外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料組織、熔化溫度及腐蝕性能影響

吳 敏

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧撫順 113001)

外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料組織、熔化溫度及腐蝕性能影響

吳 敏

(遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧撫順 113001)

運(yùn)用X射線(xiàn)衍射儀、掃描電鏡、金屬腐蝕檢測(cè)儀等儀器設(shè)備,研究0.5 T外加磁場(chǎng)作用對(duì)Sn-9Zn釬料合金組織、熔化溫度及腐蝕性能影響。研究結(jié)果表明,外加磁場(chǎng)可促進(jìn)Sn-9Zn釬料合金顯微組織細(xì)化,熔化溫度下降近2℃,腐蝕性能得到改善,分析認(rèn)為,由于外加磁場(chǎng)可促進(jìn)Sn-9Zn釬料合金在特定晶面迅速結(jié)晶形核,抑制Zn富相形成,從而細(xì)化Sn-9Zn釬料組織以及影響釬料合金的熔化溫度及腐蝕性能。

磁場(chǎng); Sn-9Zn釬料; 組織; 熔化溫度; 腐蝕性; 峰值強(qiáng)度

目前在研究開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛釬料合金體系中,盡管Sn-Zn系合金釬料存在易氧化、焊接結(jié)合界面強(qiáng)度低等缺點(diǎn),但仍具有與Sn-Pb共晶合金相接近的熔點(diǎn)、釬焊工藝性好和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注,并在工程生產(chǎn)中得到一定應(yīng)用,為解決Sn-Zn系釬料存在的不足,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)嘗試向該合金釬料添加Bi、Re、Ga等多種元素來(lái)解決,效果并不十分理想[1-4]。外加磁場(chǎng)可以將高強(qiáng)度的能量無(wú)接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度,從而對(duì)材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生巨大而深刻的影響,目前已在結(jié)晶凝固、粉末冶金、電析、燒結(jié)、絡(luò)合、熱處理、塑性加工、對(duì)流傳熱和液體懸浮及分離等材料制備與加工方面進(jìn)行廣泛探索,并取得很大研究進(jìn)展[5-7]。鑒于此,本實(shí)驗(yàn)研究運(yùn)用X射線(xiàn)衍射儀、掃描電鏡、金屬腐蝕檢測(cè)儀等設(shè)備,探討外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn合金釬料組織性能影響,并從磁場(chǎng)作用機(jī)理進(jìn)行分析,取得較好研究成果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 釬料制備

采用TG328A型分析天平作為稱(chēng)量工具,將化學(xué)純的金屬Sn、Zn分別按指定比例(質(zhì)量比)置于石墨坩堝中,用ZGJL 01-40-4C真空中頻感應(yīng)爐加熱,冷卻凝固得Sn-9Zn釬料合金板條塊,并將制備的釬料合金在室溫下放置24 h,進(jìn)行組織穩(wěn)定化處理。

1.2 磁場(chǎng)作用釬焊

將制得的Sn-9Zn釬料合金在外加磁場(chǎng)條件下進(jìn)行試驗(yàn)。其中外加磁場(chǎng)是由磁鐵產(chǎn)生、磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5 T的穩(wěn)恒靜磁場(chǎng),磁場(chǎng)強(qiáng)度由Gaussmeter SH T-6儀器測(cè)定;釬料本身的重熔凝固、熔化溫度測(cè)定是在外加磁場(chǎng)條件下進(jìn)行試驗(yàn),重熔凝固制得的釬料進(jìn)行腐蝕性能測(cè)試。

1.3 物相分析

運(yùn)用日本理學(xué)D/max-RB X射線(xiàn)衍射儀對(duì)Sn-9Zn釬料進(jìn)行物相分析。XRD測(cè)定條件為Cu Ka輻射,閃爍計(jì)數(shù)器前加石墨彎晶單色器,管壓為40 kV,管流為100 m A,測(cè)角儀半徑185 mm,光闌系統(tǒng)為DS=SS=1°,RS=0.15 mm。采用θ-2θ步進(jìn)掃描方式,步長(zhǎng)0.02°,掃描速度為8(°)/min。

1.4 微觀(guān)組織觀(guān)察

用WM 500 Leica顯微鏡、日本島津公司SSX-550掃描電鏡及其附帶的能譜儀對(duì)Sn-9Zn釬料合金微觀(guān)組織形貌及成分進(jìn)行觀(guān)察測(cè)定。SSX-550掃描電鏡測(cè)定條件為Acc Voltage為15.00 kV, Specimen Current為1.0 0 nA,Stage Angle為0.0°,Take-off Angle為35.0°,Wo rking Distance為17.000 0 mm。

