電機轉子釬料無鎘化替代研究

謝貴生，武媛，劉溢泉

中車永濟電機有限公司，山西 永濟 044502

0 引言

含鎘（Cd）銀基硬釬料在礦山機械、鐵路機車牽引電機轉子端環與導條接頭釬焊連接等均有應用，此類含鎘硬釬料是銀基釬料中性能最好的一種釬料，因為其熔化溫度低，潤濕性和鋪展性好，力學性能也相對較好，價格適中。其缺點是鎘為有害元素，鎘蒸氣對人體危害極大，從勞保和環保視角出發，含鎘釬料應逐漸被無鎘釬料取代，歐盟和中國已將該類釬料列入限用禁用物質行列，同時含鎘BAg40CuZnCd釬料釬焊接頭熱可靠性差［1-7］。

不同含鎵（Ga）量銀釬料鋪展性能試驗結果表明，針對不同的基板材料，含鎵釬料表現出了較為明顯的差異性。對于紫銅基板，添加少量的Ga、In元素改善Ag-Cu-Zn釬料鋪展性能的效果并沒有添加適量Sn的效果好；而對于黃銅基板，Ga的添加對Ag-Cu-Zn釬料的鋪展性能提升顯著，添加2wt.%Ga的Ag-Cu-Zn-Ga-Sn釬料的鋪展面積比Ag-Cu-Zn-Sn釬料增加約50%；從掃描電鏡分析結果可知，Ga的添加對銀釬料的釬縫顯微組織影響有限，少量的Ga固溶體通過彌散進銀釬料基體中，可以在一定程度上強化釬縫的強度。但是相比于對銀釬料力學性能的影響，Ga等元素的添加作用更多體現在對銀釬料熱力學的影響上［8］。Sn在銅中的固溶度較低，過量的添加Sn會導致合金的脆性急劇增大，釬料加工成形困難［9］。贠東海［10］研究了Sn含量對含銀30wt.%的Ag-Cu-Zn釬料的影響，指出釬料中2wt.%以上的Sn會明顯改變釬料的組織特征，使晶粒粗化且形成脆性相，嚴重降低釬料的韌性。Sn元素熔點為232 ℃，加入少量的Sn可以顯著降低Ag-Cu—Zn三元合金的固、液相線及縮小熔化區間。適量的Sn具有細化共晶組織的作用，對釬料和釬縫的強度有所提高。Sn雖是一種很好地替代Cd的元素，但Sn在銅中的溶解度不大，隨著Sn含量的增加，釬料的加工性能惡化，其強度明顯下降，使釬料脆性增大［11］。

鑒于前述含鎘硬釬料的優缺點，以及無鎘釬料添加Ga和Sn含量對釬料Ag-Cu-Zn系釬料的綜合性能影響，本文選擇Ag-Cu-Zn-Sn系釬料，控制Sn含量，選用目標釬料BAg55ZnCuSn（即AG103）替代目前公司用BAg40CuZnCdNi（即HL312）含Cd釬料。測定了目標釬料熔化區間，研究了目標釬料配套用釬劑流鋪性、釬料潤濕鋪展性、模卡工藝性和釬焊接頭力學性能，為鼠籠式轉子釬焊用含Cd釬料的替代提供了生產實踐參考。

1 試驗材料與方法

1.1 化學成分分析

采用化學分析法對含Cd釬料BAg40CuZnCdNi（即HL312）和無Cd釬料BAg55ZnCuSn（即AG103）進行分析，兩種釬料的化學成分如表1所示。兩種釬料化學成分均符合GB/T 10046—2018標準要求，可以采用該批釬料樣品進行相關工藝驗證。

表1 HL312和AG103的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of HL312 and AG103 （wt.%）

1.2 釬料熔化溫度檢測

表2 釬料固相線和液相線Table 2 solidification line and melting line of brazing filler metal

1.3 釬劑流鋪性試驗

采用高溫潤濕爐，釬劑QJ102（標識為c）和釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Typ-FH10（標識為d）各取0.2 g放置于銅板上，在550 ℃、660 ℃、700 ℃和720 ℃下分別進行釬劑流鋪性分析。

