Pr對(duì)Ag30CuZnSn接頭強(qiáng)度的影響及斷口分析

曹秀斌,郭亞靜,錢敏科,王儉辛

(1.江蘇遠(yuǎn)方動(dòng)力科技有限公司 鎮(zhèn)江長(zhǎng)江焊材分公司,鎮(zhèn)江 212021)(2.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,鎮(zhèn)江 212100)

隨著新技術(shù)的快速發(fā)展,高性能芯片制造、高集成度電路生產(chǎn)和高端材料微連接等現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中所占比例逐年增加,釬焊作為其中的關(guān)鍵工藝之一,引起了更廣泛的關(guān)注[1-2]．含鎘銀釬料具有較低的釬焊溫度、優(yōu)異的潤(rùn)濕性能等優(yōu)點(diǎn),曾被廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)中．但鎘元素對(duì)人體有毒且對(duì)環(huán)境有危害,歐盟的RoHS和WEEE指令明確限制其在電子設(shè)備中的使用,并且我國(guó)也已出臺(tái)相關(guān)政策,禁止鎘元素在相關(guān)場(chǎng)合的應(yīng)用．

為尋求AgCuZnCd釬料的替代品,嘗試在銀釬料中添加其它合金元素改性成為新型釬料[3-5].已有報(bào)道添加Ga、In元素后,AgCuZn釬料的熔化溫度得到有效降低,潤(rùn)濕鋪展性能得到了提高[3]．此外,具有“工業(yè)維生素”之稱的稀土元素[6-7],在AgCuZn合金體系中的微合金化改進(jìn)已得到了探索,據(jù)報(bào)道微量稀土La的加入可使釬料組織細(xì)化,并抑制金屬間化合物的生長(zhǎng)[8];Ce元素在該釬料基體中的富集作用起到了細(xì)化晶粒及強(qiáng)化晶界的效果[9];適量的Pr元素對(duì)該釬料的潤(rùn)濕鋪展性能有一定提高,并可改善釬料合金的顯微組織[10]．文中選取Ag30CuZnSn釬料為研究對(duì)象,在其中添加不同含量的稀土元素Pr,以此將H62黃銅-H62黃銅對(duì)接接頭進(jìn)行火焰釬焊,測(cè)試釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度,分析斷口形貌,并研究釬縫的顯微組織．

1 試驗(yàn)方法

釬料合金成分設(shè)計(jì)如表1．將純度為99.99%的Ag、Cu、Zn和Sn作為原料,為確保成分中Pr含量的準(zhǔn)確性,Pr元素以Cu-Pr合金的形式加入．將上述原材料在中頻冶煉爐中冶煉,釬料合金澆鑄后再通過擠壓、拉拔、酸洗后備用．

表1 Ag30CuZnSn釬料化學(xué)成分Table 1 Compositions of Ag30CuZnSn filler metals w(x)%

以Ag30CuZnSn-xPr作為釬料,采用火焰釬焊的方法將H62黃銅-H62黃銅進(jìn)行對(duì)接釬焊,母材規(guī)格均為60 mm×27 mm×2.5 mm,在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次試驗(yàn)．釬焊后將釬焊接頭進(jìn)行取樣,磨平和拋光,用10%的過硫酸銨溶液腐蝕后再用酒精清洗．采用JSM 6480型掃描電子顯微鏡研究釬縫微觀組織．

按照GB/T 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》,使用CMT5207萬(wàn)能拉伸機(jī)對(duì)釬焊后的對(duì)接接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試,加載速率為5 mm/min,測(cè)試后進(jìn)行斷口形貌分析．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Pr對(duì)釬縫顯微組織的影響

對(duì)H62黃銅-H62黃銅對(duì)接釬縫顯微組織進(jìn)行分析,結(jié)果見圖1．

如圖1(a),在未添加稀土元素Pr時(shí),接頭釬縫中不規(guī)則的蠕蟲狀固溶體組織以類似離異共晶的形態(tài)分布著,白色固溶體的整體分布沒有特定的規(guī)律性．添加Pr元素后，釬縫中白色固溶體相呈現(xiàn)網(wǎng)格狀分布,并且體積分?jǐn)?shù)有顯著增加．

圖1 使用不同Pr含量釬料焊接的釬縫顯微組織Fig.1 Microstructures of the brazed joint using Ag30CuZnSn-xPr filler metals