1.5 釬料熔化溫度測(cè)定

釬料合金熔化溫度測(cè)定采用熱分析方法進(jìn)行,熱分析是根據(jù)材料發(fā)生第一類(lèi)相變時(shí),會(huì)有釋放或吸收熱量現(xiàn)象出現(xiàn),溫度對(duì)時(shí)間的關(guān)系表現(xiàn)為有溫度平臺(tái)(即曲線(xiàn)平直部分)出現(xiàn),即為相變點(diǎn)。具體測(cè)定過(guò)程為采用控溫電爐、數(shù)字溫度儀等儀器,在外加磁場(chǎng)作用下,記錄溫度時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn),分析溫度平臺(tái)即可確定Sn-9Zn釬料合金熔化溫度。

1.6 釬料腐蝕性能測(cè)試

選擇ZF-1型金屬腐蝕檢測(cè)儀作為釬料腐蝕性能檢測(cè)設(shè)備,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液作為腐蝕溶液,試驗(yàn)溫度為室溫(25℃),甘汞電極作為參比電極,測(cè)試過(guò)程為先使ZF-1型金屬腐蝕檢測(cè)儀處于開(kāi)啟狀態(tài),約10 min后腐蝕電位基本穩(wěn)定時(shí)測(cè)定試件的腐蝕電位,然后調(diào)節(jié)設(shè)備,分別測(cè)量外加5、10、15、20、25、30 m V電壓下的腐蝕電流。

2 結(jié)果與討論

2.1 外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料顯微組織影響

圖1為Sn-9Zn釬料合金微觀(guān)組織的Leica金相圖片,由圖1可以看出,Sn-9Zn釬料組織是由呈一定方向的粗大的長(zhǎng)針狀組織、短針狀組織、細(xì)小的條棒狀組織和埽把狀組織等組成,根據(jù)Sn-Zn二元合金相圖[8]、X射線(xiàn)衍射物圖譜(如圖2所示)及相關(guān)文獻(xiàn)[9]可以確定,粗大的針狀相、短針狀相以及細(xì)小的條狀相均為富Zn相組織,基體相為富Sn相組織,其中部分粗大的富Zn相針狀組織尺寸可達(dá)10～20μm,這對(duì)Sn-9Zn釬料合金的力學(xué)性能是十分不利的。

Fig.1 Metallographic of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0 T圖1 在B=0 T作用下Sn-9Zn釬料組織金相圖片

Fig.2 XRD of Sn-9Zn solder圖2 Sn-9Zn釬料組織XRD圖譜

圖3、圖4及圖5分別為施加外加磁場(chǎng)后Sn-9Zn釬料微觀(guān)組織的Leica金相圖片、掃描電鏡圖片及相應(yīng)的能譜分析。可以看出,顯微組織中已經(jīng)沒(méi)有粗大的長(zhǎng)針狀組織,Zn相以短針狀形狀存在,均勻彌散的分布基體上。根據(jù)磁場(chǎng)作用前后的X射線(xiàn)衍分析可知,磁場(chǎng)作用并未改變Sn-9Zn釬料物相組成,即只存在Sn、Zn兩相,但Sn、Zn兩相特征峰的峰值強(qiáng)度有所改變,Sn相特征峰的峰值強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng),而Zn相特征峰的峰值強(qiáng)度卻有所減弱?？梢?jiàn),經(jīng)0.5 T的外加磁場(chǎng)作用后,Sn-9Zn在(200)、(101)、(211)晶面的特征峰明顯增大,表明Sn晶粒在上述面晶粒數(shù)目顯著增多,即Sn-9Zn釬料合金在結(jié)晶形核過(guò)程中,外加磁場(chǎng)可促進(jìn)Sn原子在(200)、(101)、(211)面迅速結(jié)晶形核,將Zn原子推向液態(tài)金屬中,使Zn原子局部富集,當(dāng)濃度達(dá)到共晶成分時(shí),Sn、Zn原子形成共晶組織,進(jìn)而促使Sn-9Zn釬料合金組織得到明顯細(xì)化。

Fig.3 Metallographic of Sn-9Zn solder under megnatic of filed B=0.5 T圖3 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn釬料組織金相圖片

Fig.4 SEM of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0.5 T圖4 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn釬料組織掃描圖片

Fig.5 Energy spectrum of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0.5 T圖5 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn釬料組織能譜分析

