Ti對Ag—Cu 系活性釬料微觀組織及性能的影響

王 毅，雷 凱，董 文，楊春光

（1.長春工程學(xué)院機電工程學(xué)院 長春 130012；2.一汽轎車股份有限公司 長春 130000）

Ag—Cu—Ti系合金是常用的活性釬料，廣泛應(yīng)用于陶瓷、金剛石、立方氮化硼（c—BN）等材料與金屬的連接［1－7］。1947年，Bondley發(fā)明了 TiH2活性金屬法連接陶瓷與金屬，后經(jīng)Bender等人的改進(jìn)，該方法發(fā)展成為Ag—Cu—Ti直接釬焊法［8］。Ag—Cu—Ti直接釬焊法通過活性元素Ti與陶瓷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在陶瓷表面分解形成新相，產(chǎn)生化學(xué)吸附機制，從而實現(xiàn)陶瓷與金屬的牢固連接。近年來，Ag—Cu—Ti系活性釬料的研究主要集中在活性釬料成分優(yōu)化，活性元素Ti及工藝參數(shù)對陶瓷/金屬界面潤濕性、接頭組織與性能的影響規(guī)律［9－12］，而有關(guān)活性元素Ti對釬料自身組織與性能的研究較少?；钚栽豑i在釬料釬焊連接過程中起決定性作用，Ti含量的增加，一方面提高釬料對陶瓷的潤濕性［13］，另一方面促進(jìn)了Ti與釬料中Ag、Cu元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成AgTi、CuTi等脆性化合物，降低陶瓷/金屬界面結(jié)合強度［14］。因此研究Ti對Ag—Cu系活性釬料組織與性能的影響是十分重要的。

c—BN超硬材料因為具有優(yōu)越的物理、化學(xué)和力學(xué)性能而得到廣泛應(yīng)用，逐漸成為釬焊研究的熱點之一。本文采用c—BN為母材，研究了Ti對Ag—Cu系活性釬料微觀組織與力學(xué)性能的影響，為開發(fā)釬焊陶瓷和超硬材料（如金剛石與c—BN）等新型活性釬料提供理論指導(dǎo)。

1 實驗材料及方法

釬料采用顆粒大小為直徑180～200μm，純度為99.99%的銀、銅、鈦金屬均勻混合放入VQB—10WD型高真空釬焊爐中熔煉而成，熔煉溫度為920℃，真空度高于7.9×10－3Pa，釬料化學(xué)成分如表1。試驗用的c—BN是由湖南旭光新材料發(fā)展有限公司提供的，表面無鍍膜，粒度為250μm～300μm。將熔煉后釬料制成200mg潤濕試驗樣品，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB11364—89，研究Ag—Cu—Ti系活性釬料在c—BN聚晶片表面的潤濕性，作為評定釬料對c—BN顆粒潤濕性的依據(jù)。按國家標(biāo)準(zhǔn)GB11363—89，研究Ag—Cu—Ti系活性釬料釬焊接頭的力學(xué)性能。接頭采用真空釬焊連接，在CSS—44100型電子萬能試驗機上進(jìn)行靜態(tài)拉伸，拉伸速率為6mm/min。采用 HXD—1000TM型數(shù)字式顯微硬度計測試釬料的顯微硬度。采用FeCl3∶HCl∶H2O＝5∶10∶100的腐蝕液對釬料進(jìn)行腐蝕，應(yīng)用XJZ—6型光學(xué)顯微鏡、JSM—5310型掃描電鏡（SEM）及能譜儀（EDS）研究釬料的微觀組織及釬焊冶金特性。

表1 Ag—Cu—Ti系活性釬料成分/wt%

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 Ti對Ag—Cu系釬料潤濕性和力學(xué)性能的影響

