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ZnCuSnBi系高温软钎料的微观组织和性能研究目录1项目背景依据项目研究内容项目实验方案项目实验结果项目实验创新点项目成果及经费234561.项目背景依据在一些新型功能材料在连接过程中采用软钎料钎焊，接头强度和使用工作温度不能满足要求；而采用硬钎料钎焊，由于其组织和性能对温度与成分的变化极为敏感，钎焊后材料组织和性能受到较大的损伤。仪表工业常用压铸铜及镀银铜，采用硬钎料钎焊，表面会出现起泡，镀银层剥落现象；铜的再结晶退火温度为470℃左右，硬钎料钎焊后接头热影响区出现软化现象，薄件钎焊容易变形。同时，为了满足复杂部件进行多步钎焊工艺的需要，通过降低钎焊温度，减小部件的变形，节省钎焊后的整形工时，迫切希望提供熔化温度在350-500℃的钎料。如铜制散热器的钎焊，由于其生产特点，其钎焊次序不一致，如前后钎缝所用的钎料熔化温度相差不大，往往在后道钎缝的钎焊时，造成前道钎缝熔化，导致散热器的这些部位漏水，钎焊铜和钢的高温锌基钎料可以用来解决汽车拖拉机散热器水室与进出水管、冷却管与主片的钎焊，提高这些部位钎缝的再熔化温度及其强度。为彻底解决温度对钎焊技术的限制，提高汽车以及零部件钎焊接头的强度和稳定性，生产中迫切希望提供熔化温度在350-500℃的钎料。熔点在350-500℃的金属有Zn、Pb和Cd三种元素。Pb和Cd给人类环境和安全带来不可忽视的危险，不适合作钎料基础成分。Zn的熔点是419℃，加入合适的合金元素可将钎料熔化温度范围调整到350-500℃内。纯Zn很脆，组织不致密，易氧化，通过添加合金元素可以提高钎料组织致密性和性能。综合考虑各元素对组织和性能的影响，最终确定了Sn、Bi和Cu元素为锌基高温软钎料的多元合金元素，制备ZnCuSnBi系高温软钎料。为建立和完善研究成果,试验拟对ZnCuSnBi系高温软钎料熔化特性，组织和接头高温性能等基础研究。2.项目研究内容1.制备一系列Zn基高温软钎料2.研究ZnCuSnBi系高温软钎料的微观组织3.研究合金元素Sn、Bi对ZnCuSnBi系高温软钎料在Cu表面润湿性能的影响规律4.研究合金元素Sn、Bi对ZnCuSnBi系高温软钎料钎焊Cu接头耐腐蚀性的影响规律5.研究合金元素Sn、Bi对ZnCuSnBi系高温软钎料钎焊Cu接头拉伸性能的影响规律3.项目实验方案3.1钎料的制备查阅参考文献发现Zn基钎料中加入Sn和Bi元素可以改善Zn基钎料的显微组织以及力学性能，主要表现在润湿性、拉伸强度、抗腐蚀性能等。首先，进行Zn基钎料制备，实验用钎料采用纯度为99.9%的Sn、Zn、Bi混合熔炼。钎料的熔炼是在XG-5-12坩锅电阻炉中进行,熔炼温度350℃；熔炼时,合金熔化后充分搅拌均匀,并在钎料表面添加特殊配制的覆盖剂,以最大限度地减少氧化与烧损。用上述方法熔炼钎料,其成分均匀,钎料总烧损系数小于0.1%。最终制备出了含0.5%、1.24%、1.74%、2.24%和2.74%Bi元素的Zn基高温软钎料以及含3.8%、4.8%、5.8%、6.8%和7.8%Sn元素的Zn基高温软钎料。此外，向钎料中加入适量Cu元素可以提高钎料的抗拉强度。3.2钎料的微观组织钎料的微观组织决定钎料的性能，为探究ZnCuSnBi系钎料的微观组织，将已制备好的多组钎料切开，经过打磨、抛光后，使用2%HNO3酒精侵蚀剂腐蚀试样，最后使用金相显微镜观察，通过分析可知，钎料主要由基体η-Zn，浅灰色的β-Sn相以及深灰色树枝晶ε-CuZn5相组成，其中Bi相存在于β-Sn相中。3.3钎料的润湿性能项目组根据国家标准GB/T11364-2008评价了钎料的润湿性能，润湿性实验是按将0.3g实验钎料置于30mm×30mm×0.3mm无氧铜中央,使用无腐蚀活性钎剂,置于260℃恒温XG512井式电阻炉中保温30s,冷却后清洗干净,测出润湿面积。通过向Zn基钎料中分别加入不同百分比含量的Sn、Bi元素，发现不同合金元素对钎料的润湿性能有不同的影响规律。3.4钎料的耐腐蚀性研究钎焊Cu接头的耐腐蚀性强弱与ZnCuSnBi系钎料中Sn和Bi添加含量之间的关系，采用失重法。用30mm×15mm×0.3mm无氧铜作为母材，分别称取不同成分的钎料0.15克，置于300℃恒温XG-5-12井式电阻炉中，待钎料熔化后保温40s制备“T”型接头。