Ni-P 鍍層厚度對(duì)Cu/Al 接頭界面結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響

張江濤，王立

(1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046011；2.太原理工大學(xué)，太原 030024)

0 前言

Zn-Al 釬料是Cu/Al 釬焊的常用釬料，可使連接接頭具有一定的力學(xué)性能[1-12]。但是，銅鋁之間存在明顯的冶金不相容性，Cu，Al 原子的相互擴(kuò)散易導(dǎo)致接頭Cu 母材側(cè)形成大量硬脆金屬間化合物，嚴(yán)重弱化Cu/Al 接頭性能，造成極大安全隱患。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)Cu/Al 接頭界面金屬間化合物的研究已有一些研究報(bào)道。張璐瑤等學(xué)者[13]研究了鍍層對(duì)銅鋁金屬間化合物的影響，發(fā)現(xiàn)采用CMT焊接設(shè)有鍍層的T2 與Al 時(shí)，接頭界面金屬間化合物的厚度可減小為17.05 μm。Yu 等學(xué)者[14]研究Ni 鍍層對(duì)鋁/鋼異種金屬釬焊界面反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)Ni 鍍層可有效阻隔原子擴(kuò)散，改變接頭界面組織結(jié)構(gòu)，從而提高接頭強(qiáng)度。Liu 等學(xué)者[15]研究了Ni-Fe-P 鍍層在鋅鋁釬料連接中的界面反應(yīng)和擴(kuò)散阻隔性能，證實(shí)Ni-Fe-P 鍍層可以抑制鋅鋁釬料界面化合物的互連，提高接頭強(qiáng)度。Muhammad 等學(xué)者[16]研究了銅鋁攪拌摩擦焊時(shí)超聲波振動(dòng)對(duì)接頭處金屬間化合物的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波振動(dòng)可一定程度上減小化合物層厚度，改善接頭性能。Wang 等學(xué)者[17]研究了擴(kuò)散釬焊參數(shù)對(duì)Cu/Al 接頭組織和性能的影響，結(jié)果表明：通過(guò)控制擴(kuò)散釬焊工藝參數(shù)可以控制接頭界面化合物的生長(zhǎng)，但接頭仍較脆。Samanta 等學(xué)者[18]研究了應(yīng)用于APIX70 鋼上的Ni-P 鍍層，結(jié)果表明：Ni-P 鍍層以非晶結(jié)構(gòu)為主，鍍層較致密，且具有優(yōu)異的耐高溫滲透性，可有效阻隔原子擴(kuò)散。

從上述研究結(jié)果看，Cu/Al 接頭界面金屬間化合物的有效抑制措施為Cu/Al 間接釬焊，即在銅上制備鍍層，特別是非晶的Ni-P 鍍層，有效阻礙Cu，Al 原子擴(kuò)散。但是，鍍層厚度過(guò)大會(huì)惡化接頭性能，過(guò)小會(huì)弱化阻隔原子擴(kuò)散的功效。因此，需進(jìn)一步研究鍍層厚度對(duì)接頭性能的影響規(guī)律，從而確定最佳的鍍層厚度，實(shí)現(xiàn)Cu/Al 接頭的高效間接釬焊。文中設(shè)計(jì)了一系列不同Ni-P 鍍層厚度的T2 紫銅，采用Zn98Al 釬料高頻釬焊T2 與3003 鋁合金，系統(tǒng)研究了鍍層厚度對(duì)Cu/Al 接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并探討了鍍層厚度對(duì)Cu/Al 釬焊界面結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為3003 鋁板和T2 純銅板，其尺寸均為60 mm × 20 mm × 3 mm。鋅基釬料成分為Zn98Al2。

1.2 試驗(yàn)方法

T2 紫銅表面Ni-P 鍍層制備方法：砂紙打磨—除油除銹—水洗—化學(xué)鍍Ni-P（pH=4.8，溫度80 ℃，時(shí)間1 min，3 min，5 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min，40 min 等一系列時(shí)間，從而獲得一系列不同Ni-P 鍍層厚度的T2 銅板），采用金相顯微鏡、掃描電鏡觀察T2 銅板表面鍍層形貌。

