觀和性能受釬劑和釬料的性能影響比較大 2 3 1 但釬焊與摩擦焊和冷壓焊等焊接方法相比有設備簡單 投資少等很多優(yōu)點 另外釬焊的工藝簡單 施工方便 對復雜形狀的構(gòu)件和焊縫有較強的適應性 通 過優(yōu)化釬料和釬劑 還能夠改進釬焊接頭性能 因此用釬焊方法連接銅鋁有較大 的發(fā)展?jié)摿?綜上所述 在鋁銅連接的眾多方法中 熔焊在根本上存在很大的難以解決的 缺陷 壓力焊能夠生產(chǎn)外觀和性能優(yōu)良的接頭 是目前使用效果最好的方法 但 其成本高 適應性差 使其應用受到限制 釬焊方法成本低 適應性好 是非常 有發(fā)展前景的銅鋁連接技術(shù) 1 1 2鋁銅釬焊的研究現(xiàn)狀 但是目前的鋁銅釬焊技術(shù)還不成熟 釬焊工藝 釬劑和釬料等方面均有待改 進 國內(nèi)學者楊瑞鵬認為鋅錫釬料與燦反應釬劑匹配 在釬焊銅鋁接頭時可得到 較為理想的結(jié)果 另外在釬料中添加微量的稀土元素還可提高銅鋁釬焊接頭的強 度和抗腐蝕性 2 4 1 但是有另外的研究指出 這種以鋅錫為基的釬料與a l 反應釬 劑匹配釬焊銅鋁接頭時 銅鋁釬焊接頭的抗腐蝕性難以保證 因為甜反應釬劑本 身是腐蝕性釬劑 焊后若清理不徹底 會吸潮形成電解質(zhì) 加劇接頭的腐蝕速度 2 引言 研究采用鋅鋁銅和鋅鋁硅合金釬焊銅鋁接頭的蘇文英認為鋅鋁銅釬料的鋪展性 以及火焰釬焊后得到的接頭強度及抗腐蝕性均比采用鋅錫銅釬料時要好 2 5 但 是蘇文英等人在 鋁 銅火焰釬焊材料研究 中介紹了幾種釬料火焰釬焊銅鋁的 情況 所得到的銅鋁接頭強度均較低 達不到工業(yè)生產(chǎn)上的要求 孫德超等人從 釬焊工藝參數(shù) 釬料和釬劑等三個方面對銅鋁直接釬焊進行了一系列的研究 他 們認為在釬焊過程中 釬劑的腐蝕性對鋁銅管接頭強度的影響不大 而釬焊溫度 和釬縫間隙對釬縫強度影響最大 2 6 1 趙越在對冰箱制冷系統(tǒng)銅鋁管連接的研究 時發(fā)現(xiàn) 采用鋁基釬料配合無腐蝕性的c s f a 1 f 3 釬劑來釬焊銅鋁管時 能獲得成 形良好的接頭 合理控制工藝能夠避免焊縫中脆性組織和氣孔的產(chǎn)生 可以滿足 產(chǎn)品的強度和抗腐蝕性要求 2 研究者為了解決殘留釬劑的腐蝕作用以及清洗殘留釬劑帶來的污染問題 對 鋁銅無釬劑釬焊技術(shù)進行了研究 當不采用釬劑時 釬焊一般需要在保護氣氛或 真空狀態(tài)下進行 2 8 1 哈爾濱工業(yè)大學的錢乙剁2 9 等人對c u a 1 接觸反應研究表 明 5 7 0 5 8 0 的反應溫度是比較適合的工藝參數(shù) 廣島大學的小山 3 0 等人研 究了采用m s i m g b i 釬料在真空環(huán)境下釬焊銅鋁接頭 認為合適的釬焊溫度為 5 2 0 5 4 0 接頭區(qū)域有c u a l 2 c u 3 a 1 2 等金屬間脆性化合物產(chǎn)生 斷裂破壞多 發(fā)生在此處 金屬間化合物類型決定接頭的強度 接頭強度受焊接條件影響比較 小 山東大學李亞江 3 1 主要對銅鋁異種金屬的真空釬焊工藝及接頭組織性能進 行了研究 結(jié)果表明通過控制合適的加熱溫度 保溫時間和真空度可以獲得結(jié)合 良好的銅鋁異種金屬接頭 接頭界面區(qū)只有很少量金屬間化合物生成 近年來研究表明 銅鋁釬焊主要難點在于以下幾個方面 首先是鋁母材表面 的氧化膜難以去除 當使用腐蝕性強的釬劑去除鋁的氧化膜時 焊后沒有清理干 凈的釬劑殘渣會吸潮形成電解液 對接頭有強烈的腐蝕作用 其次銅 鋁之間原 子相互擴散比較快 在釬焊的過程很容易在接頭中形成脆性比較大的銅鋁金屬間 脆性化合物 導致釬焊接頭強度低 最后鋁銅釬焊是異種金屬的釬焊 兩者在物 理及化學性能存在著較大的差異 銅和鋁的熔點 熱容量 熱傳導差別很大 現(xiàn) 場操作時不易控制釬焊溫度 造成工藝上的難度比較高 