銅磷釬料性能研究進(jìn)展

楊帆 楊國(guó)良 董博文

摘要：從銅磷釬料的熱塑性、銅磷釬料及釬焊接頭的合金化、銅磷釬料釬焊接頭的耐腐蝕性三個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外銅磷釬料性能的研究成果進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)介紹銅磷釬料的熱塑性、合金元素對(duì)銅磷釬料組織和性能的影響、銅磷釬料對(duì)釬焊接頭母材溶解及潤(rùn)濕鋪展，以及不同服役條件下的銅磷釬料釬焊接頭耐腐蝕性。隨著銅及銅合金零部件向集成化、功能化、微型化方向發(fā)展，銅磷釬料的發(fā)展及應(yīng)用過(guò)程中仍存在以下問(wèn)題：基于銅磷釬料熱塑性成形的數(shù)值模擬技術(shù)研究缺失;忽略了高性能銅磷釬料研究;提高銅磷釬料釬焊接頭耐腐蝕性研究較少。

關(guān)鍵詞：熱塑性;釬焊接頭;合金化;原位合成;耐腐蝕性

中圖分類(lèi)號(hào)：TG425 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0013-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.03

0 ? ?前言

純銅是一種重要的有色金屬功能材料，具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和加工性能，但熔化溫度過(guò)高極大地限制了其在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用[1-4]。在銅中加入磷可以顯著降低其熔化溫度，提高其釬焊工藝性能，銅磷釬料被廣泛用于釬焊銅及銅合金、銀及銀合金、鉬及鉬合金等[5]。然而，銅磷系釬料中磷含量高（一般高于4.8%），生產(chǎn)及工程應(yīng)用中存在以下難題：（1）釬料基體及釬焊接頭中含有大量脆性Cu3P相，室溫下釬料及釬焊接頭的塑性很差[5];（2）銅磷釬料釬焊鋼、鎳及其合金時(shí)，會(huì)在釬縫界面區(qū)形成極脆的磷化物[5];（3）釬焊接頭中的磷容易氧化形成酸性氧化物P2O5，腐蝕性較強(qiáng)。

為了改善銅磷釬料及其釬焊接頭的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者在銅磷釬料的熱塑性、銅磷釬料及其釬焊接頭的合金化、釬焊接頭的腐蝕方面做了大量的研究。文中對(duì)銅磷釬料及其釬焊接頭力學(xué)性能相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為銅磷釬料及其應(yīng)用相關(guān)研究人員提供理論參考。

1 銅磷釬料的塑性研究

銅磷釬料中磷含量高，釬料基體中含有大量Cu3P相，室溫下呈脆性，難以采用常規(guī)加工工藝生產(chǎn)。H. L. Yiu等[6]用扭轉(zhuǎn)和拉伸試驗(yàn)研究了銅磷合金在不同應(yīng)變速率和不同溫度下的變形行為，測(cè)定了與超塑性流動(dòng)有關(guān)的活化能，只有當(dāng)α（Cu）晶粒尺寸穩(wěn)定，且溫度和應(yīng)變速率在一定范圍內(nèi)時(shí)，才能發(fā)生超塑性。Wludzik Rafal等[7]研究了擠壓工藝參數(shù)對(duì)CuAg15P5合金線材生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)變和應(yīng)力狀態(tài)的影響，通過(guò)對(duì)銅磷鑄錠擠壓過(guò)程的有限元模擬，證實(shí)了擠壓鑄錠的冷卻發(fā)生在其外層的塑性區(qū)，鑄錠的內(nèi)層比靠近模具表面的外層流動(dòng)速率高，導(dǎo)致擠壓鑄錠截面上的應(yīng)變分布不均勻，擠壓鑄錠外層的縱向應(yīng)力相對(duì)較大，對(duì)于變形能力較低的鑄錠，會(huì)導(dǎo)致周向表面裂紋。在0.15～0.30 mm/s范圍內(nèi)提高擠壓速度，可顯著提高擠壓鑄錠的溫度，擠壓速度為0.30 mm/s、初始溫度為550 ℃時(shí)，擠壓鑄錠溫度會(huì)超過(guò)其熔化溫度。Tavolzhanskii S. A.等[8]發(fā)現(xiàn)二元銅磷合金在550～650 ℃熱擠壓條件下產(chǎn)生超塑性流動(dòng)效應(yīng)，塑性大大增加，為二元銅磷釬料的熱塑性加工提供了有益的參考價(jià)值。龍飛等[9]研究了銅磷釬料的冷脆性、熱塑性和熱塑加工性在熱拉拔過(guò)程中不同加熱方式下的變化情況，重點(diǎn)分析比較了銅磷釬料的加熱方式和溫度調(diào)控方法與銅磷釬料加熱電源的輸出特性的關(guān)系。結(jié)果表明，相對(duì)穩(wěn)定的釬料溫度是高效拉拔的關(guān)鍵。在諸多加熱方式中，直流高頻開(kāi)關(guān)電源具有釬料溫度易調(diào)控、電能熱能轉(zhuǎn)換效率高、拉拔過(guò)程穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

