Ni-P 鍍層厚度對Cu/Al 接頭界面結構與力學性能的影響

張江濤，王立

(1.山西機電職業技術學院，山西 長治 046011；2.太原理工大學，太原 030024)

0 前言

Zn-Al 釬料是Cu/Al 釬焊的常用釬料，可使連接接頭具有一定的力學性能[1-12]。但是，銅鋁之間存在明顯的冶金不相容性，Cu，Al 原子的相互擴散易導致接頭Cu 母材側形成大量硬脆金屬間化合物，嚴重弱化Cu/Al 接頭性能，造成極大安全隱患。

目前，國內外針對Cu/Al 接頭界面金屬間化合物的研究已有一些研究報道。張璐瑤等學者[13]研究了鍍層對銅鋁金屬間化合物的影響，發現采用CMT焊接設有鍍層的T2 與Al 時，接頭界面金屬間化合物的厚度可減小為17.05 μm。Yu 等學者[14]研究Ni 鍍層對鋁/鋼異種金屬釬焊界面反應的影響，發現Ni 鍍層可有效阻隔原子擴散，改變接頭界面組織結構，從而提高接頭強度。Liu 等學者[15]研究了Ni-Fe-P 鍍層在鋅鋁釬料連接中的界面反應和擴散阻隔性能，證實Ni-Fe-P 鍍層可以抑制鋅鋁釬料界面化合物的互連，提高接頭強度。Muhammad 等學者[16]研究了銅鋁攪拌摩擦焊時超聲波振動對接頭處金屬間化合物的影響，發現超聲波振動可一定程度上減小化合物層厚度，改善接頭性能。Wang 等學者[17]研究了擴散釬焊參數對Cu/Al 接頭組織和性能的影響，結果表明：通過控制擴散釬焊工藝參數可以控制接頭界面化合物的生長，但接頭仍較脆。Samanta 等學者[18]研究了應用于APIX70 鋼上的Ni-P 鍍層，結果表明：Ni-P 鍍層以非晶結構為主，鍍層較致密，且具有優異的耐高溫滲透性，可有效阻隔原子擴散。

從上述研究結果看，Cu/Al 接頭界面金屬間化合物的有效抑制措施為Cu/Al 間接釬焊，即在銅上制備鍍層，特別是非晶的Ni-P 鍍層，有效阻礙Cu，Al 原子擴散。但是，鍍層厚度過大會惡化接頭性能，過小會弱化阻隔原子擴散的功效。因此，需進一步研究鍍層厚度對接頭性能的影響規律，從而確定最佳的鍍層厚度，實現Cu/Al 接頭的高效間接釬焊。文中設計了一系列不同Ni-P 鍍層厚度的T2 紫銅，采用Zn98Al 釬料高頻釬焊T2 與3003 鋁合金，系統研究了鍍層厚度對Cu/Al 接頭界面結構和力學性能的影響規律，并探討了鍍層厚度對Cu/Al 釬焊界面結構的調控機制。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為3003 鋁板和T2 純銅板，其尺寸均為60 mm × 20 mm × 3 mm。鋅基釬料成分為Zn98Al2。

1.2 試驗方法

T2 紫銅表面Ni-P 鍍層制備方法：砂紙打磨—除油除銹—水洗—化學鍍Ni-P（pH=4.8，溫度80 ℃，時間1 min，3 min，5 min，10 min，15 min，20 min，25 min，30 min，40 min 等一系列時間，從而獲得一系列不同Ni-P 鍍層厚度的T2 銅板），采用金相顯微鏡、掃描電鏡觀察T2 銅板表面鍍層形貌。

釬料潤濕性試驗方法：根據GB/T 11364—2008《釬料潤濕性試驗方法》進行潤濕性能試驗，試驗基板為48 mm × 48 mm × 1.5 mm 的不同厚度鍍層T2 紫銅板，釬料量為0.1 g。

高頻釬焊方法：將釬料裁切成合適片狀置于接頭處，涂覆適量的氟鋁酸銫鋁釬劑。采用高頻感應焊機對Cu/Al 搭接接頭（搭接長度2 mm 左右）進行加熱，使釬料熔化、鋪展、填縫，形成冶金結合。

