自然時效時間對ZnAl15釬料顯微組織與力學性能的影響

黃俊蘭，鐘素娟，趙 丹，張 強，鮑 麗，溫慧娟

(鄭州機械研究所新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州 450001）

0 引言

Zn-Al釬料是一種能夠很好實現(xiàn)鋁銅連接的軟釬料［1］，具有極好的鋪展性和拉伸強度，且火焰釬焊后得到的銅鋁接頭強度高、抗腐蝕性也較好，近年來在國內外得到了廣泛的應用;但是Zn-Al釬料在使用過程中的主要缺點是“脆斷”現(xiàn)象［2-3］，即在自然存儲、存放和運輸過程中的抗拉強度和塑性會逐漸降低，變脆變硬，甚至會產生脆性斷裂。釬料發(fā)生脆性斷裂傾向時力學性能大大下降［4］，同時釬料的潤濕性也變差甚至不能正常釬焊，勉強使用時獲得的釬縫發(fā)黑、強度很低［5-7］。這對Zn-Al釬料的廣泛應用帶來了很大的障礙，對生產和使用鋅鋁釬料的企業(yè)帶來很嚴重的經(jīng)濟損失。鄭州機械研究所的龍偉民等［8］對鋅鋁釬料脆斷失效現(xiàn)象所作的研究證實，Zn-Al釬料產生脆性斷裂的機理主要有3個因素:Zn的晶格結構、Zn-Al合金的晶間腐蝕和應力腐蝕。龍偉民等［9］在研究過程中發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)的Zn-Al合金并不像Zn-Al釬料這么容易發(fā)生“脆斷”，由此推斷腐蝕是引發(fā)Zn-Al釬料脆性斷裂的一個因素。

為進一步研究Zn-Al釬料在時效過程中發(fā)生脆性斷裂的根本原因，本研究對ZnAl15釬料的力學性能與組織隨時效時間的變化作了一系列的分析。

1 試驗材料及方法

試驗采用室溫環(huán)境下自然時效1、3、5、7個月的ZnAl15釬料。

利用AIS2100型掃描電鏡(配EDS)和TD-3000X型X射線衍射分析儀對釬料進行組織觀察及形貌分析，利用WJ-10型萬能拉伸試驗機和HV-1000型顯微硬度計對釬料進行力學性能測試。

2 結果與討論

2.1 時效時間對釬料組織的影響

ZnAl15釬料的掃描電鏡照片如圖1所示，能譜分析結果見表1。點1的Al含量為37.47%，點2的Al含量為16.1%。對照Zn-Al二元相圖可知，點1處黑色區(qū)域為Al含量較高的α相;點2處成分與共析點成分相近，此處灰色區(qū)域可能包括共析組織與共晶組織等。

圖1 ZnAl15釬料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM micrograph of ZnAl15 solder

圖2是ZnAl15釬料的XRD譜圖，從圖中可以看出，ZnAl15釬料的相主要由α-Al和β-Zn組成。從X射線衍射分析結果來看，雖然釬料的組織是由共析組織、共晶組織等組成，但是其中包含相的只有α-Al、β-Zn2種，只是這2種相中的Al、Zn含量變化較大。

表1 ZnAl15釬料能譜分析結果(質量分數(shù) /%)Table 1 EDS analyzing results of ZnAl15 solder(mass fraction/%)

圖2 ZnAl15釬料的XRD譜圖Fig.2 XRD diagram of ZnAl15 solder

圖3是經(jīng)自然時效1、3、5、7個月的 ZnAl15釬料SEM照片，圖中黑色區(qū)域是Al含量較高的α相，灰色區(qū)域為Zn含量較高的β相和α相形成的共析組織。從圖可以看出，隨著時效時間的延長，富Al的α相黑色部分的體積分數(shù)有所增加，而Zn含量較高的β相和α相組成的共析組織的灰色部分體積分數(shù)則隨時效時間的延長有所減少。

利用圖片處理軟件Photoshop可以計算組織圖中2種不同顏色區(qū)域所占的比例，如圖4所示。不同時效時間的ZnAl15釬料組織形貌圖中黑色相所占比例變化趨勢如圖5所示。從圖5可以很直觀地看到，隨著時效時間的延長，黑色α相所占組織中的比例在不斷升高。失效7個月的組織中黑色α相面積所占比例比失效1個月的組織增加了18%左右，這是因為隨著時效時間的延長，共析組織中的β相和α相發(fā)生了分離，分離出來的α相與原來的α相結合在一起，所以體積百分比增多，而剩余的是沒有發(fā)生分離的共析組織以及分離出來的β相。

為進一步研究時效過程中ZnAl15釬料組織中α相和β相的變化，對不同時效時間(對應圖3b～圖3d的3個取樣點)的ZnAl15釬料進行了能譜分析，結果見表2。

圖3 ZnAl15釬料不同時效時間的組織形貌Fig.3 Microstructure of ZnAl15 solder as aging time changing

圖4 利用Photoshop計算黑色α相的體積分數(shù)示意圖Fig.4 Schematic graph of α-phase volume percentage according to Photoshop

圖5 黑色α相體積分數(shù)隨時效時間的變化Fig.5 Variation of α-phase volume percentage as aging time changing

