添加Bi對(duì)Cu-Sn合金電化學(xué)腐蝕性能的影響

李燦燦，谷傳峰，劉 艷，白 鴿，馬迎迎，曹 培，王恩華，馬學(xué)美

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，山東 濟(jì)南 250353)

傳統(tǒng) Sn-Pb 合金應(yīng)用在電子封裝領(lǐng)域已有幾千年的歷史，但由于含Pb化合物對(duì)人類健康和生活環(huán)境的帶來(lái)危害，世界各國(guó)都已經(jīng)開(kāi)始限制含Pb制品的生產(chǎn)。目前的無(wú)鉛焊料主要采用 Sn-Bi、Sn-Ag、Sn-Zn、Sn-Cu以及 Sn-Ag-Cu 等系列合金[1]。Sn-Cu合金由于其成本較低，具有較低的熔化溫度，對(duì)銅基體的潤(rùn)濕性能好，導(dǎo)電性、延展性良好被廣泛應(yīng)用于焊接領(lǐng)域[2-3]。而焊點(diǎn)經(jīng)常受到大氣及海洋環(huán)境的腐蝕，而添加元素會(huì)在一定程度上影響合金的性能。本文通過(guò)添加一定量的Bi研究成分改變對(duì)合金組織及其電化學(xué)腐蝕性能的影響，初步探討了 Cu-Sn-Bi 合金在3.5% NaCl溶液中的腐蝕狀況和腐蝕機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用原材料為99.9%以上的純銅(Cu)以及99.99%以上的高純鉍(Bi)、錫(Sn)。將試驗(yàn)材料放入坩堝性氣體保護(hù)下熔煉澆注成預(yù)制合金試樣。由熔體合金過(guò)熱到800℃澆到銅模中制得待測(cè)樣品。采用模塊化電化學(xué)工作站，用3.5% NaCl溶液作為腐蝕液，掃描速度為10mV/s，將合金試樣打磨拋光成表面光滑的薄片，連接各電極進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制圖譜得到極化曲線。利用 SEM 觀察組織形貌，通過(guò)XRD分析相的成分，對(duì)腐蝕前后的組織和相進(jìn)行分析討論。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu-Sn合金腐蝕前后的XRD圖譜

圖1為Cu20Sn80和Cu5Sn80Bi15合金的凝固組織在3.5% NaCl溶液中經(jīng)電化學(xué)腐蝕前后的XRD圖譜。由圖1可知，Cu20Sn80腐蝕前主要以Cu6Sn5金屬間化合物相和Sn基體相存在，而在3.5% NaCl溶液中腐蝕后有Sn3O(OH)2Cl2析出。Bi原子在Sn基體中固溶度有限，多余的Bi在Sn基體中以富Bi相存在，經(jīng)腐蝕后形成Bi2O3腐蝕產(chǎn)物[4]。

圖1 Cu20Sn80及Cu5Sn80Bi15合金腐蝕前后的XRD圖譜

2.2 添加Bi對(duì)Cu-Sn合金的耐蝕性的影響

圖2為添加不同含量Bi的合金試樣經(jīng)電化學(xué)腐蝕后得到的動(dòng)電位極化曲線。表1是極化曲線對(duì)應(yīng)各試樣的電化學(xué)參數(shù)?？梢钥闯?，各曲線變化基本一致，試樣在陽(yáng)極極化曲線后有一段寬且穩(wěn)定的陽(yáng)極腐蝕區(qū)，在此區(qū)域陽(yáng)極腐蝕電流區(qū)域較為平穩(wěn)。在點(diǎn)蝕電位Epit處，電流密度急劇增大，陽(yáng)極點(diǎn)蝕速率加快。腐蝕電位Ecorr，電位值越負(fù)越易發(fā)生陽(yáng)極極化。由圖2及表1得出，與Cu20Sn80合金相比，添加Bi可以增大自腐蝕電位及點(diǎn)蝕電位，即提高了試樣的耐腐蝕性。由1-5號(hào)試樣的電化學(xué)腐蝕數(shù)據(jù)得出，它們的自腐蝕電位及點(diǎn)蝕電位相差不大，3號(hào)合金Cu15Sn80Bi5具有最正的自腐蝕電位，但腐蝕電流密度最大，說(shuō)明其腐蝕速度最大。