利用電子萬能試驗機對Cu/Al 接頭進行抗剪強度測試，利用金相顯微鏡、掃描電鏡觀察接頭界面組織及斷口形貌，并借助能譜分析儀進行微區成分測定。

1.處理好審與被審的關系。能否處理好與被審計對象工作上的溝通協調問題，直接影響著審計組的工作質量和效率。審計組長要引導審計組成員樹立“監督是手段，服務是目的”的理念，以一種平等待人的態度，不卑不亢，既不以勢壓人，也不低三下四。比如，在對被審計單位進行審計過程中，要注重發揮審計的監督性作用，同時也要發揮審計的建設性作用，既要對服務對象工作中取得的成績予以肯定，同時也要指出工作中存在的問題，取得被審計單位的理解、支持與配合，構建和諧的審與被審關系。

2 結果與討論

2.1 銅板表面鍍層形貌

為研究鍍層厚度對釬料性能的影響，文中設計了一系列化學鍍時間，通過金相設備自帶軟件測定，T2銅板上Ni-P 鍍層的厚度值分別為2 μm，4 μm，5 μm，8 μm，15 μm，18 μm，20 μm，25 μm，28 μm。圖1 為典型鍍層厚度銅板表面的金相形貌。可以看出，鍍層厚度小于5 μm 時，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時，鍍層邊緣均呈鋸齒狀，不平齊，此時沉積的鍍層較疏松，與銅板之間還未來得及形成致密結合；鍍層厚度處于5～20 μm 之間時，鍍層的邊緣比較平齊，鍍層與銅板之間實現了致密結合；鍍層厚度大于20 μm 時，即鍍層厚度為25 μm，28 μm 時，此時銅板表面的鍍層較厚，鍍層與銅板之間同樣實現了結合。

圖1 典型鍍層厚度銅板表面的金相形貌

圖2 為銅板表面Ni-P 鍍層的微觀形貌及能譜分析結果。可以看出，Ni-P 鍍層的結晶細致，孔隙率低，表面沒有顆粒沉積現象，不存在晶界、位錯等晶體缺陷，為非晶結構。由能譜分析結果可知，Ni-P 鍍層表面主要元素為Ni-P，其中P 元素質量分數約為8.59%。

圖2 銅板表面Ni-P 鍍層的微觀形貌及能譜分析結果

2.2 鍍層厚度對釬料潤濕性能的影響

圖3 為釬料在典型鍍層厚度銅板上的鋪展潤濕形貌。可以看出，釬料在無鍍層銅板上的潤濕性能較差，潤濕角較大；釬料在鍍層厚度小于5 μm 的鍍層銅板上的鋪展潤濕性能改善不大，不但鋪展面積較小，且潤濕角大于10°；相反，釬料在5～20 μm 鍍層的銅板上的鋪展潤濕性能較好，鋪展面積較大，幾乎是無鍍層銅板上鋪面面積的3 倍。

圖3 釬料在典型鍍層厚度銅板上的鋪展潤濕形貌

圖4 為釬料在不同鍍層厚度銅板上的鋪展面積曲線圖。可以看出，隨著鍍層厚度增加，釬料鋪展面積呈先緩慢增加、后急劇增加、然后緩慢減少、最后大幅減少的總體趨勢。當鍍層厚度為0 μm（無鍍層）時，釬料的鋪展面積僅為62.4 mm2；當鍍層厚度小于5 μm 時，隨鍍層厚度增加，釬料在銅上的鋪展面積僅有小幅緩慢增加，鋪展面積最大值為78.1 mm2；當鍍層厚度為5～20 μm 時，隨著鍍層厚度增加，釬料在銅上的鋪展面積先急劇大幅增加后趨于緩慢降低；當鍍層厚度為8 μm 時，釬料在銅板上的鋪展面積達最大值，為189.5 mm2，此階段，釬料的鋪展面積較恒定、釬料的鋪展潤濕性能較好；當鍍層厚度＞ 20 μm 時，釬料的鋪展面積開始大幅減少，當鍍層厚度達28 μm 時，鋪展面積已減少至138.3 mm2。這是因為，鍍層厚度較薄時，銅板表面并未被鍍層完全覆蓋，釬料的鋪展潤濕性能不能得到較好促進；當鍍層厚度為5～20 μm時，銅板表面被致密鍍層完全覆蓋，釬料相當于在Ni-P 鍍層上潤濕。由于Zn-Al 釬料中的Al 與鍍層中的Ni 會發生反應形成鋁鎳化合物，從而降低表面張力，促進釬料潤濕鋪展。然而，當鍍層厚度較厚時，鍍覆時間過長，鍍層變色呈現黑色，出現逆反應或其他副反應（見圖5）。鍍層變黑，內部可能出現黑渣和氧化夾雜（見圖6），反而會惡化釬料的鋪展潤濕性能。