釬料潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法：根據(jù)GB/T 11364—2008《釬料潤(rùn)濕性試驗(yàn)方法》進(jìn)行潤(rùn)濕性能試驗(yàn)，試驗(yàn)基板為48 mm × 48 mm × 1.5 mm 的不同厚度鍍層T2 紫銅板，釬料量為0.1 g。

高頻釬焊方法：將釬料裁切成合適片狀置于接頭處，涂覆適量的氟鋁酸銫鋁釬劑。采用高頻感應(yīng)焊機(jī)對(duì)Cu/Al 搭接接頭（搭接長(zhǎng)度2 mm 左右）進(jìn)行加熱，使釬料熔化、鋪展、填縫，形成冶金結(jié)合。

利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)Cu/Al 接頭進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，利用金相顯微鏡、掃描電鏡觀察接頭界面組織及斷口形貌，并借助能譜分析儀進(jìn)行微區(qū)成分測(cè)定。

1.處理好審與被審的關(guān)系。能否處理好與被審計(jì)對(duì)象工作上的溝通協(xié)調(diào)問(wèn)題，直接影響著審計(jì)組的工作質(zhì)量和效率。審計(jì)組長(zhǎng)要引導(dǎo)審計(jì)組成員樹(shù)立“監(jiān)督是手段，服務(wù)是目的”的理念，以一種平等待人的態(tài)度，不卑不亢，既不以勢(shì)壓人，也不低三下四。比如，在對(duì)被審計(jì)單位進(jìn)行審計(jì)過(guò)程中，要注重發(fā)揮審計(jì)的監(jiān)督性作用，同時(shí)也要發(fā)揮審計(jì)的建設(shè)性作用，既要對(duì)服務(wù)對(duì)象工作中取得的成績(jī)予以肯定，同時(shí)也要指出工作中存在的問(wèn)題，取得被審計(jì)單位的理解、支持與配合，構(gòu)建和諧的審與被審關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅板表面鍍層形貌

為研究鍍層厚度對(duì)釬料性能的影響，文中設(shè)計(jì)了一系列化學(xué)鍍時(shí)間，通過(guò)金相設(shè)備自帶軟件測(cè)定，T2銅板上Ni-P 鍍層的厚度值分別為2 μm，4 μm，5 μm，8 μm，15 μm，18 μm，20 μm，25 μm，28 μm。圖1 為典型鍍層厚度銅板表面的金相形貌?？梢钥闯觯儗雍穸刃∮? μm 時(shí)，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時(shí)，鍍層邊緣均呈鋸齒狀，不平齊，此時(shí)沉積的鍍層較疏松，與銅板之間還未來(lái)得及形成致密結(jié)合；鍍層厚度處于5～20 μm 之間時(shí)，鍍層的邊緣比較平齊，鍍層與銅板之間實(shí)現(xiàn)了致密結(jié)合；鍍層厚度大于20 μm 時(shí)，即鍍層厚度為25 μm，28 μm 時(shí)，此時(shí)銅板表面的鍍層較厚，鍍層與銅板之間同樣實(shí)現(xiàn)了結(jié)合。

圖1 典型鍍層厚度銅板表面的金相形貌

圖2 為銅板表面Ni-P 鍍層的微觀形貌及能譜分析結(jié)果?？梢钥闯觯琋i-P 鍍層的結(jié)晶細(xì)致，孔隙率低，表面沒(méi)有顆粒沉積現(xiàn)象，不存在晶界、位錯(cuò)等晶體缺陷，為非晶結(jié)構(gòu)。由能譜分析結(jié)果可知，Ni-P 鍍層表面主要元素為Ni-P，其中P 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8.59%。

圖2 銅板表面Ni-P 鍍層的微觀形貌及能譜分析結(jié)果

2.2 鍍層厚度對(duì)釬料潤(rùn)濕性能的影響

圖3 為釬料在典型鍍層厚度銅板上的鋪展?jié)櫇裥蚊?。可以看出，釬料在無(wú)鍍層銅板上的潤(rùn)濕性能較差，潤(rùn)濕角較大；釬料在鍍層厚度小于5 μm 的鍍層銅板上的鋪展?jié)櫇裥阅芨纳撇淮?，不但鋪展面積較小，且潤(rùn)濕角大于10°；相反，釬料在5～20 μm 鍍層的銅板上的鋪展?jié)櫇裥阅茌^好，鋪展面積較大，幾乎是無(wú)鍍層銅板上鋪面面積的3 倍。