1 1 3鋁銅釬焊用釬料的研究現(xiàn)狀 目前可以用來釬焊銅鋁的釬料主要有錫基 鋅基 鎘基 鋁基釬料和藥芯鋁 焊絲等幾種 3u 引言 由于鉻有毒性 目前鉻基釬料的應用很少 鋁硅系釬料是共晶成分為基礎(chǔ)的 一種釬料 具有很好的潤濕性和流動性 釬焊所得的接頭具有很好的抗腐蝕性 而且釬料具有很好的加工性能 能夠做成薄片狀等 所以目前的應用很廣泛 在 鋁硅系釬料中加入少量的鎂所得到的鋁硅鎂系釬料 能夠提高釬料的潤濕性 在 真空環(huán)境中釬焊銅鋁時 釬焊初期形成的鎂蒸氣可以吸收水汽 同時還可以通過 還原反應去除氧化膜等 3 2 在鋁硅系釬料中加入少量的銅可以顯著降低釬料的 熔點 降低釬焊溫度 但是加入銅后 釬料的加工性能變差 很難加工成絲狀和 箔狀釬料 3 4 1 在此基礎(chǔ)上再加入少量的鋅一方面降低釬料的熔點 另一方面提 高了釬料的流動性和潤濕性 改善了釬料的釬焊工藝性 錫鋅共晶釬料是以錫為基的一種釬料 其最大優(yōu)點是釬焊工藝性能好 s n 8 5 z n s n 8 0 z n 這兩種是比較常用的該類釬料 當使用錫鉛釬料來釬焊銅鋁時 所得焊縫強度比較低 這是因為錫 鉛和鋁的互溶度都比較低 也不會生成金屬 化合物 和母材的結(jié)合力很低 影響錫基釬料廣泛應用于釬焊銅鋁的一個主要原 因是錫基釬料的抗腐蝕性比較差 少量的鋅和銀等可以提高錫基釬料的潤濕性和 抗腐蝕性 錫基釬料主要應用于電子工業(yè)中釬焊銅鋁電子元器件 3 5 3 6 鋅鋁釬料是最為廣泛地用來釬焊銅鋁的一種高溫鋅基釬料 鋅和鋁的互溶度 比較大 所以當釬料在釬焊的過程中會快速向母材中擴散 因此所得銅鋁接頭一 般具有較高的強度 但是由于銅和鋁的原子相互擴散速度比較快 在釬焊的過程 中也很容易形成脆性的銅鋁金屬間化合物 導致接頭強度大大降低 將嚴重的影 響釬焊接頭的使用 通過研究發(fā)現(xiàn) 通過適當?shù)奶砑右恍┪⒘吭?這些微量元 素形成細小彌散的硬質(zhì)相質(zhì)點 起到彌散強化的作用 或者微量元素與母材和釬 焊材料形成固溶體 起到固溶強化的作用 這兩種方式都可以有效的提高釬焊接 頭的抗拉強度 2 近年來市場上出現(xiàn)了一種新型的銅鋁釬焊用藥芯鋁焊絲 這種焊絲用來釬焊 銅鋁接頭能夠得到很好的效果 藥芯鋁焊絲的外表是一層金屬釬料 一般采用的 是鋅鋁合金等 內(nèi)部是焊劑 一般采用氟鋁酸銫一類的無腐蝕性釬劑 這種藥都 要明顯好于鋅鎘 鋅錫銅等釬料 這種釬料可以應用于火焰釬焊 感應釬焊 電 阻釬焊 爐中釬焊等各種釬焊工藝 尤其是當采用火焰釬焊時更能體現(xiàn)其優(yōu)勢 因為藥芯鋁焊絲內(nèi)部是釬劑 因此在焊接過程中不用再另外加焊劑 而且一般所 采用的氟鋁酸銫等釬劑在常溫下不具有腐蝕性 一次焊后不用清理殘余焊劑 既 環(huán)保又能提高生產(chǎn)效率 由于加工工藝等比較復雜 藥芯鋁焊絲的價格要比普通 4 引言 實芯焊絲高 綜合生產(chǎn)效率 后續(xù)處理等方面因素 藥芯鋁焊絲的優(yōu)點還是比較 明顯 目前在歐美等國外得到了較大范圍的推廣 在國內(nèi)也有越來越多的廠家開 始使用這一類釬料p 7 3 9 1 1 2鋁銅釬焊用z n ai 釬料的研究進展及存在問題 由于鋅鋁釬料在鋁銅釬焊所使用的釬料中具有明顯的優(yōu)點 國內(nèi)學者也越來 越多的關(guān)注到鋅鋁釬料的研究 蘇文英 2 5 認為鋅鋁銅釬料是一種能夠很好實現(xiàn) 銅鋁連接的軟釬料 具有極好的鋪展性 拉伸強度 火焰釬焊后的得到的銅鋁釬 焊接頭強度 抗腐蝕性也較好 采用該種釬料所得到的釬焊接頭的中焊縫中含的 金屬間化學物較少 對焊接接頭的性能影響較小 鋅鋁硅釬料是一種用于銅鋁連 接的硬釬料 其電阻系數(shù) 拉伸強度較好 火焰釬焊后所得到的銅鋁接頭強度也 較高 當采用鋅鋁硅釬料火焰釬焊得到的銅鋁接頭的組織中 