銅磷釬料組織缺陷對(duì)釬料特性的影響研究

倪雪輝 劉暢 張行 楊芝明

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

釬焊材料的品質(zhì)和釬焊工藝的匹配直接決定最終的釬焊質(zhì)量[1]。從釬料本身角度出發(fā)，就目前釬焊中易出現(xiàn)的諸如難熔、斷焊、氣孔、夾雜等釬焊缺陷而言，幾乎均可追溯至釬料生產(chǎn)加工中的相關(guān)工藝問題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)銅磷釬料成分、性能及其對(duì)釬焊質(zhì)量的影響研究較多。張培磊[2]等人對(duì)國(guó)產(chǎn)BCu80PAg釬料和德國(guó)進(jìn)口L-Ag15P釬料進(jìn)行了化學(xué)成分、熔化性能、潤(rùn)濕性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)L-Ag15P釬料的成分均勻性和潤(rùn)濕性要好于BCu80PAg，其融化區(qū)間較窄。訾樹燕[3]等人以H68和H62黃銅為釬料，通過(guò)在硼砂中添加Zn粉和Mn粉來(lái)研究它對(duì)釬焊作用的影響，發(fā)現(xiàn)在釬劑中添加上述物質(zhì)可以改善釬料的鋪展性能，提高釬焊接頭的剪切強(qiáng)度。但是，關(guān)于釬料組織缺陷對(duì)釬料特性及釬焊質(zhì)量的影響卻還存在空白，因此無(wú)法全面評(píng)估影響釬焊質(zhì)量的材料性因素。

本文通過(guò)調(diào)整釬料加工工藝參數(shù)，試制出宏觀偏析、熔體雜質(zhì)、組織不良三類不同缺陷程度試樣，旨在研究探討在銅磷釬料的生產(chǎn)過(guò)程中諸如熔體雜質(zhì)含量、合金富銅宏觀偏析，以及枝晶和共晶組織粗大、分布不均等因素對(duì)最終銅磷釬料熔化特性、力學(xué)性能的影響規(guī)律，為現(xiàn)有銅磷釬料生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)用場(chǎng)景下釬焊質(zhì)量的進(jìn)一步提高提供參考。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為成分符合QHGB 003-2019《華光0號(hào)釬料》的銅磷釬料合金，化學(xué)成分如表1所示。

通過(guò)控制加工工藝因素，如澆注溫度、模具溫度、鑄造環(huán)境、鑄件壁厚等，制造出含有宏觀偏析、熔體雜質(zhì)、組織不良三類缺陷的試樣。依據(jù)富銅組織所占截面積百分?jǐn)?shù)由低到高的次序，將富銅偏析缺陷劃分為1至3級(jí)，如圖1（a）所示；依據(jù)鑄坯和線坯組織中夾雜尺寸和面密度由低到高的次序，將夾雜缺陷劃分為1至3級(jí)，如圖1（b）所示；依據(jù)鑄態(tài)組織中枝臂平均尺寸、枝臂長(zhǎng)寬比、二次枝臂間距、共晶相平均尺寸和長(zhǎng)短軸比，以及變形組織中灰白色跡線數(shù)量和面積百分?jǐn)?shù)由低到高的次序，將組織不良缺陷依次劃分為1至3級(jí)，如圖1（c）、（d）所示。

表1 試驗(yàn)樣品成分

試驗(yàn)樣品具體規(guī)格如表2所示。每個(gè)編號(hào)下由形貌狀態(tài)分為鑄態(tài)和擠壓態(tài)兩類，如圖2所示。鑄態(tài)試樣直徑為47 mm，厚度為10 mm；擠壓態(tài)試樣直徑為3.2 mm，長(zhǎng)度為400 mm。采用鋸切和線切割等方法對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行切割取樣，所取得的樣品經(jīng)砂紙打磨、四氯化碳除油和酒精清洗后靜置備用。

采用400#、600#、800#、1000#金相水磨砂紙對(duì)擠壓態(tài)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)磨，后使用金剛石研磨膏、金剛石懸濁液和長(zhǎng)絨拋光布在轉(zhuǎn)盤式機(jī)械拋光機(jī)上將樣品精拋至光亮無(wú)粗大劃痕，再浸入無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗30 s，使用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕3 s后滴加無(wú)水乙醇2～3滴，而后快速吹干并置于Axios型光學(xué)顯微鏡下觀察和拍照，金相結(jié)果如圖3所示。

不同偏析程度下擠壓態(tài)試樣的組織形貌如圖3（a）、（b）、（c）所示，1#富銅組織所占百分比最高，偏析缺陷最嚴(yán)重。

不同夾雜程度下擠壓態(tài)試樣的組織形貌如圖4（a）、（b）、（c）所示，4#夾雜尺寸和面密度最高，夾雜缺陷最嚴(yán)重。

不同組織均勻程度下擠壓態(tài)試樣的組織形貌如圖5（a）、（b）、（c）所示，7#組織不均勻程度最高，不良缺陷最嚴(yán)重。金相試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，制備試樣呈現(xiàn)不同缺陷程度，符合后續(xù)試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)方法

對(duì)于熔化溫度的測(cè)定，將偏析擠壓態(tài)試樣和不良擠壓態(tài)、鑄態(tài)試樣各取15 mg制成細(xì)小顆粒，采用耐馳差示掃描熱分析儀（DSC）對(duì)樣品固液相線進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)參數(shù)為開始測(cè)量溫度200℃，終止測(cè)量溫度850℃，升溫速率20 K/min，降溫速率30 K/min。

