BAg30CuxZny釬料成分對釬焊電觸頭溫升值的影響

郭艷紅 龍偉民 鐘素娟 張冠星 程亞芳

(鄭州機械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001)

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BAg30CuxZny釬料成分對釬焊電觸頭溫升值的影響

郭艷紅 龍偉民 鐘素娟 張冠星 程亞芳

(鄭州機械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001)

為了全面了解同組元BAg30CuxZny釬料綜合使用性能(如溶化溫度、潤濕鋪展性能、力學(xué)性能及電學(xué)性能)的變化規(guī)律，針對BAg30CuxZny釬料釬焊銅、銀材料接頭的電學(xué)性能的變化規(guī)律進行試驗測試。而為了更能代表釬焊接頭的電學(xué)性能變化情況，選擇電器行業(yè)中評估焊接接頭電學(xué)性能的溫升值為對比對象。因已有研究表明接頭釬著率直接影響其溫升值大小(釬著率越低溫升值越高)，所以在試驗中需屏蔽掉釬著率影響因素，測試對象的釬焊接頭應(yīng)具有相近的釬著率(±0.5%)。并通過微觀組織的對比分析，推論出影響溫升值的內(nèi)在因素。

釬料成分 釬焊接頭 溫升值

0 序 言

溫升值在電器行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的電學(xué)性能表征，也是電器最基本的試驗項目之一[1]。因此，了解釬焊接頭的電學(xué)性能，溫升試驗是最佳選擇對象。該試驗是指經(jīng)過一定時間的通電狀態(tài)穩(wěn)定之后，用熱電偶等測溫儀器測定電器元器件如斷路器、繼電器、接觸器等零部件(包括觸頭、接線端子、外殼等)在常規(guī)的工作環(huán)境下的溫度，然后計算出高于周圍環(huán)境溫度的差值。因不同的國家和地區(qū)使用環(huán)境的不同，對低壓電器產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件如觸頭等的溫升極限值都規(guī)定了一個額定值，即在確定的周圍環(huán)境溫度下不允許超過對應(yīng)的額定值[2]。

釬著率即是釬焊接頭的焊合面積與整個焊接面積的比值(%)，它不僅受釬焊材料、釬焊工藝的影響，更和操作者的技術(shù)及偶然因素分不開，釬著率高的電觸頭由于其接觸面積大，接觸電阻小，產(chǎn)生的熱量也就小些，相應(yīng)獲得較好的電學(xué)性能即溫升值較低[3]。所以需要焊接大批量接頭，通過超聲波無損檢測儀器挑選出釬著率相近(±0.5%)的釬焊接頭，排除釬著率影響因素，然后用各組選出的釬焊接頭作對比試驗。

1 試驗用釬焊接頭

試驗試樣為感應(yīng)釬焊的NC2-265型號的電觸頭，電觸頭基體材料為紫銅，觸點材料為Ag-CdO合金材料，BAg30CuxZny釬料，QJ-2釬劑；釬焊溫度：TL+(30～50)℃。試驗所釬焊的電觸頭如圖1所示。

使用JTUIS自動超聲成像無損檢測系統(tǒng)[4]對溫升試樣釬焊接頭(NC2-265電觸頭)進行挑選，釬著率為86.5%±0.5%。接頭釬著率掃描圖像如圖2所示。

圖1 釬焊后的NC2-265電觸頭試樣

圖2 BAg30Cu40Zn,釬著率86.9%

2 釬焊接頭溫升試驗

2.1 檢測條件及設(shè)備

從各組挑選出釬著率(86%～87%)相近的6個電觸頭，并將這些電觸頭裝配成成品準備進行溫升試驗。

2.1.1 檢測條件

安裝方式為垂直； 電路連接方式為并聯(lián)；導(dǎo)線截面積為185 mm2； 電流為315 A；環(huán)境溫度：20～25 ℃。

2.1.2 試驗設(shè)備

設(shè)備為大電流試驗臺；互感變比為1 000/5；溫度計為0～100 ℃；數(shù)字溫度顯示儀為0～120 ℃。

2.2 試驗過程

將各組電觸頭組裝成最終產(chǎn)品，按照相關(guān)的溫升試驗要求，安裝于大電流試驗臺上，加載電壓為380 V，加載電流為315 A，在通電時間大于4 h之后(此時產(chǎn)品溫升數(shù)值穩(wěn)定)，測定接線端或者觸頭銀點表面的溫度，記錄每個觸頭的最終試驗溫度，并計算出其高于環(huán)境溫度的溫度數(shù)值即為溫升值。試驗采用接觸式測溫方式，應(yīng)用的溫度傳感器為銅-康銅熱電偶(在21 ℃時精度為±0.7 ℃)，以數(shù)字溫度顯示儀顯示。

