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钎焊材料的选型方法 - 上海彪锐焊接材料有限公司

钎焊过程中,液态钎料在毛细填缝的同时就与母材发生相互作用,这种相互作用的推动力则来源于钎料与母材间的浓度梯度所造成的扩散。可以将这种相互作用分为两类:一是母材向液态钎料中的溶解;二是钎料组分向母材中的扩散。这些相互作用的结果会对钎焊接头的性能产生很大的影响,因此有必要分析其作用的规律。

1. 母材向液态钎料中的溶解

在钎焊过程中,溶解现象是普通存在的。例如:在1150℃下用Cu作为钎料来钎焊时,钎缝中的Fe的质量分数可以达来4.7%;当在250℃下用Sn-Pb钎料钎焊Cu时,可在钎缝中发觉块状金属间化合物Cu6Sn5。又如:电子整机厂的钎焊工使用的电烙铁经常出现“缺口”“咬牙”等现象,这就是铜质的烙铁头向钎料中溶解所造成的。

一般来说,母材适量的溶解,可以改变钎缝的组织成分,对钎料成分起合金化作用,有利于提高钎焊接头的强度。而母材过度溶解,会使液态钎料的熔点和粘度升高,流动性变差,造成不能填满钎缝间隙而形成未钎透缺陷。也有可能使母材表面出现溶蚀缺陷,严复时甚至造成母材溶穿。

在钎焊过程中,影响母材向液态钎料中溶解的因素大体上可以分为材料因素和工艺因素两类。

(1) 材料因素

所谓材料因素是指与母材和钎料的物性相关联的影响溶解过程的因素。可以想象,不同成分的母材或母材的不同组分在不同成分的液态钎料中的溶解情况显然是不同的。这种差异则主要取决于母材组分在液态钎料中的极限溶解度和极限固溶度。对此可以简单的二元共晶相图为例来加以定性的分析。

若母材A与钎料B构成如下图所示的简单共晶相图:



即二者在固态下无互溶,在液态下完全互溶,则在钎焊温度为T时,AB中的最大溶解度取决于AB中的极限溶解度,极限溶解度越大,溶解量越多。共晶点E越靠近母材A,则DE线段就越倾斜,L就越长,A的溶解量也就越大。如果用AB的共晶合金E作为钎料来钎焊A,则在钎焊温度T时,A在共晶钎料中的溶解量就取决于线段(L-L1)的长度。此时可以认为是钎料中已经预先溶解了L1”,这么多的A。所以此时的最大溶解量为(L-L1)。若共晶点E越靠近母材A,则(L-L1)线段就越短,A的溶解量就越少。

因此,为减少母材的溶解,可以在钎料中加入母材金属的成分。例如在Sn-Pb钎料中加入少量的CuAg,就可以减弱母材中CuAg向钎料中的溶解。

(1) 工艺因素

1) 温度的影响

溶解速度与温度之间存在着如下图中的关系:


一般来说,随着钎焊温度的升高,母材在钎料中的溶解速度将增加,因而单位时间内的溶解量增加。如果钎焊时在母材与钎料的交界面上形成金属间化合物,则溶解速度与温度之间就存在a图中的关系,总体趋势仍表现为温度升高溶解使溶解速度升高,但在某一温度区间内会出现溶解速度下降的现象。如下图所示:

铜在锡中的溶解速度曲线表现为在温度低于340℃时,随着温度的升高,溶解速度增大。在340~410℃之间,随着温度的升高,溶解速度减小。正是在这一温度区间内,在界面处开始形成金属间化合物,而化合物层的出现,阻碍了母材向钎料中的扩散,因而使溶解速度降低,当温度超过410℃时,界面处形成的化合物层已经具有了一定的厚度,此时的溶解已经表现为化合物层向液态钎料中的溶解,因此溶解速度又表现为随着温度的升高而连续增大。

1) 加热保温时间的影响

一般来说,在达来极限溶解度之前,溶解量是随着保温时间的延长而增加的,并且增加量基本上满足抛物线的规律。即增加量与时间的平方根成正比。

2) 钎料量的影响

显而易见的是钎料量的增加将导致溶解量的增加。这也说明为什么在熔融钎料中进行浸渍钎焊使易于发生溶蚀,而在钎焊间隙较小的情况下,母材的溶解很快就达来饱和状态。

通过上述分析可以看出,母材的溶解与钎料的成分及其与母材的组配情况和与钎焊工艺参数之间存在着密切的关系,因此要控制母材的溶解,就要挑选适当的钎料并挑选合理的工艺参数。

1. 钎料向固态母材中的扩散

钎焊过程中,在钎料润湿母材的同时就伴有扩散现象的发生。并且在此后的过程中扩散过程将连续进行。扩散本身是一种物质传输过程,在金属与合金的晶体中,原子由于热运动而导致其位置的转移。在存在浓度梯度的情况下,原子的热运动可以造成物质的宏观流动,这种现象称之为扩散。

一般来说,扩散现象可以分成自扩散和互扩散两类。所谓自扩散是指不伴有浓度梯度变化的扩散,这类扩散与浓度梯度无关,只发生在纯金属和平均股溶液中。例如在纯金属晶粒长大时,大晶粒逐步吞并小晶粒,从晶界的移动就可以看出金属原子从小晶粒向大晶粒迁移。在此过程中并不伴有浓度的变化,其推动力是界面能的降低,这一过程就是所谓的自扩散过程。

互扩散是伴有浓度梯度变化的扩散,它与异种原子的浓度差有关。在互扩散过程中,异种原子相互扩散,互相渗透,所以又叫做“异扩散”或“化学扩散”。互扩散又可分为“下坡扩散”和“上坡扩散”。前者是指沿浓度梯度下降方向进行扩散,其结果使浓度趋于平均化;后者则是指沿浓度梯度升高的方向扩散,即由低浓度向高浓度方向扩散,其结果是使浓度发生两极分化。

互扩散还可以分为“原子扩散”和“反应扩散”两类。如果在扩散过程中,基体晶格始终不变,没有新相生成,这种扩散就称为原子扩散。反之,在扩散过程中,当浓度变化来一定程度时造成了基体晶格的转变或形成新相,这样的扩散就称之为反应扩散。

如果按照扩散优先发生的部位来划分,又可分为晶内扩散、晶界扩散和表面扩散等。



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