圖3 釬料在典型鍍層厚度銅板上的鋪展?jié)櫇裥蚊?/p>

圖4 為釬料在不同鍍層厚度銅板上的鋪展面積曲線圖。可以看出，隨著鍍層厚度增加，釬料鋪展面積呈先緩慢增加、后急劇增加、然后緩慢減少、最后大幅減少的總體趨勢(shì)。當(dāng)鍍層厚度為0 μm（無(wú)鍍層）時(shí)，釬料的鋪展面積僅為62.4 mm2；當(dāng)鍍層厚度小于5 μm 時(shí)，隨鍍層厚度增加，釬料在銅上的鋪展面積僅有小幅緩慢增加，鋪展面積最大值為78.1 mm2；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm 時(shí)，隨著鍍層厚度增加，釬料在銅上的鋪展面積先急劇大幅增加后趨于緩慢降低；當(dāng)鍍層厚度為8 μm 時(shí)，釬料在銅板上的鋪展面積達(dá)最大值，為189.5 mm2，此階段，釬料的鋪展面積較恒定、釬料的鋪展?jié)櫇裥阅茌^好；當(dāng)鍍層厚度＞ 20 μm 時(shí)，釬料的鋪展面積開(kāi)始大幅減少，當(dāng)鍍層厚度達(dá)28 μm 時(shí)，鋪展面積已減少至138.3 mm2。這是因?yàn)?，鍍層厚度較薄時(shí)，銅板表面并未被鍍層完全覆蓋，釬料的鋪展?jié)櫇裥阅懿荒艿玫捷^好促進(jìn)；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm時(shí)，銅板表面被致密鍍層完全覆蓋，釬料相當(dāng)于在Ni-P 鍍層上潤(rùn)濕。由于Zn-Al 釬料中的Al 與鍍層中的Ni 會(huì)發(fā)生反應(yīng)形成鋁鎳化合物，從而降低表面張力，促進(jìn)釬料潤(rùn)濕鋪展。然而，當(dāng)鍍層厚度較厚時(shí)，鍍覆時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鍍層變色呈現(xiàn)黑色，出現(xiàn)逆反應(yīng)或其他副反應(yīng)（見(jiàn)圖5）。鍍層變黑，內(nèi)部可能出現(xiàn)黑渣和氧化夾雜（見(jiàn)圖6），反而會(huì)惡化釬料的鋪展?jié)櫇裥阅堋?/p>

圖4 鍍層厚度對(duì)釬料鋪展面積的影響

圖5 不同鍍層厚度試樣表面的宏觀形貌

總而言之，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時(shí)，Ni-P鍍層可顯著改善釬料在鍍層銅板上的鋪展?jié)櫇裥阅?；與無(wú)鍍層銅相比，釬料的鋪展?jié)櫇衩娣e可增加近3 倍。

2.3 鍍層厚度對(duì)接頭Cu 側(cè)界面組織影響

圖6 為Cu/Al 接頭中Cu 側(cè)界面組織?？梢钥闯?，無(wú)鍍層時(shí)，接頭Cu 側(cè)界面組織主要為一層較厚的灰色鋸齒狀化合物，從Cu 側(cè)界面向釬縫中生長(zhǎng)；當(dāng)鍍層厚度小于5 μm，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時(shí)，接頭Cu 側(cè)界面有一層不連續(xù)也不致密的鍍層，鍍層中夾雜一層較厚的灰色層狀化合物；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm 時(shí)，接頭Cu 側(cè)界面有一層灰色致密鍍層，鍍層釬縫側(cè)生長(zhǎng)一層較薄化合物層；當(dāng)鍍層厚度大于20 μm，即鍍層厚度為25 μm，28 μm 時(shí)，接頭Cu 側(cè)界面鍍層厚度較厚且邊緣不規(guī)則，鍍層開(kāi)始向釬縫中熔解，出現(xiàn)大量孔洞或黑色氧化夾雜。