3 試驗結(jié)果

根據(jù)溫升試驗要求測出各組電觸頭的溫升值，試驗結(jié)果見表1。

表1 各組釬焊電觸頭的溫升數(shù)據(jù) ℃

根據(jù)上表得到各組釬焊觸頭平均溫升值變化趨勢如圖3所示。

圖3 各組釬焊電觸頭的平均溫升值

按照理論規(guī)定，溫升數(shù)值越小，表示電觸頭的使用效果越好，壽命越長，使用越安全。一般情況下，溫升數(shù)值<70 ℃為比較理想的狀態(tài)。

從試驗結(jié)果看出，隨著BAg30CuxZny釬料Zn含量的增加，即Cu含量的降低，電觸頭溫升值逐漸增加，且第6組溫升值上升幅度較大(ΔT=4.1 ℃)，高于前幾組上升趨勢。

4 釬縫微觀組織分析

4.1 釬料與母材的相互作用

為了更好的分析釬縫微觀組織，首先要對釬料與母材的相互作用情況作一定的了解。接下來文中對釬縫的界面區(qū)及釬料與母材的相互作用情況進行簡單的分析。

圖4為釬縫組織示意圖[5]，釬焊接頭一般由三個區(qū)域組成，分別為母材中靠近界面的擴散區(qū)、釬縫的界面區(qū)和釬縫的中心區(qū)。擴散區(qū)組織由釬料組分向母材的擴散形成，釬縫中心區(qū)組織不同于釬料的原始組織，因為會發(fā)生釬料組分的擴散、母材的溶解以及結(jié)晶的偏析。界面區(qū)組織經(jīng)過了母材的溶解，其形貌比較復(fù)雜，經(jīng)冷卻后可能生成固溶體或是金屬間化合物[6]。

圖4 釬縫組織示意圖

在電觸頭釬縫的整個區(qū)域中，釬焊界面區(qū)及釬料向母材側(cè)的擴散情況對釬焊接頭的性能影響很大，當(dāng)元素擴散不良時將嚴重影響釬焊接頭的力學(xué)性能和電學(xué)性能[7]，下面將對釬縫的界面區(qū)及元素擴散情況進行分析，圖5為釬縫Bag30CuZn的結(jié)合界面。

圖5 釬縫Bag30CuZn結(jié)合界面

通過各個釬料釬縫的SEM掃描圖可以看出，所用釬縫釬料與純銀母材的結(jié)合情況比較好。釬縫靠近純銀層一側(cè)的晶粒沿著母材晶粒的表面向釬縫中心區(qū)生長，生長方式為聯(lián)生結(jié)晶(該結(jié)晶方式一般也被稱為交互結(jié)晶)。能發(fā)生聯(lián)生結(jié)晶一方面說明釬縫在該側(cè)的結(jié)合情況較好，另一方面也說明在釬焊過程中銀表面的氧化物去除得比較好，因為只有在去除釬料尤其是母材表面氧化膜的情況下，熔融態(tài)的釬料組組元才能順著母材的晶粒表面向釬縫中心生長[8]。與銀的結(jié)合界面能發(fā)生聯(lián)生結(jié)晶說明該界面具有較好的電學(xué)性能。

接下來觀察釬縫與紫銅側(cè)的連接情況，由于銅的氧化物在高溫下的氧化皮含有兩層，分別為內(nèi)層的Cu2O和外層的CuO，該類氧化物較為穩(wěn)定，只有在1 000 ℃以上才能分解為氧氣和銅[9]。因此其膜層的去除相對銀的氧化物要難些，從顯微組織中沒有看到有聯(lián)生結(jié)晶的發(fā)生。

通過對經(jīng)過腐蝕試樣的釬縫組織觀察，發(fā)現(xiàn)所有的釬縫與紫銅側(cè)連接界面有一道明顯的腐蝕溝槽，對其釬縫元素變化進行微區(qū)掃描，圖6為BAg30CuZn釬縫的成分掃描區(qū)域，表2為這些區(qū)域的成分數(shù)據(jù)結(jié)果。