1.4 釬料潤濕性試驗

采用高溫潤濕爐，各取0.2 g釬料（HL312、AG103）和0.5 g釬劑（QJ102、SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）放置于銅板上，分別在660 ℃、700 ℃和720 ℃進行釬料潤濕性交叉分析。

1.5 鼠籠式轉子模卡工藝試驗

鼠籠式轉子鐵心模卡結構如圖1所示，端環材質為CuCr1Zr，導條材質為Cu-HCP，無鎘釬料和釬劑根據前述試驗優選結果確定。釬料替代后的釬焊工藝最高溫度仍為700 ℃保持不變。釬焊后，將端環6等份，并將端環與導條接頭組件自鐵芯槽中打出，用線切割方法將每個端環與導條接頭分割，保證每個導條兩側距端環至少3 mm，且保證端環兩側平行，便于端環與導條拉伸試樣夾持，采用CMT微機控制電子拉力試驗機進行端環與導條釬焊頭的拉伸試驗，拉伸試驗按照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行，端環與導條拉伸試樣如圖2所示。

圖1 轉子模卡Fig.1 Rotor process physical model

圖2 端環與導條釬焊接頭Fig.2 brazed joint or end ring and conducting bar

2 試驗結果與分析

2.1 釬料熔化溫度范圍測定

采用DSC熔化溫度測試儀測試釬料HL312和AG103 的結果（熔點取自溫升曲線）如表3所示。

表3 釬料熔化溫度范圍測試結果Table 3 Test results of melting temperature range of brazing filler metal

由表3可知，含Cd的HL312釬料熔化溫度區間整體窄于不含Cd的AG103釬料，這與Cd的降低熔點的作用有關。兩種釬料熔化溫度基本接近，溫度間隔差距不大，可以滿足最高釬焊工藝溫度700 ℃的要求（通常釬焊工藝溫度高于釬料液相線30～50 ℃）。熔點范圍較窄的釬料，即固相線與液相線溫度之間小于28 ℃的范圍，可以與任何加熱方法一起使用，并可預先放置在釬焊接頭區域［7］。兩種釬料HL312和AG103的實際釬焊工藝溫度也應基本相當，因此溫度對導條熱影響區的影響程度基本相當，釬焊后接頭力學性能也應基本相當。

由表3可知，HL312熔化區間在627.3～635.9 ℃，與GB/T 10046—2018推薦的595～605 ℃有偏差；AG103熔化區間在665.4～679.1 ℃，與GB/T 10046—2018推薦的630～660℃亦有偏差，均表現為熔化溫度高于標準推薦，這可能與測試方法有關，但對制定釬焊的最高工藝溫度規則幾乎沒有影響。

2.2 釬劑流鋪性分析

兩種釬劑QJ102（標識為c）和SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10（標識為d）在550 ℃、660 ℃、700 ℃和720 ℃的流鋪性分析結果見表4。

表4 釬劑流鋪性分析結果Table 4 Results of flux spread analysis

試驗用兩種釬劑主要含硼酐、氟硼酸鉀和氟化鉀等成分，硼酐能有效地去除銅及銅合金以及釬料表面的氧化膜，同時氟硼酸鉀和氟化鉀能降低釬劑的熔點，提高釬劑的潤濕鋪展性能［8］。

