高级检索

In元素对Zn15Al5Cu钎料铺展性及微观界面的影响

闫焉服, 李超君, 任晓飞, 顾天亮

闫焉服, 李超君, 任晓飞, 顾天亮. In元素对Zn15Al5Cu钎料铺展性及微观界面的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 51-55. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191113002
引用本文: 闫焉服, 李超君, 任晓飞, 顾天亮. In元素对Zn15Al5Cu钎料铺展性及微观界面的影响[J]. 焊接学报, 2020, 41(4): 51-55. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191113002
YAN Yanfu, LI Chaojun, REN Xiaofei, GU Tianliang. Effect of In element on spreadability and micro-interface of Zn15Al5Cu solder[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 51-55. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191113002
Citation: YAN Yanfu, LI Chaojun, REN Xiaofei, GU Tianliang. Effect of In element on spreadability and micro-interface of Zn15Al5Cu solder[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(4): 51-55. DOI: 10.12073/j.hjxb.20191113002

In元素对Zn15Al5Cu钎料铺展性及微观界面的影响

基金项目: 河南省杰出青年基金资助项目(144100510002)
详细信息
    作者简介:

    闫焉服,1970年出生,博士,教授,博士研究生导师;主要从事先进材料连接方向的科研和教学工作;发表论文70余篇;Email:yanyanfu@mail.haust.edu.cn.

  • 中图分类号: TG 423

Effect of In element on spreadability and micro-interface of Zn15Al5Cu solder

  • 摘要: 为获得性能良好的铜铝钎焊用钎料,以Zn15Al5Cu钎料为基体,添加不同质量的In元素,制得Zn15Al5CuxIn(x = 0,1,3,5,x为质量分数)钎料;通过扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等分析测试手段,研究了Zn15Al5CuxIn钎料在铝板和铜板上的铺展性以及界面成分变化规律. 结果表明,添加适量的 In元素,可以明显改善Zn15Al5Cu钎料在铜铝两种板上的润湿性;随着In元素添加量的增加,Zn15Al5CuxIn元素钎料在铝板上铺展面积逐渐增大,当 In元素添加量为5%时,Zn15Al5Cu5In 钎料在铝板上铺展面积最大,为251 mm2,较基体钎料提高42.6%;随着In元素添加量增加,Zn15Al5CuxIn元素钎料合金在铜板上铺展面积先增大后降低,当In元素添加量为3%时,Zn15Al5Cu3In钎料在铜板上铺展面积最大,为110 mm2,较基体钎料提高了69%.
    Abstract: In order to obtain brazing material for copper and aluminum brazing with good performance, Zn15Al5CuxIn (x = 0,1,3,5) brazing material is prepared by adding different quality In. Through scanning electron microscope (SEM), energy disperse spectroscopy (EDS) and other analytical testing methods, the spreadability of Zn15Al5CuxIn solder on Al, Cu plates and the change of interface composition were studied. The results show that the addition of an appropriate amount of In can significantly improve the wettability of Zn15Al5Cu solder on Cu and Al base metals. When the amount of In added is 5%, the Zn15Al5Cu5In solder has the largest spread area on the Al base material, reaching 251 mm2, which is 42.6% higher than that of the base solder; When the In addition amount is 3%, the Zn15Al5Cu3In solder has the largest spread area on the Cu base material, reaching 110 mm2, which is 69% higher than the base solder.
  • 随着工业化水平提高,钎焊技术的应用越来越广泛. 利用钎焊技术实现以铝代铜、连接铜铝异种金属成为主要研究方向. 与熔焊时焊丝熔化进而母材之间发生强烈冶金反应相比较,钎焊时,钎料与母材之间的相互扩散、相互作用过程仅仅发生在母材表面及表面以下几微米到几十微米处,一般情况下不改变母材深层次的成分及微观组织,对于铜铝异种金属的连接是非常有利的[1-5]. 理论上,只要在钎焊时制定合适的工艺、选择确定好合适的钎料和配套使用的钎剂,就能获得优质的铜铝异种金属焊接接头,应用钎焊方法焊接铜铝异种金属,成本低廉,通用性强,前景非常广阔[6-9].

