Sn-18Bi-XCu低溫無鉛釬料微觀組織及力學性能

賴忠民,游慶榮,孔幸達,范太坤,王儉辛

(江蘇科技大學 先進焊接技術省級重點實驗室, 鎮(zhèn)江 212003)

自20世紀90年代以來,對環(huán)境友好的技術開始引起人們重視,這其中就包括無鉛釬料的研發(fā)和應用．傳統(tǒng)的錫鉛釬料被廣泛用于設備及電子產(chǎn)品的釬焊中,隨著重金屬Pb對人類和環(huán)境的危害作用日益顯現(xiàn),世界各國都已經(jīng)開始限制含Pb制品的生產(chǎn)及銷售．

Sn-Bi系無鉛釬料作為一種高效的環(huán)保替代型產(chǎn)品,逐漸引起了國內(nèi)外研究工作者的重視．Sn-Bi合金的共晶點為139℃,低于Sn-Pb共晶釬料的熔點(183℃),被廣泛應用于低溫焊接領域．由于Bi的表面容易氧化,導熱導電性差等因素,因此在釬料中應嚴格控制所添加Bi的含量．研究者通過深入研究發(fā)現(xiàn)Sn-Bi合金無法形成化合物且基體中固溶了大量的Bi[1],合金成分的變化對其組織和力學性能的影響較大．對于Bi含量較低的非共晶合金(質(zhì)量分數(shù)小于21%),其在凝固過程中易產(chǎn)生枝晶偏析和組織粗大化,導致焊料性能惡化[2]．

由于β-Sn屬于四方晶格結構,而Bi屬于硬而脆的菱形晶格結構,二者的晶格類型決定了Sn-Bi系釬料的結合性較差．文獻[3]通過在Sn-Bi釬料中添加Ag來改善合金的塑性．文獻[4]研究發(fā)現(xiàn)在Sn-Bi釬料中添加Sb能夠有效提高釬料的剪切強度．文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)在Sn-Bi釬料中添加廉價的Cu能夠有效改善釬料的組織以及力學性能．文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)往釬料合金加入Zn后，可以提高焊點的可靠性.

1 實驗

將純度均為99.99%的純錫和電解銅按照相應的比例稱量好,在真空感應加熱條件下制備成分均勻的Sn-5Cu中間合金．再按照所設計的化學配比配料,在普通電阻爐中采用KCl和LiCl的混合熔鹽覆蓋保護,加熱溫度400 ℃,保溫1 h,每隔20 min攪拌一次，制備不同Cu含量的Sn-Bi-Cu合金．

在加熱速率均為10 ℃/min的條件下,采用差熱分析儀TG-DTA測試合金的凝固特性,測試范圍為100～250 ℃．

將制備好的釬料合金線切割成如圖1所示的形狀、尺寸．通過打磨去除毛邊后采用萬能拉伸試驗機測試合金抗拉強度以及延展性,試驗拉伸速度為0.01 mm/s．

圖1 拉伸式樣圖(單位：mm)

取制備好的不同Cu含量的合金,冷鑲嵌后進行研磨和拋光處理．在掃描電鏡下觀察不同成分合金的微觀組織,并通過EDS確定所制備合金中指定區(qū)域的成分．

2 實驗結果和討論

2.1 釬料的微觀組織

試驗所制備的不同Cu含量的Sn-18Bi合金的微觀組織如圖2．根據(jù)EDS能譜分析可知圖中灰色區(qū)域為富Sn區(qū),是由大量的Sn和少量的Bi組成的Sn基固溶體．白色區(qū)域為富Bi區(qū),是由大量的Bi和少量的Sn組成的Bi基固溶體．黑色區(qū)域是釬料基體中原位生成的Cu6Sn5金屬間化合物．由于Bi只能與Sn發(fā)生有限固溶,導致過飽和的Bi在合金中易結晶形成粗大而不規(guī)則的形狀．而Bi本身屬于脆性元素,大量偏聚的Bi使得合金的脆性增大,延展性差[7]．圖2中可以看出所制備的合金中Sn-18Bi的Bi偏析最為嚴重,隨著Cu元素的加入可以有效抑制Bi的偏析,當Cu的質(zhì)量分數(shù)為0.5%時組織細小均勻,偏析最?。?/p>