圖4 鍍層厚度對釬料鋪展面積的影響

圖5 不同鍍層厚度試樣表面的宏觀形貌

總而言之，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時，Ni-P鍍層可顯著改善釬料在鍍層銅板上的鋪展潤濕性能；與無鍍層銅相比，釬料的鋪展潤濕面積可增加近3 倍。

2.3 鍍層厚度對接頭Cu 側界面組織影響

圖6 為Cu/Al 接頭中Cu 側界面組織。可以看出，無鍍層時，接頭Cu 側界面組織主要為一層較厚的灰色鋸齒狀化合物，從Cu 側界面向釬縫中生長；當鍍層厚度小于5 μm，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時，接頭Cu 側界面有一層不連續也不致密的鍍層，鍍層中夾雜一層較厚的灰色層狀化合物；當鍍層厚度為5～20 μm 時，接頭Cu 側界面有一層灰色致密鍍層，鍍層釬縫側生長一層較薄化合物層；當鍍層厚度大于20 μm，即鍍層厚度為25 μm，28 μm 時，接頭Cu 側界面鍍層厚度較厚且邊緣不規則，鍍層開始向釬縫中熔解，出現大量孔洞或黑色氧化夾雜。

圖7 為接頭Cu 側界面微觀組織形貌，表1 為圖7中不同區域EDS 分析結果。可以看出，無鍍層接頭中，Cu 側界面為一層8.8 μm 的較厚的鋸齒狀化合物層。由EDS 分析結果和相圖可知，該鋸齒狀化合物為Cu3.2Al4.2Zn0.7（見A 點能譜結果）。鍍層厚度小于5 μm時，即在鍍層厚度為2 μm，4 μm 的接頭中，Cu 側界面為一層疏松、不致密的鍍層，該鍍層無法阻擋Cu，Al原子的擴散，界面結構仍為Cu3.2Zn4.2Al0.7化合物，只是夾雜了少量的Ni，P 原子（見B 點能譜結果）。鍍層厚度為5～20 μm 的接頭中，Cu 側界面由一條淺灰色過渡帶和一層較薄的1.5 μm 厚的化合物層組成，淺灰色過渡帶為Ni-P 鍍層（見D 點能譜結果），化合物層為Al3Ni 化合物（見C 點能譜結果）。鍍層厚度大于20 μm，即在鍍層厚度為25 μm，28 μm 的接頭中，Cu 側界面結構由不規則鍍層和少量Al3Ni 化合物組成。此時，鍍層中大量Ni，P 原子擴散進入釬縫，鍍層發生了熔解（見E，F 點能譜結果），開始出現孔洞、夾雜等缺陷，鍍層邊緣不規則且含有O 元素。

圖7 接頭Cu 側界面微觀組織形貌

圖8 為鍍層厚度28 μm 的接頭面掃描能譜分析結果。驗證了鍍層較厚時鍍層中Ni，P 原子會大量向釬縫擴散，鍍層發生部分熔解，且含少量O 原子。

圖8 鍍層厚度為28 μm 的接頭面掃描能譜分析結果

總之，鍍層厚度為2 μm，4 μm 時，鍍層不能有效阻隔Cu，Al 原子的擴散，接頭Cu 側界面結構仍為較厚的Cu3.2Al4.2Zn0.7化合物層；當鍍層厚度為5～20 μm時，鍍層可以有效阻隔Cu，Al 原子的擴散，界面結構轉變為鍍層+較薄的Al3Ni 化合物層；當鍍層厚度為25 μm，28 μm 時，化學鍍覆的時間過長，大量的Ni，P原子擴散進入釬縫，鍍層發生部分熔解。此時，界面結構轉變為不規則的Ni-P 鍍層+孔洞、夾雜缺陷 +較薄的Al3Ni 化合物，接頭性能下降。可見，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時，可有效調控接頭Cu 側界面結構，從而調控接頭性能。

