微細電火花加工高硅鋁合金材料蝕除機理研究

胡富強,孫劍飛,趙曰瑞,魏軍齊,賈延東,劉廷懿

(1.哈爾濱工業大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業大學材料科學與工程學院,黑龍江哈爾濱150001)

高硅鋁合金制備的電子封裝材料由于具有質量輕(密度小于2.7 g/cm3)、熱膨脹系數低、熱傳導性能良好及高強度、高剛度,且與金、銀、銅、鎳可鍍、與基材可焊、無毒等優越性能,符合電子封裝技術朝小型化、輕量化、高密度組裝化方向發展的要求;此外,鋁、硅在地球上含量相當豐富,硅粉的制備工藝成熟,成本低廉,所以硅鋁合金材料成為一種潛在的有廣闊應用前景的電子封裝材料,受到越來越多人的重視,特別是在航空航天領域[1-3]。然而,隨著硅含量的增加,高硅鋁合金材料的脆性增加,其機械加工性能降低,尤其在電子封裝件微小結構的加工中,普通機械加工較難達到加工要求,且加工成功率較低。電火花加工由于沒有宏觀作用力,在硬、脆材料的加工中擁有極大的優勢。

不同材料的微細電火花加工過程中,材料的蝕除形式和過程是不同的,所表現出的加工規律也不同[4-5]。為了給高硅鋁合金微細電火花加工技術提供理論依據,本文建立了高硅鋁合金的簡化模型,并對高硅鋁合金微細電火花加工的材料蝕除機理進行了詳細分析。

1 高硅鋁合金的微觀結構及簡化模型

用Quanta 200F環境掃描電鏡觀察高硅鋁合金表面微觀形貌,能譜分析結果見圖1。經分析,圖1a中相對較亮的灰色區域,各元素的質量分數構成為95.48%Si和4.52%Al,為初晶硅(圖1b);圖1a中相對較黑的區域,各元素的質量分數構成為98.96%Al和1.04%Si,為純鋁(圖1c);而圖1a中亮白色的區域,各元素的質量分數構成為65.95%Al、14.16%Si和19.88%Fe,為含鐵雜質(圖1d)。

圖1 高硅鋁合金表面形貌及能譜分析結果

由于硅和鋁在噴射成形過程中先熔融成液態,硅和鋁已充分混合,在通過噴嘴噴射到沉積錠的過程中,硅和鋁一同均勻沉積在沉積錠表面,使整個材料中硅和鋁的分布非常均勻。在沉積過程中,由于初晶硅的生長方向不同,雖然形成的硅有晶相結構,但材料在整體上也可假設為各向同性。又因為在沉積過程中,初晶硅的生長程度不同,因而初晶硅的粒度和形狀也不同。根據以上分析可對高硅鋁合金建立如圖2所示的模型,圖中大小不等的多面體就代表初晶硅,其隨機均勻地分布在整個材料內,其他空間則是純鋁,由于鐵的含量很少,可忽略不計。

圖2 高硅鋁合金的簡化模型

2 材料蝕除形式研究

為了研究高硅鋁合金微細電火花加工的材料蝕除形式,通過Quanta 200F環境掃描電鏡對噴射成形Al-50 w t%Si合金微細電火花銑削加工前、以及不同加工參數加工后的被加工表面進行了微觀形貌觀察。除特殊說明外,其放大倍數均為1 500倍。同時,還通過元素能譜分析對加工前后表面元素的含量變化進行了測定。

2.1 未加工表面分析

圖3是噴射成形Al-50 wt%Si合金加工前的表面形貌及元素能譜分析結果。由于實驗樣件是用電火花線切割機床從毛坯件上切割下來的,表面留有電加工的痕跡。為了保證實驗的準確性,實驗前先用砂紙將電加工的痕跡打磨掉,并進一步將工件表面打磨成鏡面。從圖3中看到的表面形貌上的刮痕即是砂紙打磨留下的痕跡,打磨后的表面可明顯看到灰色的初晶硅、黑色的鋁及白色的含鐵雜質。經元素能譜分析可得到各元素的質量分數分別為:49.79%Si、47.83%Al和 2.38%Fe,被加工表面元素成分百分比構成符合整體元素成分百分比構成,可準確地進行實驗性能研究。

圖3 Al-50 wt%Si打磨后表面形貌及能譜圖

2.2 銅電極加工表面分析

圖4和圖5為噴射成形Al-50 wt%Si合金用銅電極在較大和較小參數下加工后的表面形貌及能譜分析圖。圖6是中等電參數的加工表面,其放大倍數為2 400倍。加工參數見表1。