鋁銅金屬間化合物 的量比較多 對接頭性能影響較大 中南大學的劉正林即 對銅鋁釬焊用鋅鋁釬 料做了一系列研究 他認為通過調(diào)整釬料中鋁的含量 能夠有效的提高鋅鋁釬料 的抗拉強度 這有助于提高釬焊后所得到的釬焊接頭的強度 當釬料中鋁含量在 l o w t 左右時 釬料的強度最高 而且隨著釬料中鋁含量的提高 釬料對母材的 潤濕性變好 釬料中添加適量的銅元素可以提高釬焊接頭的強度 過量會明顯降 低接頭的強度 且釬料中加入銅元素后 能夠改善釬料在母材鋁上的鋪展性 采 用鋅鋁釬料所得到的釬焊接頭抗拉強度和抗腐蝕性都要明顯優(yōu)于錫基釬料和鋅 錫釬料 鄭州機械研究所在銅鋁釬焊用鋅鋁釬料的研究方面比較深入和系統(tǒng) 在國內(nèi) 處于領(lǐng)先地位 龍偉民 黃俊蘭 4 l 等系統(tǒng)研究了微量元素對鋅鋁釬料組織與性 能的影響并得出一些結(jié)論 通過添加適量銀元素可以改善鋅鋁釬料的潤濕性和填 縫性 得到更優(yōu)良的銅鋁接頭 同時而且銀元素可以提高銅鋁接頭抗鹽水腐蝕的 能力 通過添加適量銅元素一方面可以改善釬料的潤濕性 同時還可以提高釬料 的強度和銅鋁接頭的抗拉強度 這是因為適量的銅可以起到固溶強化的作用 通 過添加適量鎳也可以改善釬料的潤濕性并同時提高接頭的抗拉強度強度 通過添 加適量稀土元素大大提高釬料的潤濕性 同時可以起到細化晶粒 凈化釬縫的作 用 從而提高接頭的抗拉強度強度 4 2 1 但是目前在鋅鋁釬料應用過程中發(fā)現(xiàn)了它的一種失效行為 鋅鋁釬料在自然 存儲 存放和運輸過程中的塑性會逐漸降低 甚至會產(chǎn)生 脆性 斷裂 這對鋅 5 引言 鋁釬料的廣泛應用帶來了很大的障礙 對生產(chǎn)和使用鋅鋁釬料的企業(yè)帶來了嚴重 的經(jīng)濟損失 鄭州機械研究所的龍偉民研究員 4 3 對這一失效現(xiàn)象作了一些研究 并得到一些結(jié)論 他認為鋅鋁釬料產(chǎn)生脆性斷裂的機理主要有三個因素 首先是 鋅的晶體晶格結(jié)構(gòu) 其次是鋅鋁合金的晶間腐蝕 還有一個因素是鋅鋁合金的應 力腐蝕 釬料合金的鋁含量一般不大于2 2 一般鋅鋁釬料的鋁含量為2 和5 這兩 種成分 所以鋅鋁釬料屬于高鋅合金 其晶格結(jié)構(gòu)更傾向于保持著鋅的晶體結(jié)構(gòu) 鋅屬于密排六方晶格結(jié)構(gòu) 其中晶格常數(shù)c 為4 9 4 7 1 0 1 0 m a 為2 6 6 5x 1 0 1 0 m 可以看出鋅的晶格的c 軸長度比a 軸長很多 因此當一定的情況下 晶格容易在c 軸發(fā)生斷裂 龍偉民研究員 在研究過程中發(fā)現(xiàn) 鑄態(tài)下的鋅鋁合金晶粒與擠壓組織 軋制組織或者拉拔組織相比 鑄態(tài)組織的晶粒大很多 但是鑄態(tài)的鋅鋁合金并不 像鋅鋁釬料這么容易發(fā)生 脆斷 這種失效行為 由此他推斷應力腐蝕也是引發(fā) 鋅鋁釬料脆性斷裂的一個因素 一般認為影響應力腐蝕的主要因素有冶金因素 力學因素和環(huán)境因素三大 類 其中冶金因素和力學因素可以在分別通過在釬料中添加微量元素和消除應力 來減少這部分的影響 但是鋅鋁釬料仍然會有部分出現(xiàn) 脆斷 現(xiàn)象 所以推斷 環(huán)境因素可能在釬料的失效現(xiàn)象中起到一個重要的作用 1 3 本文的研究目的及意義 銅鋁連接在空調(diào)制冷等行業(yè)有著廣闊的應用前景 相比于其他的連接方法 釬焊以其顯著的成本和性能優(yōu)勢在銅鋁連接中得到了廣泛的應用 含銀錫基釬料 和鋅錫釬料 配合鋁反應釬劑 可以制備強度性能較高的鋁銅釬焊接頭 然而接 頭的抗腐蝕性能很差 鋅鋁釬料配合無腐蝕性釬劑得到的釬焊鋁銅接頭的抗腐蝕 性能較好 在鋅鋁釬料通過添加微量元素可以有效提高接頭的強度 很好的滿足 目前工業(yè)中的使用要求 