圖7 為接頭Cu 側(cè)界面微觀組織形貌，表1 為圖7中不同區(qū)域EDS 分析結(jié)果。可以看出，無(wú)鍍層接頭中，Cu 側(cè)界面為一層8.8 μm 的較厚的鋸齒狀化合物層。由EDS 分析結(jié)果和相圖可知，該鋸齒狀化合物為Cu3.2Al4.2Zn0.7（見(jiàn)A 點(diǎn)能譜結(jié)果）。鍍層厚度小于5 μm時(shí)，即在鍍層厚度為2 μm，4 μm 的接頭中，Cu 側(cè)界面為一層疏松、不致密的鍍層，該鍍層無(wú)法阻擋Cu，Al原子的擴(kuò)散，界面結(jié)構(gòu)仍為Cu3.2Zn4.2Al0.7化合物，只是夾雜了少量的Ni，P 原子（見(jiàn)B 點(diǎn)能譜結(jié)果）。鍍層厚度為5～20 μm 的接頭中，Cu 側(cè)界面由一條淺灰色過(guò)渡帶和一層較薄的1.5 μm 厚的化合物層組成，淺灰色過(guò)渡帶為Ni-P 鍍層（見(jiàn)D 點(diǎn)能譜結(jié)果），化合物層為Al3Ni 化合物（見(jiàn)C 點(diǎn)能譜結(jié)果）。鍍層厚度大于20 μm，即在鍍層厚度為25 μm，28 μm 的接頭中，Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)由不規(guī)則鍍層和少量Al3Ni 化合物組成。此時(shí)，鍍層中大量Ni，P 原子擴(kuò)散進(jìn)入釬縫，鍍層發(fā)生了熔解（見(jiàn)E，F(xiàn) 點(diǎn)能譜結(jié)果），開(kāi)始出現(xiàn)孔洞、夾雜等缺陷，鍍層邊緣不規(guī)則且含有O 元素。

圖7 接頭Cu 側(cè)界面微觀組織形貌

圖8 為鍍層厚度28 μm 的接頭面掃描能譜分析結(jié)果。驗(yàn)證了鍍層較厚時(shí)鍍層中Ni，P 原子會(huì)大量向釬縫擴(kuò)散，鍍層發(fā)生部分熔解，且含少量O 原子。

圖8 鍍層厚度為28 μm 的接頭面掃描能譜分析結(jié)果

總之，鍍層厚度為2 μm，4 μm 時(shí)，鍍層不能有效阻隔Cu，Al 原子的擴(kuò)散，接頭Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)仍為較厚的Cu3.2Al4.2Zn0.7化合物層；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm時(shí)，鍍層可以有效阻隔Cu，Al 原子的擴(kuò)散，界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殄儗?較薄的Al3Ni 化合物層；當(dāng)鍍層厚度為25 μm，28 μm 時(shí)，化學(xué)鍍覆的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大量的Ni，P原子擴(kuò)散進(jìn)入釬縫，鍍層發(fā)生部分熔解。此時(shí)，界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的Ni-P 鍍層+孔洞、夾雜缺陷 +較薄的Al3Ni 化合物，接頭性能下降?？梢?jiàn)，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時(shí)，可有效調(diào)控接頭Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控接頭性能。

2.4 鍍層厚度對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

圖9 為不同鍍層厚度Cu/Al 接頭的抗剪強(qiáng)度曲線。可以看出，隨著鍍層厚度增加，接頭剪切強(qiáng)度呈先升后降的總趨勢(shì)。無(wú)鍍層時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度僅為32 MPa；當(dāng)鍍層厚度小于5 μm 時(shí)，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度幾乎不變；當(dāng)鍍層厚度為5～8 μm 時(shí)，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強(qiáng)度急劇大幅上升；當(dāng)鍍層厚度為8～15 μm 時(shí)，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強(qiáng)度緩慢上升；當(dāng)鍍層厚度為15 μm 時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度達(dá)最大值39 MPa；當(dāng)鍍層厚度為15～20 μm時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度有小幅下降，但變化不大；當(dāng)鍍層厚度為20～28 μm 時(shí)，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強(qiáng)度開(kāi)始急劇下降，當(dāng)鍍層厚度為28 μm 時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度降至30.6 MPa，此時(shí)，比無(wú)鍍層接頭抗剪強(qiáng)度還低。