    大连理工大学谢海平等人[10]研究了不同含量Cu元素对Sn-9Zn基体钎料综合性能影响,结果表明Cu元素改变了钎料的微观组织,针状的富Zn相逐渐转变为CuZn化合物,同时能够提高钎料的熔化温度和润湿性能. 南京航空航天大学的张满等人[11]使用ZnAl钎料和配套的氟化物钎剂,在火焰钎焊下,对铜铝异种金属进行了焊接,结果表明,当ZnAl钎料中Al元素含量在15%时,所形成的钎焊接头抗拉强度最高. 当Al元素含量较高时,会和由母材扩散进入钎缝的Cu元素结合,生成较多的CuAl2脆硬金属间化合物,影响接头的力学性能. Ji等人[12]在Zn22Al钎料中加入Ti元素,对铜铝异种金属进行钎焊,结果表明加入Ti元素能够明显细化钎料合金的微观组织、提高钎料合金在铜板上的润湿性能,钎焊接头的力学性能也有所提高.

    选择Zn15Al5Cu钎料为基础钎料,在Zn15Al5Cu钎料中添加In元素,通过对Zn15Al5Cu钎料的铺展性能进行测试,并分析其微观界面,设计出性能良好的铜铝钎焊用Zn-Al钎料.

    为尽可能降低钎料合金中杂质含量,制备钎料时所使用原材料为纯度99.99%锌粒,纯度为99.95%纯铝片,纯度为99.99%纯铜粉及直径1 mm 的高纯铟丝(纯度99.99%). 熔炼时首先按照ZnAlCu钎料合金中In含量为0,1%,3%,5%以及表1的烧损率计算出各元素的添加量,再使用天平称量好,放入100 mL氧化铝坩埚中. 为了防止熔炼过程中钎料氧化,在原材料表面覆盖一层保护剂(KCl∶NaCl = 2∶1). 熔炼所用设备VF-1600M型真空炉,熔炼温度850 ℃,保温15 min.

    表  1  合金元素烧损率(%)
    Table  1.  Burning rate of alloy elements
    ZnAlCuIn
    2 ~ 55 ~ 102 ~ 52 ~ 5
    下载: 导出CSV 
    | 显示表格

    钎料在母材上的润湿性好坏一般用铺展面积和润湿角作为衡量依据. 按照GB/T 11364—2008《钎料润湿性试验方法》进行钎料的铺展润湿性能试验[13]. 分别在1060铝板和铜板上截取尺寸为40 mm × 40 mm × 2 mm的试样,用金相水砂纸打磨并用化学清洗法除去表面氧化物,酒精清洗、干燥后,在试样表面均匀地涂敷上加水调制成糊状的QJ201钎剂;称取0.25 g合金钎料放置在试样表面,再放入VF1600-M型真空炉中加热至500 ℃保温5 min,真空度为10 Pa,随炉冷至室温. 将试样清洗干净,用相机拍照后,将照片导入AutoCAD软件中,利用面积查询功能得出合金钎料的铺展面积. 同一种钎料进行3次试验取平均值. 将钎料在铜板和铝板表面铺展试样从中间切开并打磨抛光,使用JSM-5610LV型电镜对润湿界面进行形貌观察.

    图1为Zn15Al5Cu钎料在铝板上铺展面积. 从图1可以看出,加入In元素能够显著提高Zn15Al5Cu钎料在铝板上铺展面积,即提高钎料对铝板润湿性. 未添加In元素时,Zn15Al5Cu基体钎料在铝板上铺展面积为176 mm2;随着In元素含量的增加,铺展面积逐渐增大. 当In元素添加量为5%时,铺展面积达到最大值,为251 mm2,较基体钎料提高了42.6%.