但是目前鋅鋁釬料面臨著在生產(chǎn) 存放過程中出現(xiàn)脆斷 現(xiàn)象的問題 這嚴重阻礙了鋅鋁釬料的發(fā)展前景 本文的研究目的和意義就在于 通過對釬料在存放過程的組織和性能進行研究 盡可能的找出影響鋅鋁釬料產(chǎn)生 脆斷 現(xiàn)象因素 并為下一步徹底解決鋅鋁釬料的 脆斷 問題提供參考 6 1 4 本文的研究內(nèi)容 通過提高鋁含量和添加微量堿土元素 分析其對釬料在自然狀態(tài)下的組織和 性能改變的影響 改變釬料存放環(huán)境 觀察在不同的環(huán)境因素下釬料的組織和性 能的變化 為釬料產(chǎn)生脆斷現(xiàn)象的原因做初步的判斷 并為下一步的研究提供參 考 具體內(nèi)容有 1 通過拉伸試驗 顯微硬度測試試驗來測試釬料的力學性能 并采用s e m e d s x r d 等分析方法觀察釬料組織形貌 物相變化 元素含量等 采用力學性 能與組織形貌 物相分析相結(jié)合的方法分析釬料在室內(nèi)環(huán)境放置時 其組織性能 隨時間的變化 2 通過提高釬料中鋁含量和添加微量堿土元素 分析其在釬料在室內(nèi)環(huán) 境放置過程中對釬料組織性能隨時間變化的影響 3 將釬料放置在9 5 的干燥環(huán)境保存1 0 d 觀察釬料在放置前后組織與性 能的變化 分析溫度在釬料放置過程中的影響 4 將釬料放置在l1 5 2 的高溫水蒸氣環(huán)境中腐蝕6 6 h 觀察釬料在放置前 后組織與性能的變化 分析高溫水蒸氣環(huán)境對釬料在放置過程中的影響 7 試驗方法及分析測試手段 2試驗方法及分析測試手段 2 1 試驗用原材料 作為釬焊銅鋁異種金屬的填充材料 釬料既要對銅鋁母材具有良好的潤濕 性 又要具有一定的力學性能 a l 的質(zhì)量分數(shù)為1 5 的鋅鋁釬料對銅和鋁都有較 好的潤濕性 且其力學性能也能滿足一般的使用要求 在工業(yè)生產(chǎn)中使用也較廣 泛 為了比較其他因素對釬料在放置過程中的影響作用 本試驗在此基礎(chǔ)上設計 三種成分的釬料 其對應的化學成分如表2 1 所示 制作這三種成分釬料所使用 的原材料為牌號為l 2 的工業(yè)高純鋁 鋁的質(zhì)量分數(shù)大于9 9 8 5 主要雜質(zhì)鐵和 硅含量低于0 1 5 電解鋅 鋅的質(zhì)量分數(shù)大于9 9 5 主要雜質(zhì)鉛 鉻和鐵的 含量低于0 5 表2 1試驗用釬料的化學成分 訓 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 釬料的熔煉及加工工藝 2 2 1熔煉工藝 將塊狀純鋅和純鋁按配比加入到石墨坩堝中 采用高頻感應加熱進行熔煉 熔煉溫度為6 5 0 c 加入鋁合金精煉劑 去除雜質(zhì) 4 s 在熔煉過程中加入所需要 的微量元素 保溫2 0 r a i n 然后進行澆鑄 2 2 2z n a 1 釬料的加工工藝 將鑄錠加熱到2 5 0 保溫一段時間進行熱擠壓 首先得到q 2 0 r a m 的棒材 再 經(jīng)第二次熱擠壓得到 4 5 m m 的絲材 最后在l s 3 6 0 型拉絲機上經(jīng)多道次拉拔 成 3 m m 的焊絲 將拉拔后得到的焊絲在1 0 0 下保溫0 5 一 2 h 去除應力 8 試驗方法及分析測試手段 2 3 組織分析 2 3 1s e m e d s 分析 試樣的制備和腐蝕過程如圖2 1 所示 試樣是直徑只有3 m m 的絲狀釬料 所 以必須先用x q 一2 b 鑲嵌機鑲樣才能進行拋光 最后再將試樣取出在電子掃描顯微 鏡下觀察 圖2 1 掃描試樣的制備過程 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 本試驗在p h i l i p 生產(chǎn)的q u a n t a 2 0 0 型掃描電鏡上進行 