6063鋁合金低溫?zé)o鉛釬焊

楊芳，李天立，何鑫，韓紀(jì)超，何錦川

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) ，遼寧 阜新 123000)

0 前言

隨著鋼材、鋁合金等金屬材料的需求量急速加大，合金材料不僅追求結(jié)構(gòu)的輕量化，還需要保證合金的高產(chǎn)量及性能的穩(wěn)定性。鋁合金具有重量輕、比強(qiáng)度高、密度小、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕性能高等性能特點(diǎn)[1-2]，能夠同時(shí)滿足合金材料的結(jié)構(gòu)輕量化和工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的指標(biāo)，而且具有價(jià)格低、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)勢(shì)，因此，在航空造船、汽車(chē)家電、電子封裝等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

目前，在鋁合金釬焊中應(yīng)用較廣泛的是傳統(tǒng)Sn-Pb釬料[3]，廢棄的Pb會(huì)進(jìn)入土壤以及地下水循環(huán)中，長(zhǎng)期使用對(duì)環(huán)境造成不可降解的Pb污染，破壞生態(tài)平衡[4]。因此，各國(guó)也紛紛出臺(tái)法律法規(guī)限制含Pb元器件的電子產(chǎn)品的生產(chǎn)，其中歐洲國(guó)家的WEEE法令和RoHS法令、亞洲地區(qū)日本的《有效提高利用資源法》以及中國(guó)的《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》[5]等，而研發(fā)新型無(wú)鉛釬料取代傳統(tǒng)的Sn-Pb釬料已經(jīng)是人類(lèi)的不二之選。

目前研究較多的無(wú)鉛釬料有Sn-Zn系、Sn-Bi系、Sn-Cu-Ni系等釬料，其中Sn-9Zn合金的熔點(diǎn)與Sn-Pb合金的共晶點(diǎn)最為接近，且二者的化學(xué)、物理性能也最為接近。因此，對(duì)Sn-9Zn基合金釬料的研究較為重視[6-8]。由于Zn化學(xué)性質(zhì)活潑，使得釬料表面生成大量氧化膜，影響釬料的毛細(xì)作用和潤(rùn)濕作用，因此Sn-9Zn釬料具有抗氧化性差、潤(rùn)濕性差等缺點(diǎn)。向Sn-Zn中添加金屬元素使其微合金化可以改善以上的不足。表面活性金屬Ga，在釬料熔化時(shí)表面富集形成致密保護(hù)膜減少Zn的氧化[9-10]。陳文學(xué)等人[11]添加合金元素Ga使釬料合金熔點(diǎn)顯著降低，熔化溫度區(qū)間有所增大，潤(rùn)濕性能得到明顯改善；合金元素Ga的添加量>1 %時(shí)，釬料的潤(rùn)濕性能趨于穩(wěn)定。Bi元素能降低熔融狀態(tài)下釬料合金的表面張力[12]，降低材料的粘度，從而提高合金的潤(rùn)濕性能。吳文云等人[13]通過(guò)添加Bi元素明顯改善Sn-Zn系無(wú)鉛釬料的潤(rùn)濕性，在Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的條件下，隨Bi質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加潤(rùn)濕性提高；當(dāng)Bi含量>3%時(shí)對(duì)潤(rùn)濕性的影響減弱。

文中通過(guò)添加不同比例Bi，Ga元素制成Sn-9Zn-xBi-Ga(x=1，2，3，4;質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)無(wú)鉛釬料，采用激光共聚焦顯微鏡、電子掃描顯微鏡、XRD等測(cè)試技術(shù)對(duì)焊接接頭區(qū)進(jìn)行顯微組織觀察和物相分析，結(jié)合顯微硬度試驗(yàn)以確定使用無(wú)鉛釬料釬焊的接頭性能和釬焊工藝。

1 試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用6063鋁合金為母材，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，6063鋁合金試樣的尺寸為1 mm×10 mm×20 mm。依次用200號(hào)、400號(hào)砂紙打磨母材表面，而后用丙酮、酒精清洗其表面。

表1 6063鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

選用純度為99.99%的Sn，Zn，Bi，Pb和Ga分別配制有鉛釬料和無(wú)鉛釬料作為對(duì)比試驗(yàn)，釬料的名義成分見(jiàn)表2。釬劑選用自制的松香+15%ZnCl2釬劑，為了起到去除ZnO膜的效果。在200 ℃條件下熱處理爐中保溫30 min爐中釬焊。

