合金元素對鋁基釬料組織和性能的影響

(西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；)

·先進材料及能源·

合金元素對鋁基釬料組織和性能的影響

王 艷，徐 強，盧 紅，冉 楊，王君君

(西華大學材料科學與工程學院，四川 成都 610039；)

采用正交試驗法設計低熔點Al-Si-Cu-Mg系釬料成分，通過金相、硬度、鋪展及差熱等方法，分析釬料的顯微組織及性能。結果表明：釬料的組織主要由基體相α-Al、粒狀相Mg2Si、骨骼狀相Al2Cu(θ相)，以及θ相和Mg2Si的復雜共晶組成；合金元素對顯微硬度及熔化特性的影響由主到次的順序為Cu、Si、Mg；受金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出的影響，當Cu、Si含量達到一定值(10% Cu、7.5% Si)后，釬料鋪展面積變化不大，試驗配方中Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg熔點529℃時，鋪展面積大，綜合性能良好。

鋁基釬料；顯微組織；鋪展性能；低熔點；顯微硬度

Al-Si系釬料具有良好的流動性和潤濕性，同時釬焊接頭的抗腐蝕性和可加工性也較好，因而在鋁及其合金的釬焊中得到了廣泛應用；但是此系釬料的熔點在577 ℃左右，若用Al-Si系釬料釬焊熔點較低的鋁合金如6063時，釬焊溫度將非常接近其固相線溫度615 ℃，易出現母材晶粒粗大、溶蝕缺陷，因此研制更低熔點的鋁基釬料具有重要的現實意義。國外在低溫鋁基釬料的研究方面做了不少工作：90年代初期，歐共體曾投資幾十萬英鎊支持英國、德國、法國、荷蘭對低熔點鋁基釬料進行了研究(項目號為BRITE/EURAM NO.3082-90[1])，但其效果不很理想；日本的茅本隆司、恩澤忠男等[2-3]研制的Al-Si-Ge-Mg-Yb-In系釬料，采用Ge、Yb、In等元素降低熔點，由于生產成本等原因，國內很少采用[2]。我國目前主要以加入Cu元素達到降低熔點的目的，如北京航空航天大學研制的Al-Si-Cu-Ni系釬料，熔點535.8 ℃，在570 ℃時與母材潤濕良好[4-5]，但該釬料的固相線溫度仍較高。為進一步降低釬料熔點，本文選用成本較低且能顯著降低釬料熔點的Cu、Si和可有效清除鋁合金表面氧化膜的Mg作為添加元素，分析Cu、Si、Mg元素對Al-Si-Cu-Mg系鋁基釬料組織、性能的影響，以期為研制新型的低熔點鋁基釬料提供一定的參考。

1 試驗方法

根據銅含量對Al-Si-Cu合金的液相線及硬度的影響，在Cu的質量分數為20%附近材料硬度上升較快，確定Cu的質量分數最大為20%，再根據銅為20%的Al-Si-Cu-Mg合金狀態圖，初步擬定Si質量分數在5%-10%，Mg在0.4%-1.2%之間。試驗采用正交試驗得到9組配方，其名義成分見表1。

表1 釬料名義成分

釬料試樣經打磨、拋光后用混合酸(體積分數0.5%的HCl、體積分數0.5%的HF、體積分數1.5%的HNO3)腐蝕5 s，用OLYMPUS-TOKYO型金相顯微鏡進行組織觀察，在 S-3400N型掃描電鏡下用Oxford能譜儀(EDS)分析微區成分；利用HVS-1000硬度計進行硬度測試，實驗加載0.98 N，保載15 s，每個試樣上打5個點，取平均值；以6063鋁合金為基板，其尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，并按照GB 11364—1989規定進行鋪展試驗；采用SDTQ600型差示掃描量熱儀進行熔化特性分析。

2 試驗結果及分析

2.1 合金元素對組織的影響

由圖1—3可知，釬料組織主要由白色的基體相、亮色粒狀相、黑色骨骼狀相和灰色絮狀相構成，富硅現象使得硅以共晶或以初晶形式存在。根據圖4 X線衍射結果并結合能譜數據，白色的基體相中w(Al)=96.70%，w(Cu)=1.59%，w(Si)=1.71%，故該相為α-Al，α相為面心固溶體，力學性能優良。黑色骨骼相中w(Al)=45.69%，w(Cu)=54.31%，故該相分子式為Al2Cu，即θ相，θ硬而脆。亮色粒狀相中w(Mg)=63.12%，w(Si)=26.88%，故該相分子式為Mg2Si。而灰色絮狀相為Al-Cu-Si-Mg構成的復雜共晶體Al4Cu2Mg8Si7。

