(鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

鋅合金火焰釬焊用釬料研究

黃俊蘭龍偉民董顯呂登峰

(鄭州機(jī)械研究所 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001)

以4種釬料對(duì)ZAT10鋅合金進(jìn)行了火焰釬焊。通過(guò)研究4種釬料的熔化溫度、浸潤(rùn)性能、釬焊接頭力學(xué)性能和釬縫氣孔率，從中選取綜合性能較優(yōu)的SnZn-1釬料；采用掃描電鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDS)進(jìn)一步研究了該釬焊接頭的組織和成分。研究結(jié)果表明， SnZn-1釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)62 MPa、氣孔率約為10%,釬縫界面區(qū)組織大部分是均勻的等軸晶組織，且發(fā)生了釬料和母材的相互溶解和擴(kuò)散，從而獲得優(yōu)質(zhì)的釬焊接頭。

鋅合金火焰釬焊抗拉強(qiáng)度氣孔率

0 序 言

鋅合金尤其是變形鋅合金具有優(yōu)良的綜合性能，在某些領(lǐng)域成為銅合金的理想替代品，在電子通訊、衛(wèi)浴、五金建筑、機(jī)電、服裝等集群產(chǎn)業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景[1-9]。

目前國(guó)內(nèi)外鋅合金釬焊一般使用低溫軟釬焊，所用釬料主要是無(wú)鉛釬料Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Bi，Sn-Zn，或者以它們?yōu)榛A(chǔ)的三元或多元系列合金。從熔點(diǎn)、毒性、資源和價(jià)格來(lái)看，Sn-Zn系釬料是最佳選擇[10-14]。

但是，傳統(tǒng)的Sn-Zn系無(wú)鉛釬料存在許多不足：由于Zn極其容易氧化和腐蝕，導(dǎo)致釬料氧含量高、潔凈度低，用于鋅合金產(chǎn)品釬焊時(shí)普遍存在潤(rùn)濕性差的缺點(diǎn)，易導(dǎo)致釬焊產(chǎn)品產(chǎn)生氣孔、夾雜、沙眼等缺欠，這些缺欠不能滿足鋅鋁合金釬焊產(chǎn)品后續(xù)裝飾與功能性電鍍要求，嚴(yán)重制約了鋅合金代銅產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

文中采用4種Sn-Zn釬料火焰釬焊用于鋅鋁衛(wèi)浴件的ZAT10鋅合金，對(duì)比分析了釬料的熔化溫度、浸潤(rùn)性能、釬焊接頭強(qiáng)度和釬縫氣孔率，從而找出了理想的鋅合金釬焊材料(鋅鋁衛(wèi)浴件接頭強(qiáng)度50 MPa，釬縫氣孔率要低)，同時(shí)考察了釬焊接頭的組織及成分，為鋅合金產(chǎn)品開發(fā)和應(yīng)用中的釬焊連接提供新的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆某煞趾外F料成分見表1～2。首先將鋅合金加工成國(guó)標(biāo)GB/T 11363—2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中的標(biāo)準(zhǔn)平板拉伸試樣。采用表2中釬料進(jìn)行火焰釬焊。釬料鋪展?jié)櫇裥阅茉囼?yàn)方法是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11364—2008《釬料鋪展性及填縫性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。母材為40 mm×40 mm×1.5 mm的鋅合金板。釬料熔化溫度測(cè)試是采用WCR-2A型號(hào)差熱分析儀(DTA)測(cè)量Sn-Zn釬料的熔化溫度。根據(jù)GB/T 11363—2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行釬焊接頭強(qiáng)度測(cè)試。

表1 ZAT10鋅合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 釬料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

釬縫氣孔率測(cè)試方法為選取20個(gè)釬焊接頭，觀察并計(jì)算有氣孔缺陷接頭所占比例。

采用常規(guī)方法制取釬焊接頭金相樣品，利用掃描電鏡觀察釬焊接頭組織形貌并進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 釬料的熔化溫度

利用DTA測(cè)試4種釬料的固液相線溫度，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖中看出，SnZn-3釬料和SnZn-4釬料的固液相線溫度相差不大，熔化溫度均較高；其次是SnZn-2釬料；熔化溫度最低的是SnZn-1釬料，其熔化溫度區(qū)間也較窄。