    图  1  Zn15Al5CuxIn钎料合金在铝板上铺展面积
    Figure  1.  Spreading area of Zn15Al5CuxIn solder alloys on Al plate

    影响钎料润湿性能因素很多,主要有钎料成分、钎剂成分、钎焊工艺参数等,其中钎料和母材的接触反应有着至关重要的作用. 如果液态钎料不能填充固态母材表面的缝隙,则钎料在母材表面润湿性差,甚至不润湿;反之,如果液态钎料能填充母材表面的缝隙,则钎料在母材上铺展润湿. 由Zn-Al二元相图可知,Zn元素和Al元素能够无限互溶,液态下Zn15Al5Cu钎料中的Zn原子会以非常快速度向铝板晶间扩散. 图2为Zn15Al5CuxIn/Al微观界面. 从图2可以看出,未添加In元素时,钎料和铝板接触区域之间发生了明显相互作用,形成了较宽的反应区,两者之间反应剧烈,在界面形成较厚的金属间化合物,过多的金属间化合物会提高液态钎料粘度,降低润湿性. 添加3% In元素时,钎料和母材之间形成了较窄反应区;钎料和母材的反应受到抑制,液固界面流动性变好,因此铺展面积有所提高;当In含量达到5%时,钎料熔点显著降低,在相同钎焊条件下过热度大,因此铺展面积增大.

    图  2  Zn15Al5CuxIn/Al微观界面
    Figure  2.  Microstructure interface of Zn15Al5CuxIn/Al.(a) Zn15Al5Cu;(b) Zn15Al5Cu1In;(c) Zn15Al5Cu3In;(d) Zn15Al5Cu5In

    对钎料与铝板之间界面的微观成分分析,发现在铝板一侧出现了铝板中原本不具有的Zn,Cu两种元素,证明在液态钎料润湿母材过程中发生了钎料向母材中扩散现象. 而钎料能谱分析中Al元素含量远高于钎料原有Al元素含量,这说明润湿时发生了铝板向钎料溶解过程. 结合图2可知,In元素加入抑制了液态钎料对母材强烈溶蚀作用,一方面是因为In元素在钎料中有一定固溶度,加入的In元素对Zn原子向铝板中的扩散起到了阻碍作用,改善了润湿界面微观结构,使得钎料在母材表面的润湿性能明显提高;另一方面是因为在液态下纯铟表面张力为0.56 N/m,而纯锌为0.81 N/m、纯铝为0.91 N/m、纯铜为1.35 N/m,In元素在液态下聚集在钎料表面能降低液态钎料的表面能及表面张力[14],提高Zn15Al5Cu钎料在铝板表面的润湿性能. 添加In元素降低了钎料的熔点,在试验过程中温度是恒定的,故液态下钎料的过热度逐渐增加,粘度逐渐减小,会进一步提高了钎料在铝板上的润湿性.

    图3为Zn15Al5Cu钎料在铜板上的铺展面积. 从图3可以看出,未添加In元素时Zn15Al5Cu基体钎料在铜板上铺展面积约为65 mm2;随着钎料中In元素添加量增加,钎料在铜板上铺展面积逐渐增大. 当In元素添加量为3%时,钎料在铜板上的铺展面积达到最大值为110 mm2,较基体钎料提高了69%. 继续增加In元素的添加量,钎料在铜板上铺展面积开始下降但仍然好于Zn15Al5Cu基体钎料. 可见,添加In元素的Zn15Al5CuxIn钎料在铜板母材上的润湿性有显著提高.

