锌合金火焰钎焊用钎料研究

GXF360 2017-12-21

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黄俊兰龙伟民董显吕登峰

(郑州机械研究所新型钎焊材料与技术国家重点实验室，郑州 450001)

摘要以4种钎料对ZAT10锌合金进行了火焰钎焊。通过研究4种钎料的熔化温度、浸润性能、钎焊接头力学性能和钎缝气孔率，从中选取综合性能较优的SnZn-1钎料；采用扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)进一步研究了该钎焊接头的组织和成分。研究结果表明， SnZn-1钎焊接头的抗拉强度高达62 MPa、气孔率约为10%,钎缝界面区组织大部分是均匀的等轴晶组织，且发生了钎料和母材的相互溶解和扩散，从而获得优质的钎焊接头。

关键词： 锌合金火焰钎焊抗拉强度气孔率

0 序言

锌合金尤其是变形锌合金具有优良的综合性能，在某些领域成为铜合金的理想替代品，在电子通讯、卫浴、五金建筑、机电、服装等集群产业具有广阔的应用前景[1-9]。

目前国内外锌合金钎焊一般使用低温软钎焊，所用钎料主要是无铅钎料Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Bi，Sn-Zn，或者以它们为基础的三元或多元系列合金。从熔点、毒性、资源和价格来看，Sn-Zn系钎料是最佳选择[10-14]。

但是，传统的Sn-Zn系无铅钎料存在许多不足：由于Zn极其容易氧化和腐蚀，导致钎料氧含量高、洁净度低，用于锌合金产品钎焊时普遍存在润湿性差的缺点，易导致钎焊产品产生气孔、夹杂、沙眼等缺欠，这些缺欠不能满足锌铝合金钎焊产品后续装饰与功能性电镀要求，严重制约了锌合金代铜产品的推广应用。

文中采用4种Sn-Zn钎料火焰钎焊用于锌铝卫浴件的ZAT10锌合金，对比分析了钎料的熔化温度、浸润性能、钎焊接头强度和钎缝气孔率，从而找出了理想的锌合金钎焊材料(锌铝卫浴件接头强度50 MPa，钎缝气孔率要低)，同时考察了钎焊接头的组织及成分，为锌合金产品开发和应用中的钎焊连接提供新的理论依据。

1 试验材料及方法

试验母材成分和钎料成分见表1～2。首先将锌合金加工成国标GB/T 11363—2008《钎焊接头强度试验方法》中的标准平板拉伸试样。采用表2中钎料进行火焰钎焊。钎料铺展润湿性能试验方法是根据国家标准GB/T 11364—2008《钎料铺展性及填缝性试验方法》进行。母材为40 mm×40 mm×1.5 mm的锌合金板。钎料熔化温度测试是采用WCR-2A型号差热分析仪(DTA)测量Sn-Zn钎料的熔化温度。根据GB/T 11363—2008《钎焊接头强度试验方法》进行钎焊接头强度测试。

表1 ZAT10锌合金的化学成分(质量分数，%)

AlCuTiZn10.21.250.01余量

表2 钎料成分(质量分数，%)

编号ZnCuAgPdSnSnZn-19000.05余量SnZn-2500.30余量SnZn-301.03.00.03余量SnZn-400.83.50余量

钎缝气孔率测试方法为选取20个钎焊接头，观察并计算有气孔缺陷接头所占比例。

采用常规方法制取钎焊接头金相样品，利用扫描电镜观察钎焊接头组织形貌并进行微区成分分析。

2 试验结果及分析

2.1 钎料的熔化温度

利用DTA测试4种钎料的固液相线温度，测试结果如图1所示。从图中看出，SnZn-3钎料和SnZn-4钎料的固液相线温度相差不大，熔化温度均较高；其次是SnZn-2钎料；熔化温度最低的是SnZn-1钎料，其熔化温度区间也较窄。

图1 钎料的熔化温度

SnZn-3钎料和SnZn-4钎料的熔化温度较高，是因为二者中均含有高熔点元素Ag和Cu，钎料的固液相线温度提高，钎料的熔化温度区间变宽。

SnZn-2钎料是亚共晶钎料，熔化温度稍高。

SnZn-1钎料熔化温度较低，熔化区间较窄，是因为SnZn-1钎料除含有0.08%的Pd元素外，还含有9%的Sn元素，接近Sn-Zn二元共晶钎料。Sn与Zn形成大

量低熔共晶相，降低了钎料的熔化温度，特别是显著降低钎料的液相线温度。

2.2 钎料的铺展润湿性能

钎料在母材上的润湿性能取决于具体条件下的三相间σgq(固-气)、σyq(液-气)、σyg(液-固)界面间界面张力的相互作用。润湿角θ与三种界面张力之间存在如下关系：

cosθ=(σgq-σyg)/σyg

钎料中若含有能与母材发生反应形成固溶体或中间相元素，则能加速液态钎料内层原子向固体母材中扩散，也就是减小σyg，有利于钎料在母材上的铺展。

4种Sn-Zn钎料在锌合金表面的铺展面积如图2所示。由图2可知，SnZn-1钎料的润湿性能较好，铺展面积较大，约为76 mm2；SnZn-3钎料的润湿性能次之，铺展面积约为71 mm2，SnZn-2钎料和SnZn-4钎料的润湿性能较差，铺展面积分别约为62 mm2和58 mm2。