表1 被加工表面對應電參數表

對2種被加工表面進行元素能譜分析,可得到較大電參數的被加工表面各元素的質量分數分別為:36.44%Si、27.54%Al、17.39%Cu 、11.03%C、4.96%O和2.66%Fe;較小電參數的被加工表面各元素的質量分數分別為:43.79%Si、26.23%Al、3.94%Cu 、21.0%C、4.32%O 和 0.72%Fe。

與未加工前的表面相比,被加工表面多出了Cu、C 和O 3種元素,Si、Al、Fe 3種元素的含量均降低。其中,較大電參數被加工表面中銅元素的含量明顯高于較小電參數中的含量,這說明較大電參數情況下,電極材料的飛濺、鍍覆作用更明顯,導致更多的銅元素留在被加工表面。碳元素的出現是由于采用正極性加工,并且使用了煤油作為工作液,在加工中煤油高溫分解,產生帶負電的游離碳,被吸附在工件表面。其中,較小電參數被加工表面中碳元素的含量明顯高于較大電參數中的含量,說明較小的電參數更利于碳黑膜的生成,能使工件表面的碳含量增加。氧元素的含量相差不大,分析其原因是由于加工后工件被長時間放置在空氣中,表面的鋁被氧化,形成 Al2O3薄膜。

觀察3種電參數水平下的表面形貌可看出:較大電參數的被加工表面放電凹坑非常明顯,表面凹凸不平,平均放電凹坑直徑大約為30 μm,且在放電凹坑表面還有大量的細小顆粒(圖4);而較小電參數的被加工表面整體較平整,放電凹坑只有幾個微米,其表面的細小顆粒也不多,且觀察不到明顯的裂紋(圖5);中等電參數的被加工表面也較平整,但表面有明顯的裂紋,最大的裂紋寬度接近5 μm(圖6)。

分析3種表面形貌的差別,其原因如下:

由于本實驗使用的微細電火花加工機床采用的是RC線路脈沖電源,如忽略機床系統自身的寄生電容,并假設每一次放電時機床的電容都完全充放電的情況下,單個脈沖放電能量可表示為:

式中:E為單脈沖放電能量,J;C為放電電容,F;U為加工電壓,V。

中等電參數下,電壓和電容不高,由式(1)可得知其單脈沖放電能量有限。同時,工件表面形成一定厚度的碳黑膜,對工件起保護作用,使放電凹坑較小,材料的濺射也較少。但是,被加工表面中初晶硅的熱應力剝除效果非常明顯,其基本原理見圖7。在加工中,被加工表面受到放電瞬時高溫作用,隨后便迅速冷卻收縮,在表面產生很大的拉應力。由于硅的脆性較大,經多次放電加熱、冷卻、再加熱,在拉應力的作用下,初晶硅的表面及初晶硅和鋁結合處形成大量微裂紋,進而裂紋生長擴大,造成初晶硅顆粒的剝落,并于放電中被拋出,形成如圖6所示的表面。

圖7 高硅鋁合金中初晶硅熱應力剝除示意圖

相對于中等電參數,當電參數較大時,由于電壓和電容較大,單脈沖放電能量很大,加工中電火花的爆炸力較強,碳黑膜不易形成,更多工件和電極材料被熔融拋出甚至氣化,形成較大的放電凹坑。同時,更多的熔融材料在工作液中形成球狀細小顆粒,除大部分被工作液帶走外,還有小部分飛濺、鍍覆到自身及對面電極表面,形成非常明顯的凹凸表面且帶有細小顆粒(小熔融液滴凝固而成)。但是,由于表面每個放電凹坑尺寸較大且互相覆蓋,熔融的硅和鋁混雜在一起,并不會形成較大的解理裂紋。

當電參數很小時,由于單脈沖放電能量小,且被加工表面形成較厚的碳黑膜,對工件所起的保護作用非常明顯,使放電凹坑很小,熔融物較少,表面整體較平整。此外,由于熱應力較小,初晶硅熱解理作用不明顯,表面沒有明顯的裂紋。

通過對3種不同參數下表面形貌的分析,可得出:一定范圍內,放電能量越大,初晶硅的熱解理現象越嚴重。

2.3 鎢電極加工表面分析

噴射成形Al-50 wt%Si合金用鎢電極在不同參數下加工后的表面形貌及能譜分析見圖8和圖9,其加工參數見表1。鎢電極在不同電參數下的被加工表面微觀形貌和銅電極在對應電參數下的被加工表面形貌特點一致,再次驗證了以上分析。