2.2 外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料熔化溫度影響

圖6為經(jīng)0.5 T的外加磁場(chǎng)作用后,Sn-9Zn釬料合金熔化溫度變化的測(cè)試結(jié)果。結(jié)合Sn-Zn二元合金相圖[8],可以確定,外加磁場(chǎng)作用可使Sn -9Zn釬料合金熔化溫度下降近2℃,但與傳統(tǒng)錫鉛釬料的熔點(diǎn)相比,還是偏大(錫鉛共晶釬料的熔點(diǎn)為183℃[8]),而新開(kāi)發(fā)的無(wú)鉛釬料的熔點(diǎn)應(yīng)盡量接近傳統(tǒng)錫鉛釬料,這是由于,一方面,在SM T生產(chǎn)制成中,很多電子元器件對(duì)溫度特別敏感,若釬焊溫度較高,會(huì)造成電子元器件的熱損傷;同時(shí)熔化溫度下降,會(huì)有利于與現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備相適應(yīng),促進(jìn)無(wú)鉛釬料的推廣應(yīng)用,所以外加磁場(chǎng)作用有利于Sn-9Zn釬料在電子工業(yè)中的推廣應(yīng)用。外加磁場(chǎng)可以將較高強(qiáng)度的能量無(wú)接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度,增大組織結(jié)構(gòu)中的空位數(shù)量及能量起伏,并且可提高原子的振動(dòng)頻率,加快原子的運(yùn)動(dòng)[10],從而致使原子由液相向固相遷移所需克服的勢(shì)壘比沒(méi)有磁場(chǎng)作用時(shí)增加,因而使Sn-9Zn釬料合金熔化溫度有所下降。

Fig.6 Effect of megnatic f ield on melting tem peratrure Sn-9Zn solder圖6 磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料熔化溫度影響

2.3 外加磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料合金腐蝕性能影響

圖7為經(jīng)外加磁場(chǎng)作用前后,Sn-9Zn釬料合金腐蝕性能變化的測(cè)試結(jié)果,可以看出,隨著外加電壓增大,兩種釬料合金腐蝕電流均隨之增加,其中未經(jīng)磁場(chǎng)作用的Sn-9Zn釬料腐蝕電流增速趨緩,而經(jīng)外加磁場(chǎng)作用后的Sn9Zn釬料腐蝕電流的增速仍很大,但總體上仍小于Sn-9Zn釬料腐蝕電流,而腐蝕電流越大,表明金屬離子溶入溶液的速度越快,即腐蝕速率越快,其耐蝕性也就越差,因此可以確定,外加磁場(chǎng)作用可使Sn-9Zn釬料合金的耐蝕性能得到較大提高。基于磁場(chǎng)對(duì)釬料合金顯微組織影響分析可以得到,外加磁場(chǎng)作用可阻止Sn-9Zn釬料合金中粗大的呈針狀的富Zn相形成,進(jìn)而抑制Sn-9Zn釬料合金Zn的選擇性腐蝕而造成脫鋅現(xiàn)象的發(fā)生。這是因?yàn)?元素Zn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較高,電極電勢(shì)是衡量金屬溶解變成金屬離子轉(zhuǎn)入溶液的趨勢(shì)的標(biāo)量,電極電勢(shì)值越負(fù),金屬越活潑,溶入溶液的離子傾向越大,越容易發(fā)生腐蝕,所以外加磁場(chǎng)作用促進(jìn)Sn-9Zn釬料合金的耐蝕性能的提高。

Fig.7 Effect of megnatic field on corrosion of resistance of Sn-9Zn solder圖7 磁場(chǎng)對(duì)Sn-9Zn釬料腐蝕性能影響

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)外加磁場(chǎng)可促進(jìn)Sn-9Zn釬料合金在(200)、(101)、(211)晶面迅速結(jié)晶形核,從而促使釬料組織顯著細(xì)化;

(2)外加磁場(chǎng)作用使Sn-9Zn釬料合金熔化溫度下降近2℃;

(3)外加磁場(chǎng)作用可降低Sn-9Zn釬料合金腐蝕電流,提高釬料合金腐蝕性能。

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(Ed.:W YX,Z)

The Effects of M agnetic Field on M icrostructure, Molten Temperature and Co rrosion of Sn-9Zn Solder

WU M in
(School of M echanical Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China) Receivered 21 December 2009;revised 10 M arch 2010;acccepted 24 A pril 2010

Effectsonmicrostructure,molten temperature and corrosion of Sn-9Zn solder alloy was researched undermagnetic field of 0.5 T by means of XRD,SEM and metal corrosion detecter etc.The results show that magnetic field can refine microstructureof Sn-9Zn solder alloy,molten temperature decrease by 2℃and corrosion imp rove aswell.It can be concluded that themagnetic field can p romote Sn-9Zn solder to crystalize at special p lane and restrict formation of rich-Zn phase,w hich refine microstructure of Sn-9Zn solder and imp rove its p roperty.

Magnetic field;Sn-9Zn solder;M icrostructure;Molten temperature;Corrosion;Intensity peak

.Te1.:+86-413-6865150;fax:+86-413-6860766;e-mail:w umin_1@sina.com

TG42

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.022

1006-396X(2010)02-0080-04

2009-12-21

吳敏(1971-),男,遼寧興城市,講師,碩士。

遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008382, 20060505)。