謝貴生，武媛，劉溢泉

中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044502

0 引言

含鎘（Cd）銀基硬釬料在礦山機(jī)械、鐵路機(jī)車(chē)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條接頭釬焊連接等均有應(yīng)用，此類(lèi)含鎘硬釬料是銀基釬料中性能最好的一種釬料，因?yàn)槠淙刍瘻囟鹊?，?rùn)濕性和鋪展性好，力學(xué)性能也相對(duì)較好，價(jià)格適中。其缺點(diǎn)是鎘為有害元素，鎘蒸氣對(duì)人體危害極大，從勞保和環(huán)保視角出發(fā)，含鎘釬料應(yīng)逐漸被無(wú)鎘釬料取代，歐盟和中國(guó)已將該類(lèi)釬料列入限用禁用物質(zhì)行列，同時(shí)含鎘BAg40CuZnCd釬料釬焊接頭熱可靠性差［1-7］。

不同含鎵（Ga）量銀釬料鋪展性能試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)不同的基板材料，含鎵釬料表現(xiàn)出了較為明顯的差異性。對(duì)于紫銅基板，添加少量的Ga、In元素改善Ag-Cu-Zn釬料鋪展性能的效果并沒(méi)有添加適量Sn的效果好；而對(duì)于黃銅基板，Ga的添加對(duì)Ag-Cu-Zn釬料的鋪展性能提升顯著，添加2wt.%Ga的Ag-Cu-Zn-Ga-Sn釬料的鋪展面積比Ag-Cu-Zn-Sn釬料增加約50%；從掃描電鏡分析結(jié)果可知，Ga的添加對(duì)銀釬料的釬縫顯微組織影響有限，少量的Ga固溶體通過(guò)彌散進(jìn)銀釬料基體中，可以在一定程度上強(qiáng)化釬縫的強(qiáng)度。但是相比于對(duì)銀釬料力學(xué)性能的影響，Ga等元素的添加作用更多體現(xiàn)在對(duì)銀釬料熱力學(xué)的影響上［8］。Sn在銅中的固溶度較低，過(guò)量的添加Sn會(huì)導(dǎo)致合金的脆性急劇增大，釬料加工成形困難［9］。贠東海［10］研究了Sn含量對(duì)含銀30wt.%的Ag-Cu-Zn釬料的影響，指出釬料中2wt.%以上的Sn會(huì)明顯改變釬料的組織特征，使晶粒粗化且形成脆性相，嚴(yán)重降低釬料的韌性。Sn元素熔點(diǎn)為232 ℃，加入少量的Sn可以顯著降低Ag-Cu—Zn三元合金的固、液相線及縮小熔化區(qū)間。適量的Sn具有細(xì)化共晶組織的作用，對(duì)釬料和釬縫的強(qiáng)度有所提高。Sn雖是一種很好地替代Cd的元素，但Sn在銅中的溶解度不大，隨著Sn含量的增加，釬料的加工性能惡化，其強(qiáng)度明顯下降，使釬料脆性增大［11］。

鑒于前述含鎘硬釬料的優(yōu)缺點(diǎn)，以及無(wú)鎘釬料添加Ga和Sn含量對(duì)釬料Ag-Cu-Zn系釬料的綜合性能影響，本文選擇Ag-Cu-Zn-Sn系釬料，控制Sn含量，選用目標(biāo)釬料BAg55ZnCuSn（即AG103）替代目前公司用BAg40CuZnCdNi（即HL312）含Cd釬料。測(cè)定了目標(biāo)釬料熔化區(qū)間，研究了目標(biāo)釬料配套用釬劑流鋪性、釬料潤(rùn)濕鋪展性、模卡工藝性和釬焊接頭力學(xué)性能，為鼠籠式轉(zhuǎn)子釬焊用含Cd釬料的替代提供了生產(chǎn)實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 化學(xué)成分分析

采用化學(xué)分析法對(duì)含Cd釬料BAg40CuZnCdNi（即HL312）和無(wú)Cd釬料BAg55ZnCuSn（即AG103）進(jìn)行分析，兩種釬料的化學(xué)成分如表1所示。兩種釬料化學(xué)成分均符合GB/T 10046—2018標(biāo)準(zhǔn)要求，可以采用該批釬料樣品進(jìn)行相關(guān)工藝驗(yàn)證。

表1 HL312和AG103的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of HL312 and AG103 （wt.%）

1.2 釬料熔化溫度檢測(cè)

表2 釬料固相線和液相線Table 2 solidification line and melting line of brazing filler metal

1.3 釬劑流鋪性試驗(yàn)

