(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；)

·先進(jìn)材料及能源·

合金元素對(duì)鋁基釬料組織和性能的影響

王 艷，徐 強(qiáng)，盧 紅，冉 楊，王君君

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；)

采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)低熔點(diǎn)Al-Si-Cu-Mg系釬料成分，通過(guò)金相、硬度、鋪展及差熱等方法，分析釬料的顯微組織及性能。結(jié)果表明：釬料的組織主要由基體相α-Al、粒狀相Mg2Si、骨骼狀相Al2Cu(θ相)，以及θ相和Mg2Si的復(fù)雜共晶組成；合金元素對(duì)顯微硬度及熔化特性的影響由主到次的順序?yàn)镃u、Si、Mg；受金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出的影響，當(dāng)Cu、Si含量達(dá)到一定值(10% Cu、7.5% Si)后，釬料鋪展面積變化不大，試驗(yàn)配方中Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg熔點(diǎn)529℃時(shí)，鋪展面積大，綜合性能良好。

鋁基釬料；顯微組織；鋪展性能；低熔點(diǎn)；顯微硬度

Al-Si系釬料具有良好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，同時(shí)釬焊接頭的抗腐蝕性和可加工性也較好，因而在鋁及其合金的釬焊中得到了廣泛應(yīng)用；但是此系釬料的熔點(diǎn)在577 ℃左右，若用Al-Si系釬料釬焊熔點(diǎn)較低的鋁合金如6063時(shí)，釬焊溫度將非常接近其固相線(xiàn)溫度615 ℃，易出現(xiàn)母材晶粒粗大、溶蝕缺陷，因此研制更低熔點(diǎn)的鋁基釬料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)外在低溫鋁基釬料的研究方面做了不少工作：90年代初期，歐共體曾投資幾十萬(wàn)英鎊支持英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭對(duì)低熔點(diǎn)鋁基釬料進(jìn)行了研究(項(xiàng)目號(hào)為BRITE/EURAM NO.3082-90[1])，但其效果不很理想；日本的茅本隆司、恩澤忠男等[2-3]研制的Al-Si-Ge-Mg-Yb-In系釬料，采用Ge、Yb、In等元素降低熔點(diǎn)，由于生產(chǎn)成本等原因，國(guó)內(nèi)很少采用[2]。我國(guó)目前主要以加入Cu元素達(dá)到降低熔點(diǎn)的目的，如北京航空航天大學(xué)研制的Al-Si-Cu-Ni系釬料，熔點(diǎn)535.8 ℃，在570 ℃時(shí)與母材潤(rùn)濕良好[4-5]，但該釬料的固相線(xiàn)溫度仍較高。為進(jìn)一步降低釬料熔點(diǎn)，本文選用成本較低且能顯著降低釬料熔點(diǎn)的Cu、Si和可有效清除鋁合金表面氧化膜的Mg作為添加元素，分析Cu、Si、Mg元素對(duì)Al-Si-Cu-Mg系鋁基釬料組織、性能的影響，以期為研制新型的低熔點(diǎn)鋁基釬料提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)銅含量對(duì)Al-Si-Cu合金的液相線(xiàn)及硬度的影響，在Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%附近材料硬度上升較快，確定Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為20%，再根據(jù)銅為20%的Al-Si-Cu-Mg合金狀態(tài)圖，初步擬定Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%-10%，Mg在0.4%-1.2%之間。試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)得到9組配方，其名義成分見(jiàn)表1。

表1 釬料名義成分

釬料試樣經(jīng)打磨、拋光后用混合酸(體積分?jǐn)?shù)0.5%的HCl、體積分?jǐn)?shù)0.5%的HF、體積分?jǐn)?shù)1.5%的HNO3)腐蝕5 s，用OLYMPUS-TOKYO型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)察，在 S-3400N型掃描電鏡下用Oxford能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分；利用HVS-1000硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)加載0.98 N，保載15 s，每個(gè)試樣上打5個(gè)點(diǎn)，取平均值；以6063鋁合金為基板，其尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，并按照GB 11364—1989規(guī)定進(jìn)行鋪展試驗(yàn)；采用SDTQ600型差示掃描量熱儀進(jìn)行熔化特性分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金元素對(duì)組織的影響

由圖1—3可知，釬料組織主要由白色的基體相、亮色粒狀相、黑色骨骼狀相和灰色絮狀相構(gòu)成，富硅現(xiàn)象使得硅以共晶或以初晶形式存在。根據(jù)圖4 X線(xiàn)衍射結(jié)果并結(jié)合能譜數(shù)據(jù)，白色的基體相中w(Al)=96.70%，w(Cu)=1.59%，w(Si)=1.71%，故該相為α-Al，α相為面心固溶體，力學(xué)性能優(yōu)良。黑色骨骼相中w(Al)=45.69%，w(Cu)=54.31%，故該相分子式為Al2Cu，即θ相，θ硬而脆。亮色粒狀相中w(Mg)=63.12%，w(Si)=26.88%，故該相分子式為Mg2Si。而灰色絮狀相為Al-Cu-Si-Mg構(gòu)成的復(fù)雜共晶體Al4Cu2Mg8Si7。