可以看到，過渡E區(qū)中Zn元素的含量達到了將近21%，而釬縫中心區(qū)和擴散區(qū)中Zn元素的含量則只有10%左右，這就說明了含Zn元素的釬料其釬縫與銅基體結(jié)合一側(cè)出現(xiàn)了富Zn層。

圖6 BAg30CuZn釬縫的SEM成分掃描區(qū)域

元素C區(qū)成分D區(qū)成分E區(qū)成分CuK8.5810.2172.71AgL77.8880.476.49ZnK13.549.3220.80

分析后認為，由于釬料組元中Zn的熔點是最低的(與Ag，Cu相比)，它會在最后進行結(jié)晶，釬料中的銀組元順著銀母材的晶粒聯(lián)生結(jié)晶的時候會把Zn排出推向遠離該母材的銅側(cè)。其次是擴散的原因，在釬縫與銀觸點側(cè)，Zn元素能向純銀層擴散，但是焊接時間比較短，僅為20多秒，在有限的時間內(nèi)，Zn元素的擴散及Ag的溶解能力有限，而在釬縫與紫銅一側(cè)，由于Zn與Cu元素晶格類型相似，擴散方式為空位擴散，激活能較高，不易向銅基體中擴散，導(dǎo)致了Zn在釬料與紫銅連接界面的富集[10]。

富Zn層存在對電觸頭的性能產(chǎn)生不良的影響。首先，Zn元素在界面的富集導(dǎo)致接頭力學(xué)性能變差；其次，Zn的導(dǎo)電性較Ag與Cu為低，其在界面的富集導(dǎo)致接頭電阻增大，降低觸頭的電學(xué)性能。

4.2 顯微組織分析

為了確定其焊縫組織的具體成分和具體組織，試驗分別采用SEM和XRD對其進行分析，區(qū)域成分掃描區(qū)域如圖6所示，掃描結(jié)果見表2；釬縫組織的X射線衍射分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 BAg30Cu40Zn釬縫XRD衍射圖

由SEM和XRD試驗分析可以知道BAg30CuxZny釬縫室溫組織含有Ag(Cu)，Cu(Ag)和Cu-Zn相。

文中通過同樣的方法對其余各組釬料釬焊電觸頭的焊縫組織進行了分析，結(jié)果表明BAg30Cu50Zn，BAg30Cu45Zn，BAg30Cu40Zn，BAg30Cu37Zn，BAg30Cu35Zn和BAg30Cu30Zn焊縫由銀基固溶體、銅基固溶體、Cu-Zn相和(Ag，Cu)Zn三元共晶體組成[11]，隨著含Zn量的增加，Cu-Zn化合物逐漸分布其中且含量慢慢變多，而銅基固溶體逐漸減少。

經(jīng)以上分析可知,Zn元素在紫銅界面的富集使其在Zn與銅基體形成大量的Cu-Zn化合物，這些Cu-Zn化合物隨Zn含量的繼續(xù)增加由CuZn化合物轉(zhuǎn)變成Cu5Zn8化合物。又因Cu5Zn8化合物為脆性相，釬焊接頭的力學(xué)性能逐漸降低，而Zn含量的增加也使得釬焊接頭的電學(xué)性能也大幅度的降低。而第6組釬焊觸頭的溫升值急劇增加極有可能是釬縫中生成有Cu5Zn8脆性相。

5 結(jié) 論

(1)試驗成分范圍內(nèi)，BAg30CuxZny釬料隨著Zn含量的增加，BAg30CuxZny釬料所釬焊電觸頭的溫升值處于上升趨勢。

(2)BAg30Cu30Zn40釬料釬焊接頭與BAg30Cu50Zn，BAg30Cu45Zn，BAg30Cu40Zn，BAg30Cu37Zn，BAg30Cu35Zn釬料釬焊電觸頭相比，溫升值上升幅度較大。

(3)隨著焊縫組織中Cu-Zn化合物的增加，即(Cu)固溶體的減少，電學(xué)性能下降，致使釬焊電觸頭的溫升值升高，且Cu-Zn化合物相的導(dǎo)電性低于(Cu)固溶體相。

(4)文中推斷，Cu5Zn8脆性相的導(dǎo)電性低于CuZn相。

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2016-11-15

國家國際科技合作計劃項目(2015DFA50470)

TG425+.2

郭艷紅， 1987年出生，碩士，工程師。主要從事釬焊材料性能及釬焊工藝的研究工作。