采用高溫潤(rùn)濕爐，釬劑QJ102（標(biāo)識(shí)為c）和釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Typ-FH10（標(biāo)識(shí)為d）各取0.2 g放置于銅板上，在550 ℃、660 ℃、700 ℃和720 ℃下分別進(jìn)行釬劑流鋪性分析。

1.4 釬料潤(rùn)濕性試驗(yàn)

采用高溫潤(rùn)濕爐，各取0.2 g釬料（HL312、AG103）和0.5 g釬劑（QJ102、SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）放置于銅板上，分別在660 ℃、700 ℃和720 ℃進(jìn)行釬料潤(rùn)濕性交叉分析。

1.5 鼠籠式轉(zhuǎn)子?？üに囋囼?yàn)

鼠籠式轉(zhuǎn)子鐵心模卡結(jié)構(gòu)如圖1所示，端環(huán)材質(zhì)為CuCr1Zr，導(dǎo)條材質(zhì)為Cu-HCP，無(wú)鎘釬料和釬劑根據(jù)前述試驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果確定。釬料替代后的釬焊工藝最高溫度仍為700 ℃保持不變。釬焊后，將端環(huán)6等份，并將端環(huán)與導(dǎo)條接頭組件自鐵芯槽中打出，用線切割方法將每個(gè)端環(huán)與導(dǎo)條接頭分割，保證每個(gè)導(dǎo)條兩側(cè)距端環(huán)至少3 mm，且保證端環(huán)兩側(cè)平行，便于端環(huán)與導(dǎo)條拉伸試樣夾持，采用CMT微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行端環(huán)與導(dǎo)條釬焊頭的拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行，端環(huán)與導(dǎo)條拉伸試樣如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子模卡Fig.1 Rotor process physical model

圖2 端環(huán)與導(dǎo)條釬焊接頭Fig.2 brazed joint or end ring and conducting bar

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 釬料熔化溫度范圍測(cè)定

采用DSC熔化溫度測(cè)試儀測(cè)試釬料HL312和AG103 的結(jié)果（熔點(diǎn)取自溫升曲線）如表3所示。

表3 釬料熔化溫度范圍測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of melting temperature range of brazing filler metal

由表3可知，含Cd的HL312釬料熔化溫度區(qū)間整體窄于不含Cd的AG103釬料，這與Cd的降低熔點(diǎn)的作用有關(guān)。兩種釬料熔化溫度基本接近，溫度間隔差距不大，可以滿足最高釬焊工藝溫度700 ℃的要求（通常釬焊工藝溫度高于釬料液相線30～50 ℃）。熔點(diǎn)范圍較窄的釬料，即固相線與液相線溫度之間小于28 ℃的范圍，可以與任何加熱方法一起使用，并可預(yù)先放置在釬焊接頭區(qū)域［7］。兩種釬料HL312和AG103的實(shí)際釬焊工藝溫度也應(yīng)基本相當(dāng)，因此溫度對(duì)導(dǎo)條熱影響區(qū)的影響程度基本相當(dāng)，釬焊后接頭力學(xué)性能也應(yīng)基本相當(dāng)。

由表3可知，HL312熔化區(qū)間在627.3～635.9 ℃，與GB/T 10046—2018推薦的595～605 ℃有偏差；AG103熔化區(qū)間在665.4～679.1 ℃，與GB/T 10046—2018推薦的630～660℃亦有偏差，均表現(xiàn)為熔化溫度高于標(biāo)準(zhǔn)推薦，這可能與測(cè)試方法有關(guān)，但對(duì)制定釬焊的最高工藝溫度規(guī)則幾乎沒(méi)有影響。

2.2 釬劑流鋪性分析

兩種釬劑QJ102（標(biāo)識(shí)為c）和SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10（標(biāo)識(shí)為d）在550 ℃、660 ℃、700 ℃和720 ℃的流鋪性分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 釬劑流鋪性分析結(jié)果Table 4 Results of flux spread analysis

試驗(yàn)用兩種釬劑主要含硼酐、氟硼酸鉀和氟化鉀等成分，硼酐能有效地去除銅及銅合金以及釬料表面的氧化膜，同時(shí)氟硼酸鉀和氟化鉀能降低釬劑的熔點(diǎn)，提高釬劑的潤(rùn)濕鋪展性能［8］。