銅磷釬料中加入錫元素可降低釬料的熔化溫度，提高釬料的流動(dòng)性，釬焊后的管路結(jié)構(gòu)件具有良好的密封性，從而使釬焊接頭能承受較大的動(dòng)態(tài)載荷，在空調(diào)和制冷設(shè)備的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。Sylwia Wiewiórowska等[10]研究了BCu86SnP的塑性變形溫度范圍，對(duì)熱處理試樣和非熱處理試樣進(jìn)行衍射、X射線和金相檢驗(yàn)表明，合金組織中不存在隨溫度變化而發(fā)生的相變，組織的細(xì)化主要是Cu3P脆性相的析出物，在260 ℃左右的溫度下，合金組織中析出相的百分比達(dá)到最大值，超過(guò)該溫度后，該百分比逐漸降低，在550 ℃左右達(dá)到最低值。因此，BCu86SnP釬料的塑性加工應(yīng)在260 ℃以上的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行。

采用快速凝固技術(shù)制備的非晶銅磷釬料既保持了傳統(tǒng)銅磷釬料熔化溫度低、流動(dòng)性好、自釬劑的優(yōu)點(diǎn)，又改善了傳統(tǒng)銅磷釬料的室溫脆性，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。田麗等[11]研究了Cu-P基急冷釬料的制備及釬焊性能，利用單輥急冷法制備了Cu76.3

P7.5Ni13Sn3Si0.2非晶釬料薄帶，該薄帶具有良好的韌性，硬度低、易加工，熔化溫度低，潤(rùn)濕性好，釬焊接頭質(zhì)量良好。俞偉元等利用液態(tài)單輥急冷法制備了用于銅及銅合金瞬間液相焊非晶銅磷釬料Cu68.5Ni15.7P6.5Sn9.3，制備的非晶銅磷釬料薄帶具有良好的韌性，可以沖壓成各種形狀，釬焊工藝性能優(yōu)良，釬焊接頭強(qiáng)度較高。

