Cu-P基非晶钎料性能及钎焊机理的研究

论文摘要

银基钎料的熔点适中,工艺性好,并具有良好的强度、韧性、导电性、导热性和抗腐蚀性,是应用极广的硬钎料.但是大多数银基钎料都含有毒元素镉,而且成本很高.为了避免污染环境,降低成本,代银钎料一直是国内外钎焊领域的研究前沿和热点,具有较大的经济效益和社会效益。传统铜磷钎料的熔点低、流动性好,钎焊温度接近银钎料。能很好地润湿铜及其合金,钎料中的P还可以还原氧化铜,还原后生成的氧化物成液态覆盖于金属表面防止氧化。因此钎焊铜时可不用钎剂,钎焊接头具有较高的强度及导电性,且接头的脆性比钎料本身小,是500～800℃温度范围内钎焊铜及铜合金取代银基钎料的理想材料。但传统铜磷钎料含P量均在5%以上,由于含磷量高,钎料基体中含有大量的脆性化合物Cu3P,导致钎料在室温呈脆性,接头强度和韧性比银基钎料差很多,钎料加工困难,用传统方法很难制成箔带;另一方面,磷铜钎料不耐硫化腐蚀,对黑色金属的润湿性差,且与Fe和Ni等元素作用生成脆性相,因此其应用范围受到了限制。实际生产中需要一种钎焊性能更好的铜磷基钎料。如何在保持铜磷钎料现在优点的基础上,进一步改善其性能,尤其是室温脆性和可成型性,以扩大其应用范围,是钎料发展的一个方向。采用快速凝固技术制取非晶态钎料是获得综合性能优良的Cu-P钎料的重要手段之一,而且可使工艺大为简化。非晶钎料熔点比普通钎料熔点低,焊缝的抗拉强度和冲击强度优于含银钎料,所以不但用于普通铜和铜合金的钎焊,还应用于高科技领域中要求高精度、高可靠性的焊接场合。美日等发达国家已将其取代传统钎料,做为新一代钎料广泛用于航天、航空、电子、能源、交通、军工、汽车和民用等工业领域。但与发达国家相比,国内目前仍处于落后地位,因此开展铜磷非晶钎料的研究意义深远。本文在理论分析的基础上,设计了几种不同成分的Cu-P基钎料合金,采用单辊急冷装置将其制备成钎料箔带,采用DTA、XRD等分析手段研究了其熔化特性和结构。在上述研究的基础上,选择综合性能较好的急冷钎料钎焊紫铜,研究了钎料成分、结构和钎焊工艺等对急冷钎料在紫铜上润湿性和接头力学性能及微观组织的影响,通过非晶钎料和晶态钎料的对比,分析了非晶钎料的钎焊机理。试验结果表明:CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2箔带钎料、三种含Zr系列Cu-P基箔带钎料及CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2B0.03箔带钎料的结构主要为非晶。CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2Zr0.04常规钎料的组织主要由初生（Cu、Ni）3P+（α-Cu+Cu3P）共晶+（α-Cu+Cu3P+δ）共晶组成。急冷钎料和常规钎料相比,润湿性明显提高。添加合金元素Zr与B均对钎料的润湿性起到了有利的影响,其中B的影响效果比较明显。随着钎焊温度的上升及钎料保温时间的延长,钎料的润湿性提高;但过高的钎焊温度和过长的钎焊保温时间,由于P的挥发将导致钎料铺展面积的减小。在相同工艺条件下,非晶钎料钎焊接头的剪切强度均高于常规钎料。过高的钎焊温度与过长的钎焊保温时间均对钎料接头剪切强度有不利影响。钎焊接头主要分钎缝中心区、界面区以及扩散区三个部分,随钎焊温度提高或保温时间增加,晶态钎料和非晶钎料钎焊接头界面区和扩散区不断增大,母材热影响区和钎缝中心组织也不断粗化。过高的钎焊温度或过长的保温时间,均会使界面区出现脆性相,但非晶钎料这种影响要小得多。研究发现:在相同条件下,非晶钎料和母材的相互作用明显比相应的晶态钎料剧烈,其钎缝界面区与钎缝中心组织明显均匀、细小,各元素中Sn、P元素的扩散能力最强,Ni元素最弱。随钎焊温度提高或保温时间增加,合金元素P、Sn向母材的扩散加剧,有利于得到均匀连续的固溶体界面层,但过高的钎焊温度或过长的保温时间,会导致界面区出现脆性相,降低接头性能。在相同条件下,非晶钎料的钎缝界面区出现脆性的P、Sn化合物的可能性较小。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究工作的背景及意义