    图  3  Zn15Al5CuxIn钎料在铜板上铺展面积
    Figure  3.  Spreading area of Zn15Al5CuxIn solder alloys on Cu plate

    图4为Zn15Al5CuxIn/Cu微观界面. 与钎料在铝板上润湿时以溶解反应为主不同,钎料与铜板之间发生了较为强烈的冶金反应,界面之间生成了一层金属间化合物. 研究表明,使用锌基钎料对铜铝异种金属进行钎焊,所形成焊接接头中铜板一侧与钎料界面中的金属间化合物以CuAl2为主. 由图4a可以看出,未添加In元素时,靠近界面的钎料组织细小,呈现层片状结构,但是生成的灰黑色金属间化合物呈大片及长条状连续分布,介于钎料和铜板之间,阻碍Zn15Al5Cu基体钎料在铜板表面的铺展润湿. 由于CuAl2金属间化合物属于脆硬相,界面处出现了延伸较长的裂纹缺陷. 随着In元素含量增加,界面上金属间化合物变得细小,分布更加均匀,不再呈现连续的状态,钎料和铜板界面层平整且几乎无缺陷,这对于提高钎料在铜板上的铺展润湿及接头强度是有利的. 当In元素添加量达到5%时,由于In元素与Cu元素生成较多的金属间化合物,界面中金属间化合物积聚成大片状,阻碍了液态钎料的流动,因此与Zn15Al5Cu3In钎料相比,Zn15Al5Cu5In钎料在铜板上的润湿性有一定程度的下降.

    图  4  Zn15Al5CuxIn/Cu微观界面
    Figure  4.  Microstructure interface of Zn15Al5CuxIn/Cu. (a) Zn15Al5Cu;(b) Zn15Al5Cu1In;(c) Zn15Al5Cu3In;(d) Zn15Al5Cu5In

    对钎料与铜板润湿界面进行能谱分析,发现钎料和铜板界面之间发生了冶金反应. 添加In元素后反应层中Zn,Al,Cu,In元素都存在,且Cu元素含量远远高于钎料组分中原有Cu元素含量,这说明钎料发生润湿时铜板上的Cu原子溶解于钎料,且随着In元素含量增加,界面层中Cu元素含量会升高,这可能是添加In元素后,钎料在铜板上润湿性增强的原因之一.

    锌基钎料在铜板上润湿性能不佳一直是制约Zn-Al系钎料在铜铝异种金属钎焊中应用的一大因素. 在该研究中,In元素的添加显著提高Zn15Al5Cu钎料在铜板上铺展面积,改善了润湿性,其原因主要是In元素促进了铜板中Cu原子向液态钎料中扩散溶解,两者之间发生了较为强烈的冶金反应. 由杨氏润湿方程[15]可知,润湿角越小(cosθ越大),钎料对母材润湿能力越好.

    $$ {\sigma }_{\rm{sg}}-{\sigma }_{\rm{sl}}-{\sigma }_{{\rm{lg}}}{\rm{cos}}\theta =0 $$ (1)

    式中:${\sigma }_{\rm{sg}}$为固/气相界面张力;${\sigma }_{\rm{sl}}$为固/液相界面张力;${\sigma }_{\rm{lg}}$为液/气相界面张力;$ \theta $为平衡状态下的润湿角.

    在钎料中In作为表面活性元素,液态下聚集在钎料表面降低了液态钎料的表面能及表面张力,即${\sigma }_{\rm{sl}}$${\sigma }_{\rm{lg}}$减小,故润湿角减小,提高了Zn15Al5Cu钎料在铜板表面的润湿性能. 同时,由于加入的In元素降低了钎料熔点,在试验过程中温度恒定,故液态下钎料的过热度增加,粘度逐渐减小,流动性增强,进一步提高了钎料在铜板上的润湿性. 由于过多的In元素会与Cu元素生成较多的金属间化合物,影响液态钎料的流动,导致界面层出现孔洞等缺陷,又会对钎料在铜板表面的润湿造成不利影响,且随着In添加量的增加,这种阻碍作用可能逐渐增强,因此当In元素含量大于3%时,钎料在铜板上铺展面积呈下降趋势.

    当In元素添加量为3%时,钎料在铜板上铺展面积达到最大,润湿性最佳. 因此从提高钎料在铜板上润湿性的角度考虑,In元素的最佳添加量为3%.