由圖1可知，銅含量較低時，組織中骨骼相θ甚微；隨Si和Mg量的增加，亮色粒狀結構即Mg2Si含量增加；該相作為硬質相分布于晶界，阻礙晶粒長大，使釬料變形阻力增加。

(a)Al-5Si-4Cu-0.4Mg

(b)Al-7.5Si-4Cu-0.8Mg

(c)Al-10Si-4Cu-1.2Mg

結合圖1、圖2可知，隨Cu 、Mg、Si含量的增加，組織中枝晶結構由不規則排列向規則排列過渡，枝晶形態在Si為7.5%時趨于完整化。比較圖2(c)和圖2(b)，發現圖2(c)中Mg2Si相較少而多角形初晶硅較多，兩種結構均可阻礙晶粒長大，但初晶硅作用小于Mg2Si，故組織較圖2(b)粗大。

(a)Al-5Si-10Cu-0.8Mg

(b)Al-7.5Si-10Cu-1.2Mg

(c)Al-10Si-10Cu-0.4Mg

圖2 銅的質量分數為10%時的金相組織

與圖1、圖2比較，可發現圖3中θ相雖較多，但非連續分布，組織中未見完整的枝晶結構，晶粒細小、均勻，這對釬料力學性能的提高是有利的。圖3(a)及圖3(b)中共晶Si在晶界析出，可改善初晶Si對基體的不利影響，尤其是當Si的質量分數達到7.5%時，各相分布均勻，該釬料的綜合性能良好。圖3(c)中Si的質量分數達10%時，存在較多多角形初晶Si，其截面形狀呈片狀，這種形狀的Si相力學性能較差[4-5]，增加釬料的脆性。Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg樣品的X線衍射圖譜如圖4所示。

(a)Al-5Si-20Cu-1.2Mg

(b)Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg

(c)Al-10Si-20Cu-0.8Mg

圖3 銅的質量分數為20%時的金相組織

圖4 Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg樣品X線衍射圖譜

2.2 合金元素對硬度的影響

表2為釬料顯微硬度HV0.1。采用極差分析法，以各水平最大硬度值與最小硬度值之差為極差值，間接反應出合金元素含量與硬度的關系，極差分析結果RCu、RSi、RMg分別為153、136.4、60.8，由此，硬度測試各因子由主→次的順序為Cu、Si、Mg。

根據極差分析結果，合金元素對顯微硬度的影響規律見圖5，可見試驗成分范圍內銅和硅元素的加入均較大幅度提高釬料的硬度，結合組織分析，Cu、Si量增加時，硬脆相θ含量增加，強化相Mg2Si也增加，同時更多的Si以多角形初晶硅存在，提高釬料硬度。Mg元素質量分數在0.4%～0.8%內增加時，釬料硬度增加，隨Mg元素的繼續加入，Mg2Si含量增加，從而使初晶Si和共晶Si減少(見圖1—3)，故在一定范圍內降低釬料硬度，提高塑性。這就面臨鋁基釬料的可加工性問題，由于硬度的提高，塑性降低，在大于200 HV時就很難加工成薄板或者履帶型的釬料，所以在其他性能允許的情況下，可以適當地降低 Si，Cu的含量，提高Mg的含量。

表2 釬料顯微硬度(HV0.1)

圖5 各元素對釬料硬度的影響規律

2.3 合金元素對熔化特性的影響

釬料熔點的測試結果見表3。根據Al-Si二元合金相圖(略)，共晶點Si的質量分數為12.6%，共晶溫度為577 ℃，向Al-Si釬料中加入Cu后，構成Al-Cu-Si三元合金[6-7](略)，其共晶成分Cu的質量分數為26.7%， Si的質量分數為5%，共晶溫度大大降低(525 ℃)。Mg也可顯著降低鋁基釬料的熔點；但在此類成分設計中，主要是利用其活性，對鋁基起保護作用，因此，本研究Mg用量較少。