由圖1可知，銅含量較低時(shí)，組織中骨骼相θ甚微；隨Si和Mg量的增加，亮色粒狀結(jié)構(gòu)即Mg2Si含量增加；該相作為硬質(zhì)相分布于晶界，阻礙晶粒長(zhǎng)大，使釬料變形阻力增加。

(a)Al-5Si-4Cu-0.4Mg

(b)Al-7.5Si-4Cu-0.8Mg

(c)Al-10Si-4Cu-1.2Mg

結(jié)合圖1、圖2可知，隨Cu 、Mg、Si含量的增加，組織中枝晶結(jié)構(gòu)由不規(guī)則排列向規(guī)則排列過(guò)渡，枝晶形態(tài)在Si為7.5%時(shí)趨于完整化。比較圖2(c)和圖2(b)，發(fā)現(xiàn)圖2(c)中Mg2Si相較少而多角形初晶硅較多，兩種結(jié)構(gòu)均可阻礙晶粒長(zhǎng)大，但初晶硅作用小于Mg2Si，故組織較圖2(b)粗大。

(a)Al-5Si-10Cu-0.8Mg

(b)Al-7.5Si-10Cu-1.2Mg

(c)Al-10Si-10Cu-0.4Mg

圖2 銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)的金相組織

與圖1、圖2比較，可發(fā)現(xiàn)圖3中θ相雖較多，但非連續(xù)分布，組織中未見(jiàn)完整的枝晶結(jié)構(gòu)，晶粒細(xì)小、均勻，這對(duì)釬料力學(xué)性能的提高是有利的。圖3(a)及圖3(b)中共晶Si在晶界析出，可改善初晶Si對(duì)基體的不利影響，尤其是當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.5%時(shí)，各相分布均勻，該釬料的綜合性能良好。圖3(c)中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%時(shí)，存在較多多角形初晶Si，其截面形狀呈片狀，這種形狀的Si相力學(xué)性能較差[4-5]，增加釬料的脆性。Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg樣品的X線(xiàn)衍射圖譜如圖4所示。

(a)Al-5Si-20Cu-1.2Mg

(b)Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg

(c)Al-10Si-20Cu-0.8Mg

圖3 銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)的金相組織

圖4 Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg樣品X線(xiàn)衍射圖譜

2.2 合金元素對(duì)硬度的影響

表2為釬料顯微硬度HV0.1。采用極差分析法，以各水平最大硬度值與最小硬度值之差為極差值，間接反應(yīng)出合金元素含量與硬度的關(guān)系，極差分析結(jié)果RCu、RSi、RMg分別為153、136.4、60.8，由此，硬度測(cè)試各因子由主→次的順序?yàn)镃u、Si、Mg。

根據(jù)極差分析結(jié)果，合金元素對(duì)顯微硬度的影響規(guī)律見(jiàn)圖5，可見(jiàn)試驗(yàn)成分范圍內(nèi)銅和硅元素的加入均較大幅度提高釬料的硬度，結(jié)合組織分析，Cu、Si量增加時(shí)，硬脆相θ含量增加，強(qiáng)化相Mg2Si也增加，同時(shí)更多的Si以多角形初晶硅存在，提高釬料硬度。Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～0.8%內(nèi)增加時(shí)，釬料硬度增加，隨Mg元素的繼續(xù)加入，Mg2Si含量增加，從而使初晶Si和共晶Si減少(見(jiàn)圖1—3)，故在一定范圍內(nèi)降低釬料硬度，提高塑性。這就面臨鋁基釬料的可加工性問(wèn)題，由于硬度的提高，塑性降低，在大于200 HV時(shí)就很難加工成薄板或者履帶型的釬料，所以在其他性能允許的情況下，可以適當(dāng)?shù)亟档?Si，Cu的含量，提高M(jìn)g的含量。

表2 釬料顯微硬度(HV0.1)

圖5 各元素對(duì)釬料硬度的影響規(guī)律

2.3 合金元素對(duì)熔化特性的影響

釬料熔點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)Al-Si二元合金相圖(略)，共晶點(diǎn)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.6%，共晶溫度為577 ℃，向Al-Si釬料中加入Cu后，構(gòu)成Al-Cu-Si三元合金[6-7](略)，其共晶成分Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.7%， Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，共晶溫度大大降低(525 ℃)。Mg也可顯著降低鋁基釬料的熔點(diǎn)；但在此類(lèi)成分設(shè)計(jì)中，主要是利用其活性，對(duì)鋁基起保護(hù)作用，因此，本研究Mg用量較少。

表3 釬料的熔點(diǎn)