由表4可知，釬劑在550 ℃溫度下，兩種釬劑均未有明顯鋪展，c釬劑有飛濺；而在660 ℃時(shí)兩種釬劑均開(kāi)始鋪展，c釬劑有飛濺；兩種釬劑在700 ℃時(shí)充分展現(xiàn)出對(duì)銅基體保護(hù)及去除氧化膜，c釬劑仍有少許飛濺；在720 ℃溫度下，兩種釬劑對(duì)銅基體具有良好的保護(hù)作用。由表4可知，釬劑d整體潤(rùn)濕性略優(yōu)于釬劑c。c釬劑（QJ102）由氟化鉀（KF）、氟硼酸鉀（KBF4）、硼酐（B2O3）組成，KF熔點(diǎn)為858 ℃，降低釬劑粘度，提高流動(dòng)性，提高去除氧化物能力，但同時(shí)也具有加速材料表面氧化速率的傾向；KBF4熔化溫度為540 ℃，其溶化后分解成KF和三氟化硼（BF3），BF3具有去除致密氧化物的能力。B2O3熔化溫度為580℃，能與銅、鋅等的氧化物形成硼酸鹽，以渣的形式浮在液態(tài)釬料表面，但硼酸鹽熔化溫度高，在900℃以下流動(dòng)性差、覆蓋在液態(tài)表面不利于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行［12］。而d釬劑（SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）由四硼酸鉀（K2B4O7）、硼酸（H3BO3）和酸式氟化鉀（KF）組成，KF能將非反應(yīng)性的K2B4O7-H3BO3二元體系在700℃條件下轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性的KF-K2B4O7-H3BO3三元體系，其產(chǎn)物與金屬氧化物快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且其產(chǎn)物易于浮于液態(tài)表面、黏度小，有利于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行［13］。

2.3 釬料潤(rùn)濕性分析

兩種釬料（a：HL312，b：AG103）和兩種釬劑（c：QJ102，d：SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）在660 ℃、700 ℃和720 ℃進(jìn)行釬料潤(rùn)濕性交叉分析［12］，分析結(jié)果如表5所示。

表5 釬料潤(rùn)濕性分析Table 5 Wettability analysis of brazing filler metal

在潤(rùn)濕鋪展過(guò)程中，隨著溫度的升高，釬劑因熔點(diǎn)較低先于釬料熔化，釬劑逐漸變成液態(tài)從釬料的縫隙流出，與釬料和母材表面的氧化物進(jìn)行反應(yīng)形成漂浮在釬料表面的氧化物殘?jiān)?，?duì)熔融釬料起到機(jī)械保護(hù)作用［6，14］，這是該類(lèi)釬劑的共同特性。

由表5可知，在660 ℃、700 ℃、720 ℃三種溫度下的潤(rùn)濕試驗(yàn)，HL312、AG103兩種釬料分別與釬劑配合時(shí)，均是與SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬劑配合時(shí)潤(rùn)濕面積較大。在660 ℃、700 ℃、720 ℃三種溫度下的潤(rùn)濕試驗(yàn)，相同釬劑配合的潤(rùn)濕試驗(yàn)，均是與HL312釬料配合時(shí)潤(rùn)濕面積較大，這是因?yàn)镠L312釬料因含Cd流動(dòng)性好，SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬劑高溫耐久性好。綜合來(lái)看，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10配合潤(rùn)濕面積與HL312+QJ102最接近，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬料與釬劑配合可以作為釬料替代的目標(biāo)組合。

2.4 工藝?？ㄔ囼?yàn)

綜合前述分析，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)、外釬料體系來(lái)看，拋開(kāi)經(jīng)濟(jì)性因素影響，從釬料熔化溫度、釬料流鋪性、釬焊溫度對(duì)母材的影響，采用釬料AG103和釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合進(jìn)行某型機(jī)車(chē)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)（材質(zhì)為CuCr1Zr）與導(dǎo)條（材質(zhì)為Cu-HCP）進(jìn)行模卡工藝驗(yàn)證，釬焊工藝與原工藝相同，最高釬焊工藝溫度均為700 ℃，釬焊后拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，其中序號(hào)1～10釬焊接頭采用釬料HL312與釬劑QJ102；序號(hào)10～18釬焊接頭采用釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10。

表6 工藝?？ㄢF焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Tensile test results of brazed joints of rotor process physical model

端環(huán)與導(dǎo)條釬焊接頭拉伸后的斷裂位置均為導(dǎo)條熱影響區(qū)，由表6可以看出，釬焊后目標(biāo)釬料與釬劑力學(xué)性能與原釬料與釬劑組合的力學(xué)性能基本相當(dāng)，滿足規(guī)范要求，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合可替代HL312+QJ102組合。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)釬劑流鋪性和釬料潤(rùn)濕性分析交叉試驗(yàn)，確定了釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合可以作為目標(biāo)替代材料。

（2）經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子模卡試驗(yàn)，驗(yàn)證了釬焊工藝，釬焊后接頭力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，確定了釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10可以作為某型機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)子端環(huán)（CuCr1Zr）與導(dǎo)條（Cu-HCP）釬焊替代材料，解決了含鎘釬料無(wú)鎘化替代的問(wèn)題。