圖1 釬料的熔化溫度

SnZn-3釬料和SnZn-4釬料的熔化溫度較高，是因?yàn)槎咧芯懈呷埸c(diǎn)元素Ag和Cu，釬料的固液相線溫度提高，釬料的熔化溫度區(qū)間變寬。

SnZn-2釬料是亞共晶釬料，熔化溫度稍高。

SnZn-1釬料熔化溫度較低，熔化區(qū)間較窄，是因?yàn)镾nZn-1釬料除含有0.08%的Pd元素外，還含有9%的Sn元素，接近Sn-Zn二元共晶釬料。Sn與Zn形成大

量低熔共晶相，降低了釬料的熔化溫度，特別是顯著降低釬料的液相線溫度。

2.2 釬料的鋪展?jié)櫇裥阅?/p>

釬料在母材上的潤(rùn)濕性能取決于具體條件下的三相間σgq(固-氣)、σyq(液-氣)、σyg(液-固)界面間界面張力的相互作用。潤(rùn)濕角θ與三種界面張力之間存在如下關(guān)系：

cosθ=(σgq-σyg)/σyg

釬料中若含有能與母材發(fā)生反應(yīng)形成固溶體或中間相元素，則能加速液態(tài)釬料內(nèi)層原子向固體母材中擴(kuò)散，也就是減小σyg，有利于釬料在母材上的鋪展。

4種Sn-Zn釬料在鋅合金表面的鋪展面積如圖2所示。由圖2可知，SnZn-1釬料的潤(rùn)濕性能較好，鋪展面積較大，約為76 mm2；SnZn-3釬料的潤(rùn)濕性能次之，鋪展面積約為71 mm2，SnZn-2釬料和SnZn-4釬料的潤(rùn)濕性能較差，鋪展面積分別約為62 mm2和58 mm2。

SnZn-1釬料的潤(rùn)濕性能較好、鋪展面積較大，首先是因?yàn)镾nZn-1釬料的熔化溫度區(qū)間較窄、流動(dòng)能力較強(qiáng)；其次是SnZn-1釬料在鋅合金表面鋪展時(shí)，釬料中的Zn元素與母材中的Al元素互溶度較大，液態(tài)釬料中的Zn元素以較快的速度向母材晶間滲透，從而大大促進(jìn)了釬料的鋪展；再者SnZn-1釬料還含有0.08%的吸氫元素Pd。1體積的Pd能吸收900～1 200體積的氫氣。微量Pd加入到釬料中，起到強(qiáng)烈脫氧作用，顯著提高釬料的潔凈度。釬料潔凈度的提高，不僅改善釬料本身的強(qiáng)度和塑性，特別是對(duì)釬料在母材上的鋪展?jié)櫇裥阅苡欣?/p>

圖2 釬料的鋪展面積

2.3 釬焊接頭強(qiáng)度及釬縫氣孔率

圖3a為釬焊接頭拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果：SnZn-4釬料的釬焊接頭強(qiáng)度較高，約為71 MPa，其次是SnZn-3釬

料，釬焊接頭強(qiáng)度約為66 MPa，接著是SnZn-1釬料，釬焊接頭強(qiáng)度約為62 MPa，釬焊接頭強(qiáng)度較低的是SnZn-2釬料，約為55 MPa?？梢?，4種釬料接頭強(qiáng)度均滿足鋅鋁衛(wèi)浴件接頭強(qiáng)度50 MPa的使用要求。

SnZn-3釬料和SnZn-4釬料中均含有Ag元素和Cu元素。Ag元素和Cu元素均能使釬料組織細(xì)化、富Zn相得到改善，有助于釬料韌性和強(qiáng)度的提高，從而提高釬焊接頭強(qiáng)度。

SnZn-1釬料接頭強(qiáng)度之所以高于SnZn-2釬料接頭強(qiáng)度，一方面是因?yàn)镾nZn-1釬料中含有較高的Zn元素，Zn元素向釬料中適度溶解，使釬料成分合金化，有利于提高接頭強(qiáng)度；另一方面是釬料中含有潔凈元素Pd。微量Pd起到強(qiáng)烈脫氧作用，使釬料潔凈度提高。釬料潔凈度的提高，會(huì)有效減少釬焊接頭中的氣孔、沙眼、夾雜等缺欠，有助于提高接頭強(qiáng)度。