由正交試驗(yàn)的極差理論對(duì)釬料液相線(xiàn)溫度進(jìn)行分析,極差分析結(jié)果RCu、RSi、RMg分別為143、33、18，故3因子對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響由主→次的順序?yàn)镃u、Si、Mg。Cu元素起主要作用，同時(shí)由于Al-Cu-Si有較低的三元共晶溫度，Cu、Si聯(lián)合作用，降低熔點(diǎn)效果明顯。圖6示出了Cu、Si、Mg對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響規(guī)律，由圖6(a)可知，釬料Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4%增加到10%時(shí)，釬料固相線(xiàn)溫度急劇下降，繼續(xù)提高Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(從10%→20%), Cu對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響減弱。圖6(b) Si對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響規(guī)律和Cu相似，即從5%增加到7.5%時(shí)，釬料固相線(xiàn)溫度降低明顯，在7.5%至10%范圍內(nèi)增加時(shí)，對(duì)熔點(diǎn)的影響作用滯緩。圖6(c)示出Mg元素在較低含量范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)釬料熔點(diǎn)的影響不明顯，但當(dāng)含量較高時(shí)(從0.8%→1.2%)，可較大幅度降低釬料熔點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中以Mg作為添加元素時(shí)更多的是利用其較高的金屬活性，對(duì)鋁起保護(hù)作用。

圖6 各元素對(duì)釬料熔點(diǎn)溫度的影響規(guī)律

2.4 合金元素對(duì)鋪展面積的影響

550 ℃時(shí)，1#-4#釬料不熔化，余下5#-9#號(hào)釬料鋪展面積測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，5#釬料鋪展面積受釬焊溫度的影響較大，釬焊過(guò)程中溫度控制不嚴(yán)，易出現(xiàn)母材的溶蝕，而9#釬料在550°附近鋪展性能不良。

熔融釬料沿母材表面的鋪展是受多種因素制約的，而金屬間相互作用的性質(zhì)是主要因素。Cu元素能和Al作用，形成α+Al2Cu；而Si、Mg元素在高溫和實(shí)溫下在鋁中的溶解度都較高，因此母材基體對(duì)Cu、Si、Mg元素吸引力較大，減小了釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕角，提高了釬料的鋪展性能。但隨Cu、Si、Mg元素的增加，釬料中有金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出，對(duì)減小界面張力的作用有限，因此Cu、Si含量增加到一定程度時(shí)，釬料鋪展性能不再提高。結(jié)合組織分析，釬料Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg晶粒細(xì)小，且初晶Si較少，各相分布均勻，釬料綜合性能良好。

表4 釬料鋪展面積 mm2

3 結(jié)論

1)Al-Si-Cu-Mg釬料的組織主要由基體相α-Al、粒狀相Mg2Si、骨骼狀相Al2Cu(θ相)，以及θ相和Mg2Si的復(fù)雜共晶組成。隨Cu、Si元素含量的增加，完整的枝晶結(jié)構(gòu)逐漸消失，在Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%, Si 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%時(shí)，晶粒細(xì)小，各相分布均勻。

2)硬度試驗(yàn)各因子由主→次的順序?yàn)椋篊u、Si、Mg；在試驗(yàn)成分范圍內(nèi)， Al-Si-Cu-Mg釬料的顯微硬度隨Cu、Si含量的增加而增加，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.8%以后，隨Mg含量的增加硬度有所降低。

3)Al-Si-Cu-Mg釬料的熔點(diǎn)隨Cu、Si、Mg含量的增加而降低。極差理論分析結(jié)果表明，Cu是主要因子，Si次之，Mg最小。受金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出的影響，當(dāng)Cu、Si含量達(dá)一定值(10% Cu、7.5% Si)后，釬料鋪展面積變化不大，9組成分配方中，Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg在試驗(yàn)溫度條件下，鋪展面積較大，與母材的潤(rùn)濕效果佳，綜合性能優(yōu)良。

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(編校：夏書(shū)林)

EffectofAlloyElementsontheMicrostructureandPropertiesofAl-baseSolder

WANG Yan, XU Qiang, LU Hong, RAN Yang, WANG Jun-jun

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Alloy composition of low melting-point Al-Si-Cu-Mg solder is designed with orthogonal experiment, the microstructure and properties of the solder are analyzed by means of metallographic examination, hardness measurement, spreadability and differential thermal test method. The results show that the microstructure of solder brazing is mainly composed of matrix phase α -Al, granular phase Mg2Si, skeletal shape phase Al2Cu (θ phase), and the θ phase and Mg2Si complex eutectic. Effects of alloying elements on microhardness and melting characteristic from primary to secondary are: Cu, Si, Mg. Affected by intermetallic compound Al2Cu and Mg2Si as well as the precipitation of primary crystal Si, the spreading areas of solder change little after the contents of Cu, Si reach a certain value (10%Cu, 7.5%Si). And as for the Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg at melting-point 529℃ ，the spreading area get larger and the combination properties is good in experimental formula.

Al-base solder; microstructure; spreadability; low melting-point；microhardness

2014-01-10

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZA0030)；西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金項(xiàng)目(Z1220114)。

王艷(1970—)，女，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楹附硬牧霞昂附庸に嚒?/p>

TG454

：A

：1673-159X(2015)01-0017-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.003