2.4 鍍層厚度對接頭力學性能的影響

圖9 為不同鍍層厚度Cu/Al 接頭的抗剪強度曲線。可以看出，隨著鍍層厚度增加，接頭剪切強度呈先升后降的總趨勢。無鍍層時，接頭抗剪強度僅為32 MPa；當鍍層厚度小于5 μm 時，即鍍層厚度為2 μm，4 μm 時，接頭抗剪強度幾乎不變；當鍍層厚度為5～8 μm 時，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強度急劇大幅上升；當鍍層厚度為8～15 μm 時，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強度緩慢上升；當鍍層厚度為15 μm 時，接頭抗剪強度達最大值39 MPa；當鍍層厚度為15～20 μm時，接頭抗剪強度有小幅下降，但變化不大；當鍍層厚度為20～28 μm 時，隨著鍍層厚度增加，接頭抗剪強度開始急劇下降，當鍍層厚度為28 μm 時，接頭抗剪強度降至30.6 MPa，此時，比無鍍層接頭抗剪強度還低。

圖9 鍍層厚度對接頭抗剪強度的影響

總而言之，鍍層厚度處于5～20 μm 之間時，接頭抗剪強度不小于34.5 MPa，遠高于無鍍層接頭強度。這是因為，合適的鍍層厚度不但有助于改善釬料在鍍層銅板上的鋪展潤濕性能，而且還是很好的阻隔層，有效阻擋了Cu，Al 原子的擴散，使接頭中Cu 側界面組織結構發生改變，從而改變接頭的力學性能。另外，鍍層中大量Ni 原子，P 原子擴散進入釬縫，對接頭抗剪強度也起一定提升作用。

圖10 為Cu/Al 接頭拉伸斷口的宏觀形貌（左側Cu，右側Al）。可以看出，無鍍層接頭斷口較平齊光亮，Cu 側有較厚的銀灰色的Cu3.2Al4.2Zn0.7化合物，接頭從母材Cu 側化合物層斷開；當鍍層厚度小于5 μm時，接頭Cu 側裸露到Cu 的顏色，鍍層較薄或被剝離，接頭從鍍層結合面處斷開；當鍍層厚度為5～20 μm時，接頭Cu 側斷口處鍍層均勻、平齊，接頭從鍍層側的鋁鎳化合物層斷開；當鍍層厚度大于20 μm 時，接頭Cu 側斷口有大量馬蜂窩狀的孔洞和黑色氧化夾雜，接頭仍從鍍層鋁鎳化合物層處斷開。這進一步驗證了，當鍍層厚度處于5～20 μm 之間時，鍍層與銅母材的結合強度較高。這是因為接頭沒有從鍍層與銅母材的結合處撕開，而是從鍍層與鋁母材間的焊縫處撕開，證明了鍍層與銅母材間的結合強度高于焊縫強度。鍍層與銅母材的結合強度高，可有效阻止Cu，Al 原子的擴散，從而減焊縫界面處的化合物層厚度，同時鍍層中的Ni 原子擴散進入焊縫，起到彌散強化的作用，有助于增強釬焊接頭強度。

圖10 接頭斷口宏觀形貌

3 結論

（1）隨著鍍層厚度增加，釬料在鍍層銅上的鋪展面積呈先升后降的趨勢。與無鍍層銅板相比，當鍍層厚度為5～20 μm 時，釬料的鋪展面積由62.4 mm2增加到最大值189.5 mm2，增加了近3 倍。

（2）隨著鍍層厚度增加，接頭Cu 側界面結構發生明顯變化。與無鍍層接頭相比，當鍍層厚度小于5 μm時，接頭Cu 側界面結構仍為粗大的Cu3.2Zn4.2Al0.7化合物層；當鍍層厚度為5～20 μm 時，鍍層有效阻隔了原子擴散，接頭Cu 側界面結構變為鍍層+較薄的Al3Ni 化合物層；當鍍層厚度大于20 μm 時，接頭Cu側界面結構轉變為部分熔解的不規則鍍層+Al3Ni 化合物層。

（3）隨著鍍層厚度增加，接頭剪切強度呈先升后降的趨勢。當鍍層厚度為15 μm 時，接頭剪切強度達最大值39 MPa，比無鍍層接頭強度相比，提高了21.8%。

（4）綜合考慮釬料的鋪展潤濕性能、接頭Cu 界面組織結構及接頭力學性能，確定銅板上最佳Ni-P鍍層厚度為5～20 μm。