    (1)通过在Zn15Al5Cu钎料中添加适量In元素,可明显改善Zn15Al5Cu钎料在铜板、铝板上的润湿性.

    (2)在Zn15Al5Cu钎料中添加In元素对钎料在铝板上的润湿性影响较大. 随In元素添加量的增加,Zn15Al5CuxIn钎料在铝板上铺展面积呈现增大趋势;当In元素添加量为5%时,Zn15Al5Cu5In钎料在铝板上铺展面积最大,为251 mm2,较Zn15Al5Cu基体钎料提高42.6%.

    (3)在Zn15Al5Cu钎料中添加 In元素对钎料在铜板上的润湿性有较大程度的提高. 随着In元素添加量增加,Zn15Al5CuxIn钎料在铜板上铺展面积呈现先增大后降低的趋势,当In元素添加量为3%时,Zn15Al5Cu3In钎料在铜板上铺展面积最大,达到最大值为110 mm2,较Zn15Al5Cu基体钎料提高了69%.

  • 图  1   Zn15Al5CuxIn钎料合金在铝板上铺展面积

    Figure  1.   Spreading area of Zn15Al5CuxIn solder alloys on Al plate

    图  2   Zn15Al5CuxIn/Al微观界面

    Figure  2.   Microstructure interface of Zn15Al5CuxIn/Al.(a) Zn15Al5Cu;(b) Zn15Al5Cu1In;(c) Zn15Al5Cu3In;(d) Zn15Al5Cu5In

    图  3   Zn15Al5CuxIn钎料在铜板上铺展面积

    Figure  3.   Spreading area of Zn15Al5CuxIn solder alloys on Cu plate

    图  4   Zn15Al5CuxIn/Cu微观界面

    Figure  4.   Microstructure interface of Zn15Al5CuxIn/Cu. (a) Zn15Al5Cu;(b) Zn15Al5Cu1In;(c) Zn15Al5Cu3In;(d) Zn15Al5Cu5In

    表  1   合金元素烧损率(%)

    Table  1   Burning rate of alloy elements

    ZnAlCuIn
    2 ~ 55 ~ 102 ~ 52 ~ 5
    下载: 导出CSV
  • [1] 王泽宇, 赵莹莹, 常东旭, 等. 热处理对Cu/Al-3.25Si合金冷压焊接复合带界面组织与性能的影响[J]. 焊接学报, 2015, 36(11): 81 − 84.

    Wang Zeyu, Zhao Yingying, Chang Dongxu, et al. Effect of heat treatment on interface microstructure and property of Cu/Al-3.25Si cold-press welded joint[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2015, 36(11): 81 − 84.

    [2]

    Zhang G Q, Feng X M, Feng Z Y, et al. Effect of mixed rare earth and Sr on microstructure and brazability of Al-20Cu-5Si-2Ni filler metal[J]. China Welding, 2016, 25(2): 68 − 72.

    [3] 王世宇, 李卓然, 张招, 等. Mg/Cu/Al接触反应钎焊工艺及元素扩散行为分析[J]. 焊接学报, 2018, 39(1): 13 − 16. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390004

    Wang Shiyu, Li Zhuoran, Zhang Zhao, et al. Process and diffusion analysis on contact reactive brazing of Mg/Cu/Al[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(1): 13 − 16. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390004

    [4]

    Bobzin K, Öte M, Wiesner S, et al. Formation of the reaction zone between tin-copper brazing fillers and aluminum silicon-magnesium alloys: Experiments and thermodynamic analysis[J]. Materials Science and Engineering Technology, 2017, 48(12): 1241 − 1248.

    [5]

    Berlanga-Labari C, Albístur-Goñi A, Balerdi-Azpilicueta P, et al. Study and selection of the most appropriate filler materials for an Al/Cu brazing joint in cooling circuits[J]. Materials & Manufacturing Processes, 2011, 26(2): 236 − 241.

