王永彪 王嘉鑫 劉新田 張 洋 鐘素娟 劉建秀 王 艷

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 河南省機械裝備智能制造重點實驗室,河南 鄭州 450002;2.新型釬焊材料與技術(shù)國家重點實驗室,河南 鄭州 450000)

降低能耗和物耗,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和低碳技術(shù),是貫徹綠色發(fā)展理念的重要一環(huán)。藥芯焊料因其低焊劑消耗、低環(huán)境污染、高焊接質(zhì)量和低成本等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注[1-3]。熔焊藥芯焊絲是通過根據(jù)焊接接頭的環(huán)境調(diào)整藥芯合金的成分和比例來精確設(shè)計的。釬焊用藥芯銀焊料中Sn、Cu和Ni的添加提高了焊料的強度[4-6]。添加適量的B可抑制晶界鐵素體析出,促進針狀鐵素體形成,并提高合金的韌性[7]。合金的力學(xué)性能在很大程度上取決于其凝固組織,而傳統(tǒng)模擬較少涉及焊縫凝固熱力學(xué)和動力學(xué),因此有必要建立更合理的模型研究焊縫凝固行為。

本文以BAg30CuZnSn釬料為研究對象,通過對釬料微觀組織的觀察和相場模型的建立,采用試驗和模擬相結(jié)合的方法研究了釬焊后冷卻速率及B含量對釬料焊縫凝固行為的影響,這對深入理解釬料焊縫凝固微觀組織的演化規(guī)律,改善焊縫的性能具有重要意義。

1 相圖熱力學(xué)和擴散動力學(xué)計算

采用Thermo-Calc軟件對成分(摩爾分?jǐn)?shù),%)為36Cu、32Zn和2Sn的Ag-Cu-Zn-Sn合金進行熱力學(xué)計算,得到的相圖如圖1所示。

圖1 Ag-Cu-Zn-Sn合金相圖Fig.1 Phase diagram of Ag-Cu-Zn-Sn alloy

由相圖導(dǎo)出1 073 K下fcc_A1+液相共存的相平衡曲線斜率為-2.48。采用原子遷移率計算基礎(chǔ)組分Ag與其他元素之間的有效互擴散率,Mi(i=Cu,Zn,Sn)是合金組分的化學(xué)遷移率,其與雜質(zhì)擴散系數(shù)直接相關(guān)[8-10]:

(1)

式中:φ表示fcc_A1或液相;Di是示蹤劑擴散率;R是氣體常數(shù);T是溫度。所需遷移率取自遷移率數(shù)據(jù)庫TCAL3,計算結(jié)果如表1所示。

表1 元素的擴散率和遷移率Table 1 Diffusivity and mobility of elements

2 相場模型

引入一組序參量φ來表示不同的相和界面,φ滿足-1≤φ≤1,其中φ=-1表示液體,φ=1表示固相,當(dāng)?shù)趇個晶粒的φi值為1時,其他φj(j≠i)的值均為0。將界面定義為-1≤φ1+φ2+…+φN≤1,使得系統(tǒng)中的任意點都可以用矢量φ=(φ1,φ2,…,φN)來表示[11-13]:

(2)

由于合金中Sn含量較低,在模型中將其簡化,B元素作為形核質(zhì)點加入,形核模型[14]為:

(3)

式中:μn是形核參數(shù),與形核密度N0有關(guān);ΔT是過冷度;Vc是焊后冷卻速率;fs=(φ+1)/2是固相體積分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)果分析

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為60%的Cu60Sn40+40%釬劑、Cu60Sn40+38%釬劑+2%B和Cu60Sn40+37%釬劑+3%B等3種釬料進行釬焊,所得焊縫顯微組織及相應(yīng)的相場模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出:當(dāng)釬料不含B元素時,焊縫組織主要是柱狀樹枝晶,枝晶界面前沿沒有等軸晶,枝晶生長空間充足、尺寸較大,并生成了大量二次枝晶臂;加入2%的B元素后,枝晶界面前沿發(fā)生了明顯的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象;繼續(xù)增加B含量,促進了柱狀晶的生長,枝晶形核數(shù)量增加,但枝晶尖端半徑逐漸減小。因此,增加B含量有利于柱狀晶的生長和抑制等軸晶的形成。