圖2 添加Bi對(duì)Cu-Sn合金電化學(xué)腐蝕性能的影響

2號(hào)合金即Cu17Sn80Bi3合金具有較大的自腐蝕電位，最小的腐蝕電流密度，說(shuō)明Cu17Sn80Bi3合金耐蝕性在這幾種成分中最好。由圖3看出，在腐蝕的過(guò)程中，5個(gè)試樣都經(jīng)歷了活化-鈍化-點(diǎn)蝕過(guò)程。由此可以得出，添加適量的Bi可以提高合金的耐腐蝕性。究其原因，隨 Bi 量的增加，組織形貌發(fā)生明顯變化，富 Cu相顆粒尺寸減小，富 Bi 相析出逐漸增多，Bi 主要固溶在基體β-Sn中，而B(niǎo)i 在Sn 中的固溶度很小(室溫下質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 1%)，富Bi相從Sn基體中析出，使Cu6Sn5金屬間化合物的生長(zhǎng)受阻，從而細(xì)化了β-Sn基體組織[5]，增強(qiáng)了其耐腐蝕性。當(dāng)Bi含量添加到一定量時(shí)，其腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位變化較小，說(shuō)明添加合金元素對(duì)Cu-Sn耐蝕性的影響有限。

表1 添加Bi在相同條件下凝固得到的Cu-Sn合金的電化學(xué)參數(shù)

(a：Cu20Sn80合金；b：Cu5Sn80Bi15合金)

表2 腐蝕后試樣各點(diǎn)的EDS分析 (100 at.%)

圖3為腐蝕后試樣的掃描電鏡圖像，腐蝕后的表面散落著一些碎裂的鈍化膜，裸露出內(nèi)部腐蝕后的組織，并分布有一些不規(guī)則蝕孔。圖3(a)為Cu-Sn合金試樣的腐蝕形貌，腐蝕表面組織疏松，表面散落尺寸較大的腐蝕產(chǎn)物。對(duì)腐蝕表面特征區(qū)域進(jìn)行EDS分析(見(jiàn)表2)，各點(diǎn)能譜曲線相似，腐蝕后合金表面同樣檢測(cè)含有Sn、Cl及O等元素的腐蝕產(chǎn)物。圖3(b)為Cu5Sn80Bi15腐蝕后的SEM圖像，其表面腐蝕較為均勻，蝕孔尺寸較小，表面分布著呈樹(shù)枝狀的亮色腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)EDS分析，樣品表面為未腐蝕的富Cu相及Sn、Cl及O元素組成的腐蝕產(chǎn)物，未檢測(cè)到富Bi組織(見(jiàn)表2)。推測(cè)是由于Bi的電負(fù)性相較Cu、Sn比較大，在NaCl溶液中先被腐蝕掉[6]，從而保護(hù)了富銅相組織。Sn3O(OH)2Cl2這種復(fù)雜化合物的形成需經(jīng)過(guò)一定的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程[7-8]：首先陰極發(fā)生反應(yīng)

O2+4e+2H2O 4OH-

(1)

當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度，陰極將發(fā)生反應(yīng)

2H2O+2e 2OH-+H2

(2)

陽(yáng)極反應(yīng)較復(fù)雜，其可能生成Sn3O(OH)2Cl的反應(yīng)為[9]

3Sn+4OH-+2Cl--6e-=Sn3O(OH)2Cl2+H2O

(3)

3 結(jié)語(yǔ)

在Cu-Sn合金中添加適量的Bi，其耐腐蝕性也得到一定程度的提高。Bi的電負(fù)性較大，析出的富Bi相先發(fā)生腐蝕，保護(hù)了富Cu相及富Sn相。β-Sn中固溶了一定量的Bi，使表面組織更加均勻致密，從而在一定程度上提高了Cu-Sn合金的耐腐蝕性能。