将试样置于1vol%盐酸中浸泡24h，清洗去除试样表面的腐蚀产物。用精度为0.01mg的德国赛多利斯ME215S电子分析天平分别称取试样腐蚀前后的重量，计算腐蚀后的失重量。按相同试样方案，每组做三个试样，取平均值。3.5钎料的拉伸性能接头力学性能是按国家标准GB11363-2008进行的。钎料用量为0.2g,试件置于300℃恒温XG512井式电阻炉中,待钎料熔化后保温40s,室温下自然冷却。在CSS-44100型电子万能试验机上进行试验。4.项目实验结果4.1钎料的微观组织(a)0.5wt%Bi(b)1.5wt%Bi(c)3.8wt%Sn(d)4.8wt%Sn钎料主要由基体η-Zn，浅灰色的β-Sn相以及深灰色树枝晶ε-CuZn5相组成，其中Bi相存在于β-Sn相中。由上图可知，添加Bi后，没有形成相，Bi主要存在于β-Sn相中,随着Bi增加，Bi由点状变为链状，且含0.5wt%Bi的钎料的组织更加均匀，晶粒得到细化。随着Zn基钎料中Sn含量的增加,使基体钎料的组织得到明显的细化，枝状Sn的分布也更加均匀，这一现象将对组织的机械性能方面大有提升。4.2钎料的润湿性通过实验分析可知，向Zn基钎料中加入Sn元素可以较大的提高钎料的润湿性能。且随着含Sn量的增加，钎料的铺展速率加快，润湿面积明显增大。Bi元素的含量与Sn相比对钎料的润湿性的影响规律不同，随Bi元素增加钎料的润湿面积减小。4.3钎料的耐腐蚀性由分析可知，Bi添加量对钎焊Cu接头腐蚀性的影响规律如下，Zn基钎料中随着Bi含量的增加，接头的耐蚀性增强；Sn添加量对钎焊Cu接头腐蚀性的影响规律，添加Sn的合金抗腐蚀性明显降低了，进一步研究可知，随着Sn含量的增加，腐蚀失重先较小，后又增加。加入少量的Sn有助于提高抗腐蚀性，而Sn含量增大，接头的耐蚀性能降低。4.4钎料的拉伸强度参照国家标准GB11363-2008对钎焊接头的剪切性能进行测试，随着Zn基钎料中Bi元素含量的增加，钎料的剪切强度增大，少量Bi在基体中析出对基体起到固溶强化作用，提高了钎料强度，进而提高了接头剪切强度，但由于Bi相是脆性相，过量Bi的析出对基体反而有不利的影响，会降低基体的塑性，进而降低钎料的抗剪强度，最终导致接头剪切强度的减小。另一方面，Bi的加入在降低钎料熔点的同时也扩大了钎料的凝固区间，过量Bi的添加对钎料凝固区间影响较大。在相同的焊接条件下。凝固区间较大的钎料其熔融状态持续时间较长，进而延长了液态钎料与基板的反应时间，使得界面金属间化合物层过度生长，恶化了接头组织，从而降低了接头剪切强度。随着含Sn量增加，焊接接头的伸长率增加，当Zn基钎料中Sn含量大于4.8wt%时，钎料的抗拉强度增加。可见，添加适量的Sn有利于提高钎料的抗拉强度。综合结果分析本实验钎焊铜的高温锌基钎料是以Zn作为基础合金成分，添加Sn，Cu，Bi元素构成高温锌基钎料。添加Cu可以提高钎料的组织致密性和力学性能，钎料中添加Cu元素含量过多会使液相线显著提高，导致钎料熔化温度的提高。添加Sn和Bi元素可以改善钎料的工艺性能（润湿性，抗腐蚀性和抗剪切强度等）。钎料中添加Sn和Bi元素含量过多会使固相线降低，导致钎料熔化温度降低。本实验根据各种添加元素的作用机理，在综合考虑到钎料的成本、熔化温度范围、工艺性能、物理、化学和力学性能的基础上，对加入的合金元素进行优化，使钎料的熔化温度范围在350℃--500℃之间。最终，经过最优化实验可得Zn基钎料为Zn0.5Bi4.8Sn3Cu。5.项目实验创新点试验制备的新型Zn基高温软钎料，钎焊温度350-500℃。目前，很少发现用于钎焊铜和钢的，钎焊温度在350-550℃范围内的无铅钎料。Zn的熔点是419℃，加入合适的合金元素可将钎料熔化温度范围调整到350-500℃内；同时，Zn与Cu、Fe的相互作用能力较强，易于形成稳定的接头。结合多种强化方式细化钎料组织，完善制造工艺，提高钎料的综合性能，进一步提高接头的高温性能，抗腐蚀性能。6.项目成果及经费6.1项目实验成果（1）2013年11月，在西安参加了西安焊接技术学会第九届学术年会的交流会。（2）正在发表论文《Zn-Cu-Sn-Bi系锌基高温软钎料的组织与性能》。6.2项目实验经费支出科目金额（元）计算根据及理由资料费100复/打印资料费用调研费50快递费、差旅费实验耗材费930所需实验器材、材料仪器设备使用费1000扫描电镜、拉伸试验合计2080项目实验经费共计2000元报告完毕