主要是利用其對釬料 的組織形貌和能譜分析 2 3 2x r d 分析 把釬料軋成薄片狀 在p h i l i p sp w l 7 0 0 型x 射線衍射儀上進行試驗 以c u kq 為靶材 工作電壓為4 0 k v 電流為4 0 m a 掃描速度為4 m i n 起始角度為3 5 終止角度為8 8 2 a 性能測試 2 4 1常溫拉伸性能測試 參照g b t2 2 8 1 2 0 l o 金屬材料拉伸試驗第1 部分 室溫試驗方法 規(guī) 定 直徑在4 m m 以下的試樣一般為產(chǎn)品的一部分 不用加工成標準試樣 原始標 距 厶 取2 0 0 m m 或者1 0 0 m m 本課題采用原始標距1 0 0 m m 的試樣 由標準可知 平行長度 乜 應大于等于1 5 0 m m 所取試樣保證無缺陷 采用型拉伸試驗機 并用游標卡尺測定拉伸前后試樣標距的長度變化 根據(jù)公式么 甌瑚悔計算釬 料的斷后伸長率 其中三 為斷后標距 9 試驗方法及分析測試手段 2 4 2顯微硬度測試 將鑲嵌好的試樣經(jīng)砂紙打磨并拋光后 采用國產(chǎn)h v 一1 0 0 0 型維氏顯微硬度計 進行顯微硬度測試 負載l o o g 加載時間1 0 s 每個試樣取5 個點測定 去除偏差 較大的結(jié)果 求平均值 1 0 3釬料z i a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 3 1 辦魁l 5 凝固結(jié)晶過程及組織形貌 3 l 圃 竺蘭纂 纛郴 俐煳5 的 l n m 5 刪 圖3 1 為鋅鋁二元相圖 從相圖中可知 m 質(zhì)量分甄刀1 細則 一 凝固過程為 在4 6 0 時發(fā)生析晶反應 工j 口初 緣 溫度下降到共晶溫度時發(fā)生共晶反應 直至 凝固完全 此時合金組織為磊砌 p 隨著溫度繼續(xù)下降 初生口 相和共晶體中口相一起發(fā)生共析轉(zhuǎn)變2 專叻 p 咪刪 骺芝二囂囂鏟 鰳 p 初 群q p j 十p j 圖3 1 z n a l 二元相圖 f i 畔3 1 z n a ip h a s ed i a g r a m 鼬 鯽 湖 枷 擂 塒 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 3 1 2z n a l l 5 組織形貌 圖3 2 圖3 3 和圖3 4 分別為鑄態(tài)z n a l l 5 合金的金相顯微組織 經(jīng)擠壓拉拔制 和退火處理后得到的直徑為3 m m 釬料z n a l l 5 的金相顯微組織和釬料z n a i l 5 的 s e m 掃描照片 由相圖知道 砧含量在1 5 的鋅鋁合金在平衡凝固過程結(jié)束后的 組織為 a l 初 唧 夕 糾 其中n 相是都是z n 固溶于砧中形成的以a 1 為基的 固溶體 面心立方晶格 在不同凝固時間形成的q 相的z n 含量和晶格常數(shù)還存 在差別 但是在實際的凝固過程中 金屬的凝固過程一般都是非平衡凝固過程 因此z n a l l 5 在凝固過程中不會如相圖所示那樣的產(chǎn)物 其室溫下最終產(chǎn)物應該 是共晶組織 共析組織以及初生a 相等 4 卜5 3 從圖3 3 中可以看出 鑄態(tài)合金經(jīng) 過一系列加工后 組織變的極為細小 這有利于提高釬料的力學性能 絲狀釬料 的顯微硬度與鑄態(tài)合金相比有所下降 塑性則提高 這是因為具有超塑性的鋅鋁 合金存在 加工軟化 現(xiàn)象 經(jīng)擠壓拉拔后釬料的組織在加工過程中破碎變小 在普通光學顯微鏡下已經(jīng)很難觀察其組織形貌 因此需采用掃描電鏡對釬料組織 進行觀察 圖3 4 中顏色最深的為富鋁 相 顏色稍亮的為共析體或共晶體 可以看出 z n a l l 5 鑄態(tài)合金經(jīng)擠壓拉拔制成直徑為3 