釬料對母材的潤濕性是影響釬焊連接質(zhì)量的重要因素。含有活性元素Ti的Ag—Cu系活性釬料對c—BN具有較好的潤濕性能。圖1為Ti對Ag—Cu系活性釬料在c—BN表面潤濕性的影響規(guī)律。含Ti6wt%時，釬料在c—BN表面的潤濕角為27°～30°，釬料潤濕鋪展后，在釬料潤濕前沿形成了一定面積，與釬料顏色不一樣的潤濕環(huán)；含Ti12wt%時，釬料熔化后完全鋪展?jié)櫇馽—BN，潤濕角＜8°，潤濕環(huán)面積最大，如圖2所示。顯而易見，含Ti量對釬料潤濕c—BN有重要影響。隨著含Ti量增加，釬料對c—BN的潤濕性提高，潤濕角降低，潤濕環(huán)面積增大。分析其原因，釬料中含Ti量的增加，增大了Ti的活性，促進(jìn)了釬料中活性元素Ti與c—BN發(fā)生反應(yīng)；Ti含量越高，釬料與c—BN界面反應(yīng)越充分，在界面處形成有利于活性釬料潤濕的新相，這些新相具有與金屬相同的結(jié)構(gòu)，降低液態(tài)活性釬料與c—BN間的固—液界面張力，為液態(tài)釬料潤濕和鋪展創(chuàng)造良好條件，從而改善釬料對c—BN的潤濕性。

圖1 Ti含量對潤濕角的影響

圖2 Ag—Cu—Ti潤濕PCBN的表面形貌

圖3是Ti對Ag—Cu系活性釬料顯微硬度及釬焊接頭強度的影響規(guī)律。由圖3可見，隨著釬料含Ti量的增加，釬料顯微硬度提高，釬焊接頭強度降低。含Ti6wt%時，釬料顯微硬度為308.04HV，釬焊接頭強度為71.2MPa；含Ti12wt%時，釬料顯微硬度為335.16HV，釬焊接頭強度降低到48.4MPa，降低了32.02%，釬焊接頭斷裂發(fā)生在釬縫的中心部位。圖4是釬焊接頭的斷口形貌。含Ti6wt%的釬焊接頭斷口形貌由細(xì)小的韌窩加少量解理組織組成，表現(xiàn)為以塑性斷裂為主，隨著釬料中含Ti量的增加，斷口的韌窩減少，解理組織增多，接頭塑性降低。含Ti12wt%時，釬焊接頭斷口形貌為層狀撕裂與少量解理面混合斷口，表現(xiàn)為以脆性斷裂為主。在Ag—Cu—Ti系活性釬料中，Ti與Ag、Cu是強烈形成化合物元素，含Ti量越高，形成脆性化合物反應(yīng)越激烈，必然會影響接頭力學(xué)性能，結(jié)果導(dǎo)致釬料脆性增大，釬焊接頭強度和塑性降低。