表3 釬料的熔點

由正交試驗的極差理論對釬料液相線溫度進行分析,極差分析結果RCu、RSi、RMg分別為143、33、18，故3因子對釬料熔點的影響由主→次的順序為Cu、Si、Mg。Cu元素起主要作用，同時由于Al-Cu-Si有較低的三元共晶溫度，Cu、Si聯合作用，降低熔點效果明顯。圖6示出了Cu、Si、Mg對釬料熔點的影響規律，由圖6(a)可知，釬料Cu的質量分數從4%增加到10%時，釬料固相線溫度急劇下降，繼續提高Cu的質量分數(從10%→20%), Cu對釬料熔點的影響減弱。圖6(b) Si對釬料熔點的影響規律和Cu相似，即從5%增加到7.5%時，釬料固相線溫度降低明顯，在7.5%至10%范圍內增加時，對熔點的影響作用滯緩。圖6(c)示出Mg元素在較低含量范圍內變化時，對釬料熔點的影響不明顯，但當含量較高時(從0.8%→1.2%)，可較大幅度降低釬料熔點。在實際生產中以Mg作為添加元素時更多的是利用其較高的金屬活性，對鋁起保護作用。

圖6 各元素對釬料熔點溫度的影響規律

2.4 合金元素對鋪展面積的影響

550 ℃時，1#-4#釬料不熔化，余下5#-9#號釬料鋪展面積測試結果見表2。可以看出，5#釬料鋪展面積受釬焊溫度的影響較大，釬焊過程中溫度控制不嚴，易出現母材的溶蝕，而9#釬料在550°附近鋪展性能不良。

熔融釬料沿母材表面的鋪展是受多種因素制約的，而金屬間相互作用的性質是主要因素。Cu元素能和Al作用，形成α+Al2Cu；而Si、Mg元素在高溫和實溫下在鋁中的溶解度都較高，因此母材基體對Cu、Si、Mg元素吸引力較大，減小了釬料對母材的潤濕角，提高了釬料的鋪展性能。但隨Cu、Si、Mg元素的增加，釬料中有金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出，對減小界面張力的作用有限，因此Cu、Si含量增加到一定程度時，釬料鋪展性能不再提高。結合組織分析，釬料Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg晶粒細小，且初晶Si較少，各相分布均勻，釬料綜合性能良好。

表4 釬料鋪展面積 mm2

3 結論

1)Al-Si-Cu-Mg釬料的組織主要由基體相α-Al、粒狀相Mg2Si、骨骼狀相Al2Cu(θ相)，以及θ相和Mg2Si的復雜共晶組成。隨Cu、Si元素含量的增加，完整的枝晶結構逐漸消失，在Cu 的質量分數20%, Si 的質量分數7.5%時，晶粒細小，各相分布均勻。

2)硬度試驗各因子由主→次的順序為：Cu、Si、Mg；在試驗成分范圍內， Al-Si-Cu-Mg釬料的顯微硬度隨Cu、Si含量的增加而增加，Mg的質量分數大于0.8%以后，隨Mg含量的增加硬度有所降低。

3)Al-Si-Cu-Mg釬料的熔點隨Cu、Si、Mg含量的增加而降低。極差理論分析結果表明，Cu是主要因子，Si次之，Mg最小。受金屬間化合物Al2Cu和Mg2Si以及初晶Si析出的影響，當Cu、Si含量達一定值(10% Cu、7.5% Si)后，釬料鋪展面積變化不大，9組成分配方中，Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg在試驗溫度條件下，鋪展面積較大，與母材的潤濕效果佳，綜合性能優良。

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(編校：夏書林)

EffectofAlloyElementsontheMicrostructureandPropertiesofAl-baseSolder

WANG Yan, XU Qiang, LU Hong, RAN Yang, WANG Jun-jun

(SchoolofMaterialScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Alloy composition of low melting-point Al-Si-Cu-Mg solder is designed with orthogonal experiment, the microstructure and properties of the solder are analyzed by means of metallographic examination, hardness measurement, spreadability and differential thermal test method. The results show that the microstructure of solder brazing is mainly composed of matrix phase α -Al, granular phase Mg2Si, skeletal shape phase Al2Cu (θ phase), and the θ phase and Mg2Si complex eutectic. Effects of alloying elements on microhardness and melting characteristic from primary to secondary are: Cu, Si, Mg. Affected by intermetallic compound Al2Cu and Mg2Si as well as the precipitation of primary crystal Si, the spreading areas of solder change little after the contents of Cu, Si reach a certain value (10%Cu, 7.5%Si). And as for the Al-7.5Si-20Cu-0.4Mg at melting-point 529℃ ，the spreading area get larger and the combination properties is good in experimental formula.

Al-base solder; microstructure; spreadability; low melting-point；microhardness

2014-01-10

四川省教育廳重點項目(13ZA0030)；西華大學重點科研基金項目(Z1220114)。

王艷(1970—)，女，副教授，博士，主要研究方向為焊接材料及焊接工藝。

TG454

：A

：1673-159X(2015)01-0017-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.01.003