m m 的絲狀釬料后 其鑄態(tài)組織中的枝 晶完全被破碎成小晶粒 組織更加均勻 其力學性能得到了提高 圖3 2z n a l l5 鑄態(tài)組織照片 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 圖3 3z n a l l 5 釬料顯微組織 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 圖3 4z n a l l 5 釬料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 圖3 5 為z n a l l 5 絲狀釬料的掃描電鏡圖片及取點位置能譜分析 表3 1 為圖3 5 取點位置對應的能譜分析結(jié)果 1 3 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 圖3 5z n a l l 5 釬料的掃描電鏡照片及能譜圖 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 釬料能譜分析結(jié)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 釬料的能譜分析結(jié)果如表3 1 所示 1 點鋁的含量3 7 4 7 2 a 鋁的含量為 1 6 1 對照鋅鋁二元相圖可知 l 點處黑色相為砧含量較高的q 相 2 點處成分 與共析點成分相近 2 點處灰色相可能包括共析組織與共晶組織等 1 4 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 j 矗 菪 鬲 c 3 三 加4 5 弱 7 07 5 弱 2 0 d e g r e e 圖3 6z n a l l 5 釬料的x r d 譜圖 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 圖3 6 是z n a l l 5 釬料的x r d 譜圖 從x r d 中可以看出 z n a l l 5 釬料的相主要 由 a 1 和1 3 z n 組成 因為在熔煉時采用的是純鋅和純鋁 因此其中含有極少量 的其他元素 由于儀器的檢測精度 觀察不到其他的相 從x 射線衍射分析結(jié)果 來看 雖然釬料的組織是由共析組織 共晶組織等組成 但是其中包含相的就只 有a a i 和b z n 兩種 只是這兩種相中的舢和z n 的含量有著比較大范圍的波動 3 2釬料z n a l l 5 組織隨時效時間的變化 在實際鑄造條件下 金屬的凝固過程是非平衡凝固過程 相圖中的反應不能 進行徹底 室溫下a 相和p 相都是過飽和相 隨著放置時間的延長 這些過飽和 相將會發(fā)生分解 5 l 這些不穩(wěn)定相在放置過程中向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的分解過程就是自 然時效過程 在這個過程中 鋅鋁合金會形成巨大的內(nèi)應力 促進晶間腐蝕 并 造成塑性明顯下降 使合金變脆 這就是常說的鋅鋁合金的 老化 s 2 s 3 在鋅 鋁合金的自然時效過程中鋅鋁合金的相變是很復雜的 本節(jié)從組織成分及相來分 析鋅鋁釬料在放置過程中的變化 1 5 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 3 2 1釬料z n a l l 5 在自然時效過程中組織及成分的變化 圖3 7z n a l l 5 釬料組織形貌隨放置時間的變化 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 圖3 7 中的a b c 和d 分別為z n a l l 5 釬料在自然環(huán)境下放置1 