圖2 Sn-Bi-Cu無鉛釬料的微觀組織

2.2 釬料的凝固特性

圖3為所制備的Sn-Bi-Cu無鉛釬料的DTA曲線．可以看出Sn-18Bi在138℃左右出現(xiàn)一個明顯的Sn-58Bi共晶吸熱峰,該吸熱峰的存在解釋了Sn-Bi系釬料在重熔過程中出現(xiàn)的Bi偏析現(xiàn)象．釬料在凝固過程中首先會在190℃左右形成初生的β-Sn相,隨著凝固過程的進行,液態(tài)中Bi的濃度不斷增加,在140℃左右發(fā)生L→Sn+Bi的共晶反應[8],一般共晶的β-Sn會依附于初生的β-Sn上繼續(xù)長大,從而構成圖2中大塊的富Bi組織．隨著Cu的加入,該共晶吸熱峰明顯減小,這可以說明Cu的加入有效地抑制了Sn-Bi系釬料凝固過程中Bi的偏析[9]．由表1可以看出在Sn-18Bi中加入Cu有效降低了釬料DTA曲線中主峰的起始轉(zhuǎn)變溫度以及峰值溫度．

圖3 Sn-Bi-Cu無鉛釬料的DTA凝固曲線

表1 釬料合金的熔化特性

2.3 釬料的力學性能和斷口形貌

根據(jù)Sn-Bi-Cu合金三元相圖可知,試驗中添加的Cu在Sn-Bi-Cu合金中極少發(fā)生固溶,而基本上以Cu6Sn5金屬間化合物的形式存在于釬料基體中．合金中細小彌散的Cu6Sn5金屬間化合物對提高釬料基體的抗拉強度以及改善其延展性均起到一定的作用．抗拉強度和延展性是體現(xiàn)釬料力學性能的兩個重要參數(shù)．由圖4的應力-應變曲線可以看出隨著Cu的加入使得釬料的極限抗拉強度得到提升,當Cu質(zhì)量分數(shù)為1%時達到最佳,這主要是由于添加合金元素的固溶強化作用,以及使脆性相Bi彌散分布在基體中的細晶強化作用．釬料的延展率也隨著Cu的加入而得到有效提高,當Cu質(zhì)量分數(shù)為0.3%時達到最佳．

圖4 Sn-Bi-Cu無鉛釬料的應力-應變曲線

圖5中4種釬料的拉伸斷口微觀組織中均能發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩狀斷口形貌(類似B處),說明釬料中存在著大量的韌性斷裂．這主要是由于釬料基體中存在著大量的富Sn相．在拉伸過程中出現(xiàn)空洞形核、長大并連接最終導致韌性斷裂,在斷口上就顯示韌窩結構．在Sn-Bi系釬料中主要是通過在Bi顆粒處形核,故在斷口上很多韌窩的底部存在著偏聚的Bi顆粒[10]．圖6為合金斷口C位置的EDS能譜分析,結果證實韌窩中心為Bi顆粒．圖5中Sn-18Bi和Sn-18Bi-0.3Cu釬料合金斷口的微觀組織可以看出在A、D區(qū)域呈現(xiàn)明顯的富Bi相的脆性斷裂特征,這主要是由于在拉伸過程中Bi的菱形晶格結構阻礙了材料發(fā)生塑性變形．隨著拉伸力的增大,在晶粒內(nèi)部首先發(fā)生開裂,該區(qū)域就成為釬料發(fā)生脆性斷裂的斷裂源．隨著Cu含量提高,在Sn-18Bi-0.5Cu和Sn-18Bi-1Cu的拉伸斷口微觀組織中可以觀察到明顯的棒狀Cu6Sn5金屬間化合物釘扎在釬料基體中．圖7為高倍態(tài)下棒狀的Cu6Sn5將富Bi相牢牢釘扎的SEM像．

圖5 Sn-Bi-Cu無鉛釬料的拉伸斷口形貌

圖6 Sn-Bi-Cu釬料斷口中顆粒的EDS譜

圖7 棒狀Cu6Sn5釘扎在釬料基體中

3 結論

(1) 當Cu質(zhì)量分數(shù)為0.5%時,Sn-Bi-Cu釬料中Bi 的偏析得到有效抑制,此時釬料的組織最為細小均勻．

(2) 在Sn-Bi釬料中添加合金元素Cu能夠有效抑制Bi的偏析,形成離散的富Bi貧Sn區(qū)域．同時,其在釬料基體中原位生成細小彌散的Cu6Sn5金屬間化合物,能夠有效提高釬料的力學性能．

(3) Sn-Bi-Cu釬料的斷口類型為韌性斷裂和脆性斷裂的混合型斷裂,在釬料的兩種斷裂斷口中均發(fā)現(xiàn)有起釘扎作用的Cu6Sn5金屬間化合物的存在．

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