對比表1、表2，可見時效后釬料的黑色α相中Al的質量分數(shù)增加，Zn的質量分數(shù)減少，這說明在時效過程中釬料過飽和α相中Zn進行著緩慢的脫溶過程。從表2的結果可以看出，灰色的共析組織中Al含量有著較大的波動，圖3c點3處Al的質量分數(shù)只有1.92%，而圖3b中共析組織的Al質量分數(shù)為14.42%，Al在共析組織中出現(xiàn)明顯差別的原因是共析組織中的α和β相是過飽和相，在時效過程中這些過飽和相會發(fā)生分解，得到Al含量和Zn含量更高的α和β相。

表2 不同時效時間ZaAl15的能譜分析結果(質量分數(shù) /%)Table 2 EDS results of ZnAl15 solder(mass fraction/%)

把能譜分析結果與圖3組織形貌的變化結合分析可知，在非平衡凝固過程中凝固結晶的Zn-Al合金中的α和β相都是過飽和相，在自然時效過程中，這些過飽和的相會發(fā)生分解脫溶，這樣在原來的共析組織中出現(xiàn)Al含量更高的α相，這些新的α相將會與原來的α相結合，在SEM照片上直觀的表現(xiàn)為共析組織的量隨著時效時間的延長慢慢減少，而Al含量較高的黑色α相的面積則隨時效時間的延長慢慢增加。在成分上，隨著時效時間的延長，黑色α相中Al的質量分數(shù)呈現(xiàn)出一定上升趨勢。而原來的共析組織位置則出現(xiàn)Al含量極少的β相。組織成分的變化必然會在性能上有所體現(xiàn)，由文獻［2］可知，當Zn-Al合金出現(xiàn)脫溶等成分變化時，其體積會發(fā)生改變，從而導致其性能的變化。

由Zn-Al二元相圖可知，Zn-Al合金在液態(tài)無限互溶，但是并不會形成金屬間化合物，從XRD分析結果可知，在Zn-Al合金的凝固過程結束后得到的只有Al固溶在Zn中形成的以Zn為基的固溶體β相和Zn固溶與Al中形成的以Al為基的固溶體α相。但是因為在金屬的凝固過程中形成的α相和β相是經(jīng)過不同的途徑形成的，因此在室溫時的α、β相中Zn、Al含量有較大的波動。因此能譜分析的結果也只是作為判斷釬料組織和相變化的一個參考。從ZnAl15釬料組織形貌隨時效時間的變化中還可以看出釬料晶界越來越模糊，由能譜分析結果顯示，隨著時效時間的延長，釬料組織中出現(xiàn)了越來越多的O元素，這說明釬料在長時間時效中容易被氧化，產生的氧化物(AL2O3、ZnO等)會弱化釬料晶界，這些都會造成釬料在時效過程中力學性能發(fā)生變化。

2.2 時效時間對釬料力學性能的影響

圖6～圖8分別是釬料ZnAl15不同時效時間的抗拉強度、斷后伸長率和顯微硬度的測試結果。

圖6 不同時效時間的ZnAl15釬料抗拉強度Fig.6 Tensile strength of ZnAl15 solder at different aging time

圖7 不同時效時間的釬料ZnAl15斷后伸長率Fig.7 Elongation after fracture of ZnAl15 solder at different aging time

圖8 不同時效時間的釬料ZnAl15顯微硬度Fig.8 Micro-hardness of ZnAl15 solder at different aging time

從圖6可以看出，釬料ZnAl15時效時間小于5個月時，其抗拉強度雖有所下降，但是其下降幅度很小，時效5個月的釬料ZnAl15其抗拉強度仍有未經(jīng)時效的95%左右，但當時效7個月時，釬料ZnAl15的抗拉強度明顯下降，約為原來的67%。釬料ZnAl15的抗拉強度隨時效時間的變化與圖3中釬料的組織形貌隨時效時間的變化相一致，時效時間小于5個月時組織變化不明顯，7個月時灰色相的量才明顯減少，組織中晶界變的模糊、弱化。圖7所示的釬料的斷后伸長率隨時效時間的變化也符合這一變化規(guī)律，時效7個月的伸長率只有未經(jīng)時效的35%。圖8中，釬料的顯微硬度值隨時效時間的延長而增加，時效5個月的釬料顯微硬度增加幅度較小，時效7個月的顯微硬度值增加了15%。從釬料的力學性能變化結果可以看出，釬料在自然時效過程中組織形貌、成分的變化，導致其體積也會發(fā)生改變，加之釬料晶界在長時間時效過程中易被弱化，導致釬料出現(xiàn)抗拉強度和延伸率急劇下降、顯微硬度明顯升高的現(xiàn)象，也即釬料“脆斷”現(xiàn)象。

3 結論

1)ZnAl15釬料的相主要由黑色的α-Al相和灰色的β-Zn相組成。

2)隨時效時間的延長，釬料組織中富Al的α相體積分數(shù)有所增加，而Zn含量較高的β相和α相組成的共析組織的體積分數(shù)減少，這是因為釬料中α和β均為過飽和相，在自然時效過程中發(fā)生了分解脫溶;時效7個月的釬料組織晶界變的模糊，晶界明顯弱化。

3)ZnAl15釬料“脆斷”的根本原因是，釬料在自然時效過程中出現(xiàn)脫溶等成分變化，導致其組織形貌和相組成均發(fā)生了變化，從而導致釬料的抗拉強度和延伸率下降，顯微硬度升高。

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