個月 3 個月 5 個月和7 個月后的s e m 照片 其中黑色相是舢含量高的q 相 灰色相應 該為z n 含量較高的b 相和q 相形成的共析組織 從圖中可以看出 隨著時效時 間的延長 富鋁q 相黑色部分的體積百分比有所增加 而z n 含量較高的1 3 相和 q 相組成的共析組織的灰色部分體積百分比則隨時效時間的延長有所減少 利用 圖片處理軟件p h o t o s h o p 可以計算中這兩種不同顏色的相在整個組織中所占的比 例 如圖3 8 所示 圖3 9 是在不同放置時間黑色相所占比例變化 從圖3 9 可以很 直觀的看到 隨著放置時間的延長 黑色q 相所占組織中的比例在不斷升高 而 灰色相的面積所占比例不斷下降 黑色q 相面積所占組織比例在7 個月時比1 個月 時增加了1 8 左右 這可能是因為隨著放置時間的延長 灰色的共析組織的p 相 和a 相發(fā)生了分離 分離中來的q 相與原來的結(jié)合在一起 所以體積百分比有所 增多 而剩余的是沒有發(fā)生分離的共析組織以及分離出來的b 相 還有一種原因 1 6 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 從文獻 5 4 可以知道 鋅鋁組織中含z n 量高的相不耐腐蝕 在放置的過程中 由 于灰色的組織中z n 的含量比黑色相中 z n 的含量高很多 會首先發(fā)生腐蝕行為 也會導致灰色的組織的體積百分比變少 為了弄清楚在放置過程中趾u 1 5 釬料組織中1 3 相和q 相的變化 對放置不 同時間的z n a l l 5 釬 圖3 8 利用p h o t o s h o p 計算黑色q 相的體積百分數(shù)示意圖 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 自然放置時間 f l 圖3 9 黑色q 相體積百分數(shù)隨放置時間的變化 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 圖3 1 0 1 2 時效3 個月 5 個月 7 個月后z i 認1 1 5 絲狀釬料的掃描照片和能譜 圖 表3 2 4 分別為g i l a 1 0 1 2 取點位置對應的能譜分析結(jié)果 1 7 6 墨丑冬阻露硎衄避鼷恒罌印漲 翻 褂 l 號砉 f 薔鼉篙鼉f 掣g j l 0 嶧1 4 1 掣龜 锪冀t 紫i i m i t m w z b 群 t v 圖3 1 0 時效3 個月后z n a i l 5 釬料的掃描照片和能譜圖 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 時效3 個月后z n a l l 5 釬料能譜分析結(jié)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 取點位置 z n元素質(zhì)警數(shù) 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 釬料z n a l l 5 在自然環(huán)境放置過程中組織和性能的變化 磊品麗忑鬲鬲石麗砭愛露f 一 蚋 一 囂腎盯 l 嘲 玉皇螂雀譬號 葛 啐 譬單雀 竿出糊乎 土尸z 扣 k 鼉擎 蠹 甕產(chǎn)薏產(chǎn)篙尸篙 薔上毒盆蕊一 n c r 鐘 州 剛 圖3 1 1時效5 個月后z n a l l 5 釬料的掃描照片和能譜圖 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時效5 個月后z n a l l 5 釬料能譜分析結(jié)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 取點位置 z n元素質(zhì)量a 分i 數(shù) o 1