對鎢電極在不同電參數下的兩種被加工表面進行元素能譜分析,可得到較大電參數的被加工表面各元素的質量分數分別為:44.44%Si、29.54%Al、2.85%Fe、9.58%C 、4.63%O、6.42%W 和 2.53%Cu;較小電參數的被加工表面各元素的質量分數分別為 :45.32%Si、29.85%Al、2.56%Fe、15.28%C、3.32%O 、2.14%W 和1.62%Cu。兩種被加工表面的 Si、Al、Fe、C 、O 等元素的變化規律與銅電極加工表面的規律類似,其原因不再贅述,不同的是鎢電極的加工表面出現了少量的W和Cu。其中,鎢元素的出現是由于鎢電極的熔融濺射作用,可明顯看到,相同電參數下,鎢電極加工表面中鎢的含量大大小于銅電極加工表面中銅的含量,說明相同電參數下相對于銅電極,鎢電極的熔融物更少,因而濺射到工件表面的鎢含量也更少,這是鎢電極的熔點較高所致。而銅元素的出現,推測是由于本文所使用的機床長時間使用銅電極加工,工作液沒有更換和過濾,其中含有多年電加工產生的含銅雜質,在進行實驗時也被濺射、鍍覆在被加工表面。

3 材料蝕除過程分析

根據以上分析,結合電火花加工機理[6-9],可分析高硅鋁合金微細電火花加工中材料的蝕除過程,其示意圖見圖10。

圖10 材料蝕除過程示意圖

3.1 極間介質發生電離、擊穿,形成放電通道

當電極(陰極)和高硅鋁合金(陽極)之間某一點的電場強度達到100 V/μm左右時,電極表面開始逸出負電子,并在電場力的作用下向高硅鋁合金高速運動。電子在運動時撞擊到工作介質中的分子,產生雪崩式電離,并在不到0.1 μ s的時間內,使介質被擊穿,形成放電通道(圖10a)。受到放電時的磁致壓縮效應及介質的慣性壓縮效應,起初的放電通道截面非常小,但由于放電通道內各種粒子碰撞產生大量的熱,放電通道內溫度非常高。

3.2 介質熱分解、電極材料熔融、氣化熱膨脹

放電通道形成后,在電場力的作用下,電子高速向高硅鋁合金運動,電能轉化為動能;電子高速撞擊到高硅鋁合金表面,動能轉化為熱能,使被撞擊部位形成瞬時高溫熱源,初晶硅和鋁發生熔化、氣化。而正離子也在電場力的作用下,對電極進行轟擊,使電極材料發生熔化和氣化。同時,在高溫放電通道及正負極表面高溫熱源的作用下,煤油(工作介質)也被氣化,進而發生熱分解氣化,產生一系列氣體及游離碳。由電極、高硅鋁合金、煤油氣化及煤油熱分解氣化產生的氣體急速膨脹,形成強烈的爆炸沖擊波(圖 10b)。

3.3 電極材料拋出

由于放電產生的氣體膨脹,氣泡各處的瞬時壓力不等,瞬時壓力較高處的熔融初晶硅、鋁及電極材料被拋出,形成放電凹坑。被拋出的材料除大部分在工作液中冷凝成細小顆粒外,還有一部分被濺射、鍍覆在對方表面(圖10c)。此外,在材料的拋出過程中,由于氣泡擴張的慣性,氣泡內部形成負壓真空且極易崩潰,氣泡的擴張、崩潰,會使熔融的材料再次沸騰、氣化,進而被拋出。

3.4 極間介質消電離

當一個脈沖結束時,放電通道內電流降為零,被電離的工作介質進行消電離過程,恢復其原本的絕緣強度。被拋出的熔融材料所形成的電蝕產物被工作液帶走,而未被拋出的熔融材料及濺射到表面的熔融材料冷凝后形成重鑄層。同時,由于表面迅速冷卻形成表面拉應力,在拉應力的作用下,脆性較高的初晶硅表面首先出現微裂紋,并在多次放電的循環加熱和冷卻下不斷生長,出現初晶硅的小顆粒剝落(圖10d)。

4 結論

本文通過對高硅鋁合金顯微形貌的觀察和分析研究,結合其材料成形過程,建立了高硅鋁合金的簡化模型。通過加工前后表面的形貌及元素能譜分析,對高硅鋁合金微細電火花加工中材料的蝕除形式進行了研究。結合電加工的機理,分析了高硅鋁合金微細電火花加工中的材料蝕除過程,為高硅鋁合金的微細電火花加工提供了理論基礎,并得出以下結論:

(1)高硅鋁合金微細電火花加工中,材料的蝕除形式除了初晶硅和鋁的熔融拋出,還伴有初晶硅的熱解理剝落,且在一定范圍內,電參數越大,初晶硅的熱解理現象越明顯。

(2)高硅鋁合金微細電火花加工中,通過控制較小的放電能量,可降低表面熱應力,控制表面裂紋的產生。

(3)相同電參數下,鎢電極的放電熔融量比銅電極更小。

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