圖9 鍍層厚度對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響

總而言之，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時(shí)，接頭抗剪強(qiáng)度不小于34.5 MPa，遠(yuǎn)高于無(wú)鍍層接頭強(qiáng)度。這是因?yàn)?，合適的鍍層厚度不但有助于改善釬料在鍍層銅板上的鋪展?jié)櫇裥阅?，而且還是很好的阻隔層，有效阻擋了Cu，Al 原子的擴(kuò)散，使接頭中Cu 側(cè)界面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變接頭的力學(xué)性能。另外，鍍層中大量Ni 原子，P 原子擴(kuò)散進(jìn)入釬縫，對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度也起一定提升作用。

圖10 為Cu/Al 接頭拉伸斷口的宏觀形貌（左側(cè)Cu，右側(cè)Al）?？梢钥闯?，無(wú)鍍層接頭斷口較平齊光亮，Cu 側(cè)有較厚的銀灰色的Cu3.2Al4.2Zn0.7化合物，接頭從母材Cu 側(cè)化合物層斷開(kāi)；當(dāng)鍍層厚度小于5 μm時(shí)，接頭Cu 側(cè)裸露到Cu 的顏色，鍍層較薄或被剝離，接頭從鍍層結(jié)合面處斷開(kāi)；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm時(shí)，接頭Cu 側(cè)斷口處鍍層均勻、平齊，接頭從鍍層側(cè)的鋁鎳化合物層斷開(kāi)；當(dāng)鍍層厚度大于20 μm 時(shí)，接頭Cu 側(cè)斷口有大量馬蜂窩狀的孔洞和黑色氧化夾雜，接頭仍從鍍層鋁鎳化合物層處斷開(kāi)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了，當(dāng)鍍層厚度處于5～20 μm 之間時(shí)，鍍層與銅母材的結(jié)合強(qiáng)度較高。這是因?yàn)榻宇^沒(méi)有從鍍層與銅母材的結(jié)合處撕開(kāi)，而是從鍍層與鋁母材間的焊縫處撕開(kāi)，證明了鍍層與銅母材間的結(jié)合強(qiáng)度高于焊縫強(qiáng)度。鍍層與銅母材的結(jié)合強(qiáng)度高，可有效阻止Cu，Al 原子的擴(kuò)散，從而減焊縫界面處的化合物層厚度，同時(shí)鍍層中的Ni 原子擴(kuò)散進(jìn)入焊縫，起到彌散強(qiáng)化的作用，有助于增強(qiáng)釬焊接頭強(qiáng)度。

圖10 接頭斷口宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）隨著鍍層厚度增加，釬料在鍍層銅上的鋪展面積呈先升后降的趨勢(shì)。與無(wú)鍍層銅板相比，當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm 時(shí)，釬料的鋪展面積由62.4 mm2增加到最大值189.5 mm2，增加了近3 倍。

（2）隨著鍍層厚度增加，接頭Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。與無(wú)鍍層接頭相比，當(dāng)鍍層厚度小于5 μm時(shí)，接頭Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)仍為粗大的Cu3.2Zn4.2Al0.7化合物層；當(dāng)鍍層厚度為5～20 μm 時(shí)，鍍層有效阻隔了原子擴(kuò)散，接頭Cu 側(cè)界面結(jié)構(gòu)變?yōu)殄儗?較薄的Al3Ni 化合物層；當(dāng)鍍層厚度大于20 μm 時(shí)，接頭Cu側(cè)界面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠秩劢獾牟灰?guī)則鍍層+Al3Ni 化合物層。

（3）隨著鍍層厚度增加，接頭剪切強(qiáng)度呈先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)鍍層厚度為15 μm 時(shí)，接頭剪切強(qiáng)度達(dá)最大值39 MPa，比無(wú)鍍層接頭強(qiáng)度相比，提高了21.8%。

（4）綜合考慮釬料的鋪展?jié)櫇裥阅?、接頭Cu 界面組織結(jié)構(gòu)及接頭力學(xué)性能，確定銅板上最佳Ni-P鍍層厚度為5～20 μm。