對(duì)Pr元素含量最高的Ag30CuZnSn-0.3Pr釬縫接頭進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見表2,以期進(jìn)一步分析釬縫組織以及稀土元素Pr的分布規(guī)律．分析結(jié)果表明,釬縫中黑色的塊狀組織A區(qū)域?yàn)镃u基固溶體,Zn和Ag元素都固溶在其中;黑白相間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)B區(qū)域,由白色的Ag基固溶體以及彌散分布其中的黑色顆粒相Cu-Zn化合物所組成,這與文獻(xiàn)[3]中的結(jié)果相同．固溶體的塑韌性良好,化合物則強(qiáng)度與硬度較高,但釬縫中生成過多的化合物會(huì)導(dǎo)致脆性增加,常常成為裂紋的萌生處,從而降低了釬縫的性能,兩者的綜合作用最終決定了釬縫性能的優(yōu)劣．

表2 圖1所示區(qū)域EDS分析結(jié)果Table 2 EDS results of chemical compositions of areas marked on Fig.1 w(x)/%

2.2 Pr對(duì)Ag30CuZnSn釬焊接頭力學(xué)性能的影響

H62-H62釬焊接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)斷裂均發(fā)生在釬縫處,抗拉強(qiáng)度如圖2．隨著釬料中Pr含量的從無(wú)到有,釬焊接頭抗拉強(qiáng)度得到提高,如Pr的添加量達(dá)到0.15%時(shí),接頭強(qiáng)度已達(dá)到367 MPa,比未添加Pr元素時(shí)提高了12%;當(dāng)Pr的添加量繼續(xù)增加時(shí),接頭抗拉強(qiáng)度值呈下降趨勢(shì)．

圖2 不同Pr含量釬料釬縫抗拉強(qiáng)度Fig.2 Tensile strength of brazed joints with different Pr contents

微量稀土Pr的存在,將促進(jìn)液態(tài)釬料的形核,Pr優(yōu)先與釬料中的合金元素結(jié)合作為形核質(zhì)點(diǎn),促進(jìn)液態(tài)釬料的非自發(fā)形核;并且由于稀土Pr的加入，液相會(huì)出現(xiàn)較大的成分過冷,Pr在結(jié)晶前的快速富集作用會(huì)在結(jié)晶前沿過冷度大的液相中促進(jìn)形核,抑制晶粒的長(zhǎng)大,從而細(xì)化晶粒并改善接頭的力學(xué)性能．Pr的原子半徑比Ag、Cu、Zn等原子大的多,當(dāng)其固溶于釬料合金中時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的晶格畸變,微觀組織中位錯(cuò)滑移受到阻礙,從而提高釬縫的力學(xué)性能．另一方面,盡管釬料合金中所固溶的Pr極少,當(dāng)Pr的固溶強(qiáng)化作用仍是強(qiáng)化基體的原因之一．但Pr的添加量過量時(shí),釬料中會(huì)形成稀土相,硬而脆的稀土相在膨脹系數(shù)等方面都與基體有較大差異,從而對(duì)釬縫力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響．

Ag30CuZnSn-xPr釬料的對(duì)接接頭斷口形貌如圖3．

圖3 不同Pr含量Ag30CuZnSn斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of Ag30CuZnSn with different Pr contents

如圖3(a),釬料金屬中未添加Pr時(shí),釬焊接頭的斷口可見密集的韌窩,說明釬焊接頭具有良好的塑性．隨著Pr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.02%增加到0.15%時(shí)(圖3(b)～3(d))，表現(xiàn)出韌窩尺寸及深度的增加,在斷裂過程中材料可吸收的能量越高,即釬料金屬中加入微量的稀土Pr,材料的塑性韌性以及釬焊接頭的力學(xué)性能都得到了改善．當(dāng)Pr含量為0.2%時(shí),拉伸斷口形貌如圖3(e),此時(shí)可以看出斷口處的韌窩特征已變得不明顯,出現(xiàn)解理面和撕裂棱,材料的塑性開始下降．當(dāng)釬料中添加Pr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí),斷口的準(zhǔn)解理斷裂特征更加明顯,從圖3(f)中可見解理面以及撕裂棱,導(dǎo)致了釬焊接頭力學(xué)性能的下降．

3 結(jié)論

(1) 添加微量稀土元素Pr可提高Ag30CuZnSn釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度,且隨著Pr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,接頭抗拉強(qiáng)度呈先上升后降低的趨勢(shì),在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時(shí),抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,相比于未添加Pr元素的釬焊接頭提升了12%左右．

(2) 微量稀土元素Pr可改善Ag30CuZnSn釬料顯微組織均勻性,提高釬焊接頭的韌性;但Pr元素添加過量會(huì)惡化釬料顯微組織,使得釬焊接頭呈脆性趨勢(shì),對(duì)接頭強(qiáng)度不利．