由表4可知，釬劑在550 ℃溫度下，兩種釬劑均未有明顯鋪展，c釬劑有飛濺；而在660 ℃時兩種釬劑均開始鋪展，c釬劑有飛濺；兩種釬劑在700 ℃時充分展現出對銅基體保護及去除氧化膜，c釬劑仍有少許飛濺；在720 ℃溫度下，兩種釬劑對銅基體具有良好的保護作用。由表4可知，釬劑d整體潤濕性略優于釬劑c。c釬劑（QJ102）由氟化鉀（KF）、氟硼酸鉀（KBF4）、硼酐（B2O3）組成，KF熔點為858 ℃，降低釬劑粘度，提高流動性，提高去除氧化物能力，但同時也具有加速材料表面氧化速率的傾向；KBF4熔化溫度為540 ℃，其溶化后分解成KF和三氟化硼（BF3），BF3具有去除致密氧化物的能力。B2O3熔化溫度為580℃，能與銅、鋅等的氧化物形成硼酸鹽，以渣的形式浮在液態釬料表面，但硼酸鹽熔化溫度高，在900℃以下流動性差、覆蓋在液態表面不利于反應的持續進行［12］。而d釬劑（SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）由四硼酸鉀（K2B4O7）、硼酸（H3BO3）和酸式氟化鉀（KF）組成，KF能將非反應性的K2B4O7-H3BO3二元體系在700℃條件下轉化為反應性的KF-K2B4O7-H3BO3三元體系，其產物與金屬氧化物快速發生化學反應，且其產物易于浮于液態表面、黏度小，有利于反應的持續進行［13］。

2.3 釬料潤濕性分析

兩種釬料（a：HL312，b：AG103）和兩種釬劑（c：QJ102，d：SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10）在660 ℃、700 ℃和720 ℃進行釬料潤濕性交叉分析［12］，分析結果如表5所示。

表5 釬料潤濕性分析Table 5 Wettability analysis of brazing filler metal

在潤濕鋪展過程中，隨著溫度的升高，釬劑因熔點較低先于釬料熔化，釬劑逐漸變成液態從釬料的縫隙流出，與釬料和母材表面的氧化物進行反應形成漂浮在釬料表面的氧化物殘渣，對熔融釬料起到機械保護作用［6，14］，這是該類釬劑的共同特性。

由表5可知，在660 ℃、700 ℃、720 ℃三種溫度下的潤濕試驗，HL312、AG103兩種釬料分別與釬劑配合時，均是與SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬劑配合時潤濕面積較大。在660 ℃、700 ℃、720 ℃三種溫度下的潤濕試驗，相同釬劑配合的潤濕試驗，均是與HL312釬料配合時潤濕面積較大，這是因為HL312釬料因含Cd流動性好，SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬劑高溫耐久性好。綜合來看，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10配合潤濕面積與HL312+QJ102最接近，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10釬料與釬劑配合可以作為釬料替代的目標組合。

2.4 工藝模卡試驗

綜合前述分析，結合目前國內、外釬料體系來看，拋開經濟性因素影響，從釬料熔化溫度、釬料流鋪性、釬焊溫度對母材的影響，采用釬料AG103和釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合進行某型機車牽引電機轉子端環（材質為CuCr1Zr）與導條（材質為Cu-HCP）進行模卡工藝驗證，釬焊工藝與原工藝相同，最高釬焊工藝溫度均為700 ℃，釬焊后拉伸試驗結果如表6所示，其中序號1～10釬焊接頭采用釬料HL312與釬劑QJ102；序號10～18釬焊接頭采用釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10。

表6 工藝模卡釬焊接頭拉伸試驗結果Table 6 Tensile test results of brazed joints of rotor process physical model

端環與導條釬焊接頭拉伸后的斷裂位置均為導條熱影響區，由表6可以看出，釬焊后目標釬料與釬劑力學性能與原釬料與釬劑組合的力學性能基本相當，滿足規范要求，AG103+SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合可替代HL312+QJ102組合。

3 結論

（1）經過釬劑流鋪性和釬料潤濕性分析交叉試驗，確定了釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10組合可以作為目標替代材料。

（2）經過轉子模卡試驗，驗證了釬焊工藝，釬焊后接頭力學性能滿足規范要求，確定了釬料AG103與釬劑SAXONIA Braze Tec h Paste-Type-FH10可以作為某型機車轉子端環（CuCr1Zr）與導條（Cu-HCP）釬焊替代材料，解決了含鎘釬料無鎘化替代的問題。