表2 釬料成分組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2試驗(yàn)方法

使用DZSL-B箱式馬弗爐在450 ℃條件下將母材浸入鋅液10 s后完成熱浸鍍鋅；通過(guò)OLS 4000激光共聚焦顯微鏡測(cè)量釬料在6063鋁合金鍍鋅層表面的潤(rùn)濕角和觀察釬焊接頭的宏觀組織形貌；采用型號(hào)為JEOL JSM07500F的掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀形貌，并通過(guò)掃面電鏡自帶的能譜儀分析元素分布；使用XRD-6100射線衍射儀分析釬焊接頭的物相組成，掃描角度20°～100°，電壓為40 V，電流為30 A；利用HV-1000Z自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)測(cè)定釬焊接頭區(qū)的維氏硬度，試驗(yàn)載荷0.2 kg、保載時(shí)間10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1潤(rùn)濕性能分析

表3為不同釬料在6063鋁合金鍍鋅表面潤(rùn)濕角的測(cè)量值，由表3可以看出，Sn-9Zn-xBi-Ga釬料在6063鋁合金鍍鋅表面的潤(rùn)濕性要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)含鉛釬料。無(wú)鉛釬料中隨著B(niǎo)i含量的增加潤(rùn)濕角逐漸減小，Bi含量為3%時(shí)，釬料的浸潤(rùn)角最小，鋪展率最大，界面結(jié)合較好。當(dāng)Bi含量超過(guò)3%時(shí)，潤(rùn)濕角開(kāi)始升高。隨著B(niǎo)i含量的增加會(huì)形成較多富Bi區(qū)，釬料與鍍Zn層之間的表面張力增加，降低了釬料潤(rùn)濕性。由于Bi在釬料表面富集，隔絕釬料中的Zn與O接觸，降低釬料與鍍Zn層的表面張力，提高釬料在母材上的潤(rùn)濕鋪展性能。Ga元素的添加抑制了釬料在熔化時(shí)其表面氧化層的形成，使得釬料與鍍Zn層之間的表面張力降低，浸潤(rùn)角減小，潤(rùn)濕鋪展性提高；1%的Ga元素使?jié)櫇穹磻?yīng)的活化能明顯降低，釬料和母材間的系統(tǒng)自由能明顯降低，釬料能自發(fā)的在鍍Zn層上潤(rùn)濕鋪展。

表3 不同釬料試樣潤(rùn)濕情況

2.2釬焊接頭組織分析

圖1為6063鋁合金熱浸鍍鋅層激光共聚焦顯微組織形貌特征，可以看出當(dāng)在450 ℃的溫度下浸沾10 s時(shí)鋁合金與鋅界面形貌“犬牙交錯(cuò)”，有很明顯的“互溶”現(xiàn)象，鋅液和6063鋁合金相互擴(kuò)散，屬于冶金結(jié)合，其鍍鋅層效果良好。

圖1 6063熱浸鍍鋅照片

圖2為釬焊接頭激光共聚焦顯微組織圖。從圖中可以看出，鍍鋅層與這幾種釬料之間出現(xiàn)“互溶”現(xiàn)象結(jié)合，釬料能很好潤(rùn)濕鍍鋅層并發(fā)生互擴(kuò)散。釬焊過(guò)程中Bi在釬料表面富集，降低了液體表面上的張力，進(jìn)而改善了釬料的潤(rùn)濕性和鋪展性；由圖2a，2b中可以看出有黑色棒狀相(枝晶)存在，隨著B(niǎo)i含量的增加，黑色棒狀相(枝晶)的數(shù)量逐漸增多，體積逐步增大。

圖2 焊接接頭區(qū)鍍鋅層-釬料形貌

2.3釬焊接頭微觀組織特征

為了進(jìn)一步觀察釬焊焊接接頭焊縫的組織形貌，對(duì)焊縫位置進(jìn)行掃描電鏡SEM分析以及EDS分析。圖3為釬料/鍍鋅層界面微觀組織形貌的掃描電鏡SEM電子圖像。從圖3a，3b中可以看出，在含鉛釬料/鍍鋅層界面中出現(xiàn)明顯得孔洞缺陷，而孔洞出現(xiàn)的原因是由于焊接過(guò)程中釬料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性較差，使得釬料未能鋪滿整個(gè)焊縫，冷卻后形成孔洞缺陷。由圖3c，3d可知，無(wú)鉛釬料/鍍鋅層界面連接緊密，焊縫較為平直，焊接效果良好；當(dāng)Bi含量達(dá)到3%時(shí)，其界面結(jié)合較好。因此，試驗(yàn)條件下Sn87Zn9Bi3Ga具有最好的無(wú)鉛釬料/鍍鋅層界面結(jié)合。