• 1.2 快速凝固技术的发展与现状
• 1.3 非晶态合金的特性
• 1.4 非晶形成条件及制备方法
• 1.5 铜磷钎料的研究现状及发展
• 1.5.1 传统铜磷钎料的研究现状
• 1.5.2 非晶铜磷钎料的研究现状
• 1.6 本课题研究目的及内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 钎料熔化温度范围测定
• 2.4 钎料结构分析
• 2.5 钎料润湿性试验
• 2.6 钎焊接头剪切强度试验
• 2.7 微观组织分析
• 第3章 Cu-P 基非晶钎料的制备
• 3.1 前言
• 3.2 钎料合金成分设计
• 3.2.1 合金元素的作用
• 3.2.2 Cu-P 基钎料成分的选择
• 3.3 Cu-P 基箔带钎料的制备
• 3.4 Cu-P 基钎料的熔化特性
• 3.4.1 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2 钎料的熔化特性
• 3.4.2 含锆 Cu-P 基钎料的熔化特性
• 3.4.3 含硼 Cu-P 基钎料的熔化特性
• 3.5 Cu-P 基钎料的 X 射线衍射分析
• 3.5.1 CuP7.7Sn5Ni14Si0.2 钎料的 X 射线衍射分析
• 3.5.2 含锆 Cu-P 基急冷钎料的 X 射线衍射分析
• 3.5.3 含硼 Cu-P 基急冷钎料的 X 射线衍射分析
• 3.6 分析与讨论
• 3.6.1 合金元素对急冷钎料熔化特性和结构的影响
• 3.6.2 Cu-P 基钎料结构对其熔化特性的影响
• 3.7 Cu-P 基钎料物相分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 Cu-P 基钎料在紫铜上的润湿性研究
• 4.1 前言
• 4.2 合金元素对 Cu-P 基钎料润湿性的影响
• 4.3 钎焊工艺对 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2Zr0.04 非晶钎料润湿性的影响
• 4.4 钎焊工艺对 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2B0.03 非晶钎料润湿性的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 Cu-P 基非晶钎料钎焊紫铜接头的连接强度及组织
• 5.1 前言
• 5.2 含锆 Cu-P 基钎料钎焊紫铜的连接强度
• 5.2.1 钎焊工艺对 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2Zr0.04 钎料钎焊紫铜接头连接强度的影响
• 5.2.2 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2Zr0.04 非晶钎料钎焊接头微观组织
• 5.3 含硼 Cu-P 基非晶钎料钎焊紫铜的连接强度
• 5.3.1 钎焊工艺对 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2B0.03 钎料钎焊紫铜接头连接强度的影响
• 5.3.2 CuP7.7Sn5.4Ni14Si0.2B0.03 非晶钎料钎焊接头微观组织
• 5.4 本章小结
• 第6章 Cu-P 基非晶钎料钎焊紫铜的钎焊机理研究
• 6.1 前言
• 6.2 钎焊温度对钎焊接头界面结构的影响
• 6.3 钎焊保温时间对钎焊接头成分及组织的影响
• 6.4 钎焊温度对钎焊接头成分及组织的影响
• 6.5 晶态钎料与非晶钎料钎缝中的元素扩散对比
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 摘要
• Abstract