圖3b為釬縫氣孔率測(cè)試結(jié)果：SnZn-1釬料釬縫氣孔率約為10%，氣孔率最低；SnZn-4釬料釬縫氣孔率約為50%，氣孔率最高。

圖3 接頭的抗拉強(qiáng)度和釬縫氣孔率

圖4為釬縫形貌圖，可以看出SnZn-1釬縫氣孔、夾渣缺欠少，SnZn-4釬縫氣孔、夾渣缺欠多。

圖4 釬縫宏觀形貌圖

SnZn-1釬料的鋪展?jié)櫇裥阅茌^好，釬縫氣孔率較低，原因是SnZn-1釬料是近共晶釬料、釬料與母材能相互溶解，促使釬料鋪展?jié)櫇裥阅茌^好；SnZn-1釬料中又含有潔凈元素Pd，釬料潔凈度提高。釬料的鋪展?jié)櫇裥阅芎蜐崈舳忍岣呔兄诮档外F縫氣孔率。

2.4 釬焊接頭的組織成分分析

圖5為SnZn-1釬料釬縫區(qū)A點(diǎn)和界面區(qū)B點(diǎn)與SnZn-1釬料的主要化學(xué)成分對(duì)比。圖6為SnZn-1釬料釬焊接頭組織形貌。表3為SnZn-1釬料釬縫區(qū)A點(diǎn)、界面區(qū)B點(diǎn)的EDS分析結(jié)果。

釬縫區(qū)包括釬縫中心區(qū)和擴(kuò)散區(qū)，不僅有錫鋅釬料的共晶組織，還有少量Zn,Al 擴(kuò)散到釬縫區(qū)與Sn,Zn形成化合物。圖5為釬縫不同區(qū)域成分與釬料成分的對(duì)比?？梢钥闯觯F縫區(qū)除含有釬料中所有的元素外，還包含Zn和Al元素，而且Sn組元也相應(yīng)減少，這是因?yàn)樵阝F焊加熱作用下，母材金屬原子溶解，從而有少許原子向釬縫中心過(guò)渡，釬料組分也向母材中擴(kuò)散，在釬縫中心區(qū)重新結(jié)晶后，使得這一區(qū)域的組織和成分與原始的釬料不同。

圖5 釬縫不同區(qū)域成分與釬料成分對(duì)比圖

圖6 釬縫組織形貌

元素AlSnZn釬縫區(qū)A3.3385.5411.13界面區(qū)B3.6533.8562.50

結(jié)合表3和圖6，界面區(qū)有大量的黑色顆粒狀Zn化合物從母材中滲透出來(lái)；另外在該區(qū)域也存在著均勻分布的白色狀Sn化合物，這表明在釬焊過(guò)程中母材與釬料發(fā)生了充分的化學(xué)反應(yīng)。如圖5所示，釬縫界面區(qū)包含了母材與釬縫的所有化學(xué)元素，這是母材與釬料相互擴(kuò)散、滲透的結(jié)果。界面區(qū)物相之間的相互交錯(cuò)提高了接頭的結(jié)合性。該區(qū)域的原子分布受釬焊溫度和釬焊時(shí)間所影響，當(dāng)釬焊溫度一定時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，釬焊接頭界面區(qū)的元素?cái)U(kuò)散作用增強(qiáng)，釬焊接頭晶粒從母材區(qū)到界面區(qū)再到釬縫區(qū)是由小到大逐漸變化的。釬縫界面區(qū)較寬，可以看出釬料與母材的反應(yīng)比較劇烈，這保證了接頭抗拉強(qiáng)度的提高。

3 結(jié) 論

(1)研究的4種釬料中，SnZn-1釬料綜合性能較好，其熔化溫度較低，鋪展?jié)櫇裥阅茌^好，特別是釬縫氣孔率較低約10%，是理想的鋅合金釬焊材料。

(2)釬焊過(guò)程中存在釬料的擴(kuò)散及母材的溶解過(guò)程，液態(tài)釬料中溶解了母材中較多的高熔點(diǎn)Al元素，母材中溶解了釬料中的Zn元素。

(3)釬縫界面區(qū)母材原子和釬料原子充分結(jié)合，產(chǎn)生了交互結(jié)晶，并形成了均勻的等軸晶粒，形成了良好的釬焊接頭。

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2017-02-20

熱能儲(chǔ)存材料承載體的高溫釬焊研究(2015DFA50470)

TG454

黃俊蘭，1982年出生，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)殂~鋁釬焊用釬料和釬焊工藝的研究，已發(fā)表論文12篇。