圖3 釬料/鍍鋅層釬焊接頭SEM形貌

2.4釬焊接頭元素分布及物相分析

圖4為釬焊接頭的XRD圖，由圖分析可知，Sn-9Zn-xBi-Ga/6063鋁合金鍍鋅層界面中出現(xiàn)了Al-Zn金屬間化合物，且不同釬料的釬焊接頭XRD衍射峰的強(qiáng)度有所不同，釬焊接頭中生成了Al0.71Zn0.29相。

圖4 Sn-9Zn-xBi-Ga釬焊接頭X衍射圖譜

圖5為Sn87Zn9Bi3Ga釬料/鍍鋅界面EDS分析，對(duì)圖5a所示區(qū)域進(jìn)行線掃描分析，結(jié)果如圖5b所示。線掃描方向由鍍鋅層垂直經(jīng)過(guò)交界面到釬料區(qū)。從圖5b中可以發(fā)現(xiàn)Sn元素含量越來(lái)越多，Zn元素呈下降狀態(tài)。釬料與鍍鋅層發(fā)生反應(yīng)，一部分Sn元素?cái)U(kuò)散到鍍鋅層，隨著距離開(kāi)始點(diǎn)愈來(lái)愈遠(yuǎn)，Sn元素的擴(kuò)散程度減輕，Sn元素的含量增加。而Zn元素隨著距離鍍鋅層越來(lái)越遠(yuǎn)而呈下降趨勢(shì)。Ga元素呈下降趨勢(shì)，可能是由于金屬Ga易溶于鍍鋅層，導(dǎo)致鍍鋅層一側(cè)的Ga含量高于釬料區(qū)，而B(niǎo)i含量隨著距離釬料區(qū)越來(lái)越近而緩慢增加。

2.5釬焊接頭硬度分析

表4為不同釬料的釬焊接頭硬度。由表4可以看出Sn87Zn9Bi3Ga釬料所形成的焊接接頭的硬度最大，可能由于Bi元素的加入使焊接接頭組織發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化導(dǎo)致硬度發(fā)生改變。同時(shí)，反應(yīng)生成的Al0.71Zn0.29化合物也可能起到彌散強(qiáng)化的作用，從而使釬焊接頭的顯微硬度提高。Bi在Sn中的溶解度較低，當(dāng)Bi元素含量超過(guò)3%時(shí)，在釬焊冷卻過(guò)程中過(guò)量Bi將會(huì)從基體Sn中析出，從而影響接頭的硬度，這與文獻(xiàn)[14]研究一致。

圖5 Sn87Zn9Bi3Ga釬料/鍍鋅界面EDS分析

表4 不同釬料的釬焊接頭硬度 HV

由于Bi，Ga元素的添加，使得釬料在母材表面潤(rùn)濕效果良好；Sn-9Zn-xBi-Ga釬料釬焊接頭的硬度均比傳統(tǒng)含鉛釬料釬焊接頭高；當(dāng)Bi元素的含量為3 %時(shí)，硬度最大可達(dá)到38.4 HV0.2。Sn-9Zn-3Bi-Ga釬料釬焊的焊接接頭力學(xué)性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1) Bi，Ga元素的添加，使得釬料的潤(rùn)濕鋪展面積增大，潤(rùn)濕效果明顯，并且能夠依靠這種釬料實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的可靠連接。

(2) 釬焊接頭的微觀組織中，鋁合金與鍍鋅層反應(yīng)界面生成Al0.71Zn0.29化合物顆粒。

(3) Sn-9Zn-xBi-Ga無(wú)鉛釬料的接頭硬度均高于含鉛釬料的釬焊接頭的顯微硬度，其中Sn87Zn9Bi3Ga釬料的釬焊接頭的顯微硬度最高，為38.4HV0.2。因此，Sn87Zn9Bi3Ga釬料是比較適合6063鋁合金低溫釬焊的填充釬料。