    [6]

    Wang X G, Li X G, Yan F J, et al. Effect of heat treatment on the interfacial microstructure and properties of Cu-Al joints[J]. Welding in the World, 2016, 61(1): 1 − 10.

    [7]

    Zhang Q Z, Gong W B, Liu W. Microstructure and mechanical properties of dissimilar Al-Cu joints by friction stir welding[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(6): 1779 − 1786. doi: 10.1016/S1003-6326(15)63783-9

    [8] 金霞, 杨倡进, 刘保祥. 铝及铝合金用钎剂的发展现状和趋势[J]. 电子工艺技术, 2008, 29(2): 112 − 115. doi: 10.3969/j.issn.1001-3474.2008.02.016

    Jin Xia, Yang Changjin, Liu Baoxiang. Development status and trends of flux for aluminum and aluminum alloys[J]. Electronics Process Technology, 2008, 29(2): 112 − 115. doi: 10.3969/j.issn.1001-3474.2008.02.016

    [9] 薛松柏, 董健. Al/Cu 管异种材料火焰钎焊连接[J]. 焊接, 2003(12): 23 − 25. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2003.12.008

    Xue Songbai, Dong Jian. Flame brazing connection of Al/Cu tube dissimilar materials[J]. Welding & Joining, 2003(12): 23 − 25. doi: 10.3969/j.issn.1001-1382.2003.12.008

    [10] 谢海平, 于大全, 马海涛, 等. Sn-Zn-Cu 无铅钎料的组织、润湿性和力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2004, 14(10): 1694 − 1699. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2004.10.013

    Xie Haiping, Yu Daquan, Ma Haitao, et al. Microstructure, wettability and mechanical properties of Sn-Zn-Cu lead-free solder[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2004, 14(10): 1694 − 1699. doi: 10.3321/j.issn:1004-0609.2004.10.013

    [11] 张满, 薛松柏, 姬峰. CuAl2相对铜铝钎焊接头组织与性能的影响[J]. 焊接学报, 2011, 32(2): 93 − 96.

    Zhang Man, Xue Songbai, Ji Feng. Effect of CuAl2 on the microstructure and properties of copper-aluminum brazed joints[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2011, 32(2): 93 − 96.

    [12]

    Ji F, Xue S B, Dai W. Effects of Ti on the brazability of Zn-22Al-xTi filler metals as well as properties of Cu/Al brazing joints[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2013, 42(12): 2453 − 2457. doi: 10.1016/S1875-5372(14)60037-0

    [13]

    Chen R, Huang S S, He Y M. Effect of Sn content on brazing properties of Ag based filler alloy[J]. Material Sciences, 2013, 3(1): 35 − 36. doi: 10.12677/MS.2013.31007

    [14] 卢方焱, 薛松柏, 张亮, 等. 微量 In 对 AgCuZn 钎料组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2008, 29(12): 85 − 88. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.12.022

    Lu Fangyan, Xue Songbai, Zhang Liang, et al. Effects of trace In on the structure and properties of AgCuZn solders[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2008, 29(12): 85 − 88. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.12.022

    [15]

    Young T. An essay on the cohesion of fluids[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 1995, 1805(95): 65 − 87.

  • 期刊类型引用(2)

    1. 陈晨,张亮,王曦,李木兰. Zn-Al系钎焊材料的研究进展. 材料导报. 2023(22): 142-154 . 百度学术
    2. 许国栋,闫焉服,高婷婷,李永康. 锡粉粒度对SAC305锡膏黏度和润湿性能的影响. 河南科技大学学报(自然科学版). 2022(06): 12-16+5 . 百度学术

    其他类型引用(2)

图(4)  /  表(1)
计量
  • 文章访问数:  385
  • HTML全文浏览量:  111
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 4
出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-12
  • 网络出版日期:  2020-07-26
  • 刊出日期:  2020-07-26

目录

/

返回文章
返回