SnZn-1钎料的润湿性能较好、铺展面积较大，首先是因为SnZn-1钎料的熔化温度区间较窄、流动能力较强；其次是SnZn-1钎料在锌合金表面铺展时，钎料中的Zn元素与母材中的Al元素互溶度较大，液态钎料中的Zn元素以较快的速度向母材晶间渗透，从而大大促进了钎料的铺展；再者SnZn-1钎料还含有0.08%的吸氢元素Pd。1体积的Pd能吸收900～1 200体积的氢气。微量Pd加入到钎料中，起到强烈脱氧作用，显著提高钎料的洁净度。钎料洁净度的提高，不仅改善钎料本身的强度和塑性，特别是对钎料在母材上的铺展润湿性能有利。

图2 钎料的铺展面积

2.3 钎焊接头强度及钎缝气孔率

图3a为钎焊接头拉伸强度测试结果：SnZn-4钎料的钎焊接头强度较高，约为71 MPa，其次是SnZn-3钎

料，钎焊接头强度约为66 MPa，接着是SnZn-1钎料，钎焊接头强度约为62 MPa，钎焊接头强度较低的是SnZn-2钎料，约为55 MPa。可见，4种钎料接头强度均满足锌铝卫浴件接头强度50 MPa的使用要求。

SnZn-3钎料和SnZn-4钎料中均含有Ag元素和Cu元素。Ag元素和Cu元素均能使钎料组织细化、富Zn相得到改善，有助于钎料韧性和强度的提高，从而提高钎焊接头强度。

SnZn-1钎料接头强度之所以高于SnZn-2钎料接头强度，一方面是因为SnZn-1钎料中含有较高的Zn元素，Zn元素向钎料中适度溶解，使钎料成分合金化，有利于提高接头强度；另一方面是钎料中含有洁净元素Pd。微量Pd起到强烈脱氧作用，使钎料洁净度提高。钎料洁净度的提高，会有效减少钎焊接头中的气孔、沙眼、夹杂等缺欠，有助于提高接头强度。

图3b为钎缝气孔率测试结果：SnZn-1钎料钎缝气孔率约为10%，气孔率最低；SnZn-4钎料钎缝气孔率约为50%，气孔率最高。

图3 接头的抗拉强度和钎缝气孔率

图4为钎缝形貌图，可以看出SnZn-1钎缝气孔、夹渣缺欠少，SnZn-4钎缝气孔、夹渣缺欠多。

图4 钎缝宏观形貌图

SnZn-1钎料的铺展润湿性能较好，钎缝气孔率较低，原因是SnZn-1钎料是近共晶钎料、钎料与母材能相互溶解，促使钎料铺展润湿性能较好；SnZn-1钎料中又含有洁净元素Pd，钎料洁净度提高。钎料的铺展润湿性能和洁净度提高均有助于降低钎缝气孔率。

2.4 钎焊接头的组织成分分析

图5为SnZn-1钎料钎缝区A点和界面区B点与SnZn-1钎料的主要化学成分对比。图6为SnZn-1钎料钎焊接头组织形貌。表3为SnZn-1钎料钎缝区A点、界面区B点的EDS分析结果。

钎缝区包括钎缝中心区和扩散区，不仅有锡锌钎料的共晶组织，还有少量Zn,Al 扩散到钎缝区与Sn,Zn形成化合物。图5为钎缝不同区域成分与钎料成分的对比。可以看出，钎缝区除含有钎料中所有的元素外，还包含Zn和Al元素，而且Sn组元也相应减少，这是因为在钎焊加热作用下，母材金属原子溶解，从而有少许原子向钎缝中心过渡，钎料组分也向母材中扩散，在钎缝中心区重新结晶后，使得这一区域的组织和成分与原始的钎料不同。

图5 钎缝不同区域成分与钎料成分对比图

图6 钎缝组织形貌

表3 钎缝不同区域能谱分析结果(质量分数，%)

元素AlSnZn钎缝区A3.3385.5411.13界面区B3.6533.8562.50

结合表3和图6，界面区有大量的黑色颗粒状Zn化合物从母材中渗透出来；另外在该区域也存在着均匀分布的白色状Sn化合物，这表明在钎焊过程中母材与钎料发生了充分的化学反应。如图5所示，钎缝界面区包含了母材与钎缝的所有化学元素，这是母材与钎料相互扩散、渗透的结果。界面区物相之间的相互交错提高了接头的结合性。该区域的原子分布受钎焊温度和钎焊时间所影响，当钎焊温度一定时，随着保温时间的延长，钎焊接头界面区的元素扩散作用增强，钎焊接头晶粒从母材区到界面区再到钎缝区是由小到大逐渐变化的。钎缝界面区较宽，可以看出钎料与母材的反应比较剧烈，这保证了接头抗拉强度的提高。

3 结论

(1)研究的4种钎料中，SnZn-1钎料综合性能较好，其熔化温度较低，铺展润湿性能较好，特别是钎缝气孔率较低约10%，是理想的锌合金钎焊材料。

(2)钎焊过程中存在钎料的扩散及母材的溶解过程，液态钎料中溶解了母材中较多的高熔点Al元素，母材中溶解了钎料中的Zn元素。

(3)钎缝界面区母材原子和钎料原子充分结合，产生了交互结晶，并形成了均匀的等轴晶粒，形成了良好的钎焊接头。

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