圖3 Ti含量對釬料顯微硬度及接頭強度的影響

2.2 Ag—Cu—Ti系活性釬料的微觀組織

Ag—Cu—Ti系活性釬料的組織由Ag—Cu基及其上分布的Cu—Ti、Ag—Ti等化合物組成。圖5是4種不同成分Ag—Cu—Ti系活性釬料的微觀組織，圖6是對應(yīng)釬料的X射線衍射分析結(jié)果。Ag67.68Cu26.32Ti6釬料由白色α—Ag固溶體、少量黑色α′—Cu固溶體及大量灰色Ag—Cu共晶組織組成；Ag66.24Cu25.76Ti8釬料中α—Ag固溶體呈彌散分布，共晶組織減少；Ag64.8Cu25.2Ti10釬料的α—Ag固溶體明顯增多，晶粒細(xì)化，且均勻分布于釬料中，AgTi、CuTi3、Cu4Ti3等金屬間化合物增加；Ag63.36Cu24.64Ti12釬料α—Ag固溶體進(jìn)一步細(xì)化呈枝狀發(fā)展，金屬間化合物明顯增加，且有新相Cu3Ti產(chǎn)生，并伴隨有裂紋生成。試驗結(jié)果表明，含Ti量對Ag—Cu系活性釬料的微觀組織影響明顯，當(dāng)含Ti量在6～8wt%時，釬料主要由Ag—Cu共晶、α—Ag、α′—Cu固溶體和化合物相組成，隨含Ti量增加，α—Ag固溶體和化合物相增加，共晶組織減少；當(dāng)含Ti量在12wt%時，釬料主要由α—Ag固溶體和金屬間化合物相組成，在釬料結(jié)晶時產(chǎn)生的瞬時熱應(yīng)力作用下，引起微裂紋的形成。根據(jù)Ag—Cu—Ti三元相圖液相投影圖（圖7）［15］也可證實，隨溫度的變化活性元素Ti與Ag、Cu發(fā)生反應(yīng)，生成金屬間化合物，且隨含Ti量的增加，Ti與Ag、Cu反應(yīng)越激烈，形成的金屬間化合物越多，導(dǎo)致釬料顯微硬度提高，釬焊接頭強度和塑性降低。

圖4 釬焊接頭斷口形貌

圖5 AgCuTi釬料的微觀組織

圖6 AgCuTi釬料X射線衍射分析曲線

2.3 Ag—Cu—Ti系活性釬料釬焊c—BN的冶金特性

掃描電鏡觀察，隨含Ti量的增加，Ag—Cu—Ti系活性釬料與c—BN的界面反應(yīng)層逐漸變寬，表明X射線衍射及能譜分析結(jié)果表明，釬焊后釬料與c—BN結(jié)合界面的主要物相為c—BN、TiB2、TiN等，如圖9所示。排除原有相c—BN，界面反應(yīng)產(chǎn)物主要是TiB2和TiN。由此可見，釬料中活性元素Ti與c—BN之間有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，通過反應(yīng)在c—BN表面分解形成新相。Ti通過化學(xué)反應(yīng)在c—BN的表面形成新相，有利于液態(tài)活性釬料對c—BN的潤濕性。圖8是Ag64.8 Cu25.2Ti10釬料釬焊c—BN的界面微觀結(jié)構(gòu)及能譜線掃描元素分布曲線。由圖可見，釬料與c—BN界面結(jié)合致密，在界面處形成連續(xù)的銀白色反應(yīng)層，反應(yīng)層寬度約為15μm。經(jīng)能譜分析，界面處元素成分呈梯度分布，釬料與c—BN發(fā)生作用，形成化合物型界面。Ag—Cu—Ti系活性釬料中活性元素Ti在界面區(qū)c—BN側(cè)發(fā)生了富集，Ti元素有較高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布（12.43%），高于釬料中Ti元素的含量（10%）。Ag—Cu—Ti系活性釬料與c—BN這種界面冶金結(jié)合，提高釬料對c—BN界面潤濕是非常有利的。

圖7 Ag—Cu—Ti三元相圖液相投影圖

3 結(jié)語

（1）隨著含Ti量增加（6～12wt%），Ag—Cu—Ti系活性釬料對c—BN的潤濕性提高，釬料顯微硬度和脆性增大，釬焊接頭強度和塑性降低。

圖8 Ag—Cu—Ti與c—BN界面區(qū)線掃描

圖9 釬焊后c—BN X射線衍射分析曲線

（2）Ag—Cu—Ti系活性釬料是由α—Ag、α′—Cu固溶體、Ag—Cu共晶和AgTi、CuTi3、Cu4Ti3等金屬間化合物相組成，并隨Ti含量增加，α—Ag固溶體，金屬間化合物相增加，共晶組織減少。采用Ag64.8Cu25.2Ti10釬料釬焊c—BN，接頭界面結(jié)合致密，實現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，對提高金屬與c—BN界面結(jié)合強度十分有利。

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