表2 試驗(yàn)樣品規(guī)格

圖1 試驗(yàn)樣品缺陷形貌

圖2 試驗(yàn)樣品宏觀形貌

圖3 宏觀偏析試樣微觀組織形貌

圖4 熔體雜質(zhì)試樣微觀組織形貌

對(duì)于硬度的測(cè)定，使用Wilson顯微硬度測(cè)試儀對(duì)偏析擠壓態(tài)試樣的富銅位置和正常位置進(jìn)行測(cè)試，打點(diǎn)個(gè)數(shù)為5，結(jié)果取平均值。載荷500 g，保載時(shí)間10 s，測(cè)試過(guò)程中記錄各點(diǎn)壓痕左右及上下對(duì)角線長(zhǎng)度并計(jì)算該點(diǎn)硬度值。

焊接組織氣孔/夾渣觀察。采用400#—1000# SiC金相水磨砂紙對(duì)高頻焊后觀察面預(yù)磨，使用金剛石研磨膏，MgO或SiO2懸濁液以及帆布織物或長(zhǎng)絨拋光布，在轉(zhuǎn)盤式機(jī)械拋光機(jī)或振動(dòng)研磨機(jī)上將樣品精拋至光亮無(wú)粗大劃痕，再浸入無(wú)水乙醇溶液中超聲清洗30 s后取出吹干并置于光學(xué)顯微鏡下觀察和拍照。

圖5 擠壓態(tài)試驗(yàn)樣品微觀組織形貌

圖6 擠壓態(tài)偏析試樣顯微硬度值

4 結(jié)果與討論

4.1 熔化特性

釬料的熔化溫度如表3所示。

結(jié)晶溫度區(qū)間過(guò)寬會(huì)導(dǎo)致釬料熔體有分割現(xiàn)象，使釬料流動(dòng)性降低，結(jié)晶溫度區(qū)間的縮短有利于釬料在加熱過(guò)程中的熔化與鋪展。熔點(diǎn)降低有利于避免母材過(guò)燒和晶粒長(zhǎng)大，從而提高釬焊質(zhì)量，同時(shí)降低能耗、減少成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[4,5]。由表3可得，液相線溫度、結(jié)晶溫度區(qū)間隨缺陷程度的降低而降低或縮小，如3#擠壓態(tài)的液相線比1#擠壓態(tài)降低了8.9℃，結(jié)晶溫度區(qū)間縮小了9.0℃；9#擠壓態(tài)的液相線比7#擠壓態(tài)降低了33.2℃，結(jié)晶溫度區(qū)間縮小了33.4℃。所以，可以認(rèn)為對(duì)于宏觀偏析和不良組織試樣，缺陷程度越低越有利于釬料的熔化和鋪展，釬焊質(zhì)量越好。此外，相比于不良擠壓態(tài)試樣，同等缺陷程度下的鑄態(tài)試樣熔點(diǎn)低，結(jié)晶溫度區(qū)間小，如8#鑄態(tài)的液相線比8#擠壓態(tài)降低了4.6℃，結(jié)晶溫度區(qū)間縮小了2.8℃。

表3 釬料熔化溫度

4.2 硬度測(cè)試

偏析擠壓態(tài)試樣的硬度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可得，相同缺陷程度下，富銅位置的顯微硬度值低于正常位置，這是因?yàn)檎Ｎ恢冒摩凉倘荏w（少量）和Cu3P（大量）亞共晶脆性相硬度高[5,6]。并且在不同缺陷程度下，顯微硬度值隨缺陷程度的增加而降低。所以，偏析程度越大，富銅組織越多，釬料的整體硬度會(huì)下降，不利于釬料的質(zhì)量和性能[7]。

4.3 焊后組織氣孔/夾渣觀察

圖7至圖9分別為宏觀偏析試樣焊后形貌、熔體雜質(zhì)試樣焊后形貌和不良組織試樣焊后形貌。由圖7至圖9可得，偏析試樣焊后組織存在輕微氣孔，熔體雜質(zhì)試樣焊后存在密集且團(tuán)簇的氣孔組織，不良組織試樣焊后無(wú)氣孔異常發(fā)生。所以，組織顆粒大小對(duì)氣孔產(chǎn)生無(wú)影響；夾渣、偏析引起較大的氣孔問題，且氣孔隨釬料試樣缺陷程度的降低而減少。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)改變鑄坯加工工藝參數(shù)諸如澆注溫度、模具溫度、鑄造環(huán)境、鑄件壁厚等，制備試樣在光鏡下呈現(xiàn)不同缺陷程度，符合試驗(yàn)要求。

（2）相同缺陷類型下，液相線溫度、結(jié)晶溫度區(qū)間隨缺陷程度的降低而降低。此外，相比于不良擠壓態(tài)試樣，同等缺陷程度下的鑄態(tài)試樣熔點(diǎn)低，熔化溫度區(qū)間小。

（3）偏析擠壓態(tài)試樣富銅位置的顯微硬度值低于正常位置，并且不同缺陷程度下，顯微硬度值隨缺陷程度的增加而降低。偏析程度越大，富銅組織越多，釬料的硬度越低。

（4）組織顆粒大小對(duì)氣孔產(chǎn)生無(wú)影響，夾渣、偏析引起較大的氣孔問題，且隨釬料試樣缺陷程度的降低而減少。

圖7 宏觀偏析試樣焊后形貌

圖8 熔體雜質(zhì)試樣焊后形貌

圖9 不良組織試樣焊后形貌