(a)60%Cu60Sn40+40%釬劑;(b)60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B;(c)60%Cu60Sn40+37%釬劑+3%B

枝晶尖端半徑是描述枝晶生長的重要參數(shù)[14-16]。模擬了不同焊后冷卻速率下60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B釬料焊縫的枝晶形貌,如圖3(a)所示?？梢?當(dāng)冷卻速率為0.1 K/s時,少量等軸晶在液相中形核,此時枝晶尖端半徑較大,形核數(shù)量較少。當(dāng)冷速增加至0.5 K/s時,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數(shù)量增加。這是因為冷速較低時,過冷度較小,導(dǎo)致形核數(shù)量減少,枝晶生長空間充足,枝晶尖端半徑較大。隨著冷速的進一步增大,枝晶生長速度增大、生長空間減小、競爭生長加劇,從而抑制了枝晶的生長,枝晶尖端半徑減小。保持Vc=0.2 K/s不變,模擬了不同B含量下焊縫的枝晶形貌,結(jié)果如圖3(b)所示?？梢姰?dāng)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,枝晶尖端半徑較大,形核數(shù)量較少,柱狀晶前沿發(fā)生了明顯的晶型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。隨著B含量的增加,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數(shù)量逐漸增加,柱狀晶生長得到了促進,等軸晶生長受到抑制。然而,當(dāng)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到4%時,枝晶形態(tài)變化不明顯。

不同焊后冷卻速率和不同B含量下形核數(shù)量和枝晶尖端半徑如圖4所示。從圖4(a)可以看出:當(dāng)冷卻速率為0.1 K/s時,枝晶形核數(shù)為15,尖端半徑為37 μm;隨著冷卻速率的增大, 枝晶形核數(shù)量增加,尖端半徑減小。從圖4(b)可以看出:當(dāng)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,枝晶形核數(shù)為7,尖端半徑為32 μm;隨著B含量的增加,枝晶形核數(shù)逐漸增加到31,而枝晶尖端半徑減小到16.5 μm;然而,當(dāng)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時,形核數(shù)量和枝晶尖端半徑的變化不明顯,這可能是因為B含量的增加抑制了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變,但當(dāng)B含量增加到一定程度時,這種影響開始減弱。

圖3 不同焊后冷卻速率(a)和不同B含量下(b)60%Cu60Sn40+38%釬劑+2%B釬料焊縫的枝晶形貌(Vc=0.2 K/s)Fig.3 Dendrite morphologies of 60%Cu60Sn40+38% flux+2%B welding seams under different post weld cooling rates(a) and different B contents (b) (Vc=0.2 K/s)

圖4 形核數(shù)量和枝晶尖端半徑隨焊后冷卻速率(a)和含硼量(b)的變化Fig.4 Variation of nucleation number and dendrite tip radius with post weld cooling rates(a) and B content(b)

3 結(jié)論

(1)B元素的加入使得銀釬料焊縫枝晶發(fā)生了明顯的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。

(2)焊后冷卻速率的改變對焊縫顯微組織的影響較大。當(dāng)冷卻速率為0.1 K/s時,含2%B釬料焊縫的枝晶尖端半徑達到37 μm,枝晶形核數(shù)為15;當(dāng)冷卻速率增加到0.5 K/s時,枝晶尖端半徑減小到16.5 μm,枝晶形核數(shù)增加到35。

(3)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,枝晶尖端半徑達到32 μm,形核數(shù)較少為7;隨著B含量的增加,枝晶尖端半徑逐漸減小,形核數(shù)量不斷增加;而當(dāng)B質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到4%時,枝晶形貌幾乎不變,枝晶尖端半徑穩(wěn)定在17 μm左右。