2 銅磷釬料及釬焊接頭的合金化研究

為改善銅磷釬料的加工及釬焊工藝性能，采取的主要方法是合金化，即在銅磷釬料中加入Sb、Ag、Sn、Ni、Si、Zr及Re等元素來(lái)改善銅磷系釬料的綜合性能，表1列出了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上常用的銅磷釬料。Tavolzhansky S A等[12]研究了銅磷銻系釬料成分對(duì)銅合金組織和性能的影響，通過(guò)熱分析、化學(xué)分析和金相分析，在二元銅磷合金中添加2%的銻可使銅磷合金的共晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)由8.25%變?yōu)?.5%～7.7%，形成熔點(diǎn)為702 ℃的三元共晶。Takemoto Tadashi等[13]研究了添加銀和錫的銅磷釬料的液相線表面，測(cè)定了Cu-Ag-Sn-P四元系釬料的顯微硬度，采用磷當(dāng)量法預(yù)測(cè)初生相的種類(lèi)，發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)釬料的硬度與錫含量有對(duì)應(yīng)關(guān)系。王世偉[14]研究了不同含量的Sn、In、B、Sb、Mn等合金元素對(duì)低銀銅磷釬料性能的影響，采用多元少量方法能有效改善和提高低銀銅磷釬料的綜合性能。張吟秋等[15]研究了微量Si、Sb、Ce對(duì)高磷銅釬料的組織、冷熱變形行為和焊接性的影響，微量添加元素改善了釬料的加工性能和焊接性，其中Sb、Ce的效果又優(yōu)于Si。姜鋒等[16]研究

了復(fù)合添加La、Ce和Si對(duì)銅磷釬料潤(rùn)濕性和焊縫微觀組織的影響，復(fù)合添加La、Ce和Si能細(xì)化釬料組織，但由于稀土元素易被氧化，生成黑色稀土相覆蓋α（Cu）固溶體，使釬料潤(rùn)濕性變差。呂曉春等[17]

研究了稀土Ce對(duì)Cu-Ag-P釬料釬焊接頭組織和性能的影響，當(dāng)Ce含量為0.01%～0.025%時(shí)，釬料的流動(dòng)性能優(yōu)于不含稀土?xí)r的性能，但是對(duì)于Cu-Ag-P釬料釬焊接頭強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。

釬焊是借助于液態(tài)釬料填滿固態(tài)母材之間的間隙并相互擴(kuò)散形成結(jié)合的一種材料連接的方法，銅磷釬料釬焊過(guò)程中常常發(fā)生釬料對(duì)母材的溶解，液態(tài)釬料對(duì)固態(tài)母材的擴(kuò)散溶解是形成牢固釬焊接頭的關(guān)鍵。Takemoto Tadashi等[18]采用含Sn、Ag的低熔點(diǎn)銅磷釬料，研究了液態(tài)釬料對(duì)純銅母材的熔蝕，700～740 ℃范圍內(nèi)熔蝕深度隨保溫時(shí)間的平方根呈線性增加，錫在銅中的擴(kuò)散控制著熔蝕反應(yīng)，釬料中磷元素含量對(duì)銅母材的熔蝕深度影響最大。李一楠等[19]研究了溶解釬焊條件下Cu-Ag及Cu-P釬料對(duì)銅母材的溶解行為，測(cè)量在800～900 ℃溫度范圍內(nèi)Cu-P和Cu-Ag釬料的溶解厚度，推導(dǎo)并計(jì)算出銅在這兩種合金釬料中的溶解速度常數(shù)存在如下關(guān)系：kCu-P（T）=10 kCu-Ag（T），在相同溶解釬焊工藝條件下，液態(tài)Cu-P合金對(duì)銅母材的溶解量大于Cu-Ag合金，P元素與Ag元素相比具有加速溶解母材的作用。

銅磷釬料是一種自釬劑釬料，釬焊銅時(shí)可以不用釬劑。但是釬焊銅合金如黃銅等時(shí)，因磷不能充分還原鋅的氧化物，還需使用釬劑。在傳統(tǒng)釬焊過(guò)程中，釬料和釬劑通常分開(kāi)使用，而釬劑具有揮發(fā)性，因此為了保證釬焊的質(zhì)量，在焊前需添加過(guò)量的釬劑;但大量釬劑的揮發(fā)會(huì)對(duì)空氣造成污染，而且焊后殘留的釬劑具有較強(qiáng)的腐蝕性，必須采用大量水或有機(jī)溶劑清洗，造成二次污染[20]。此外，焊前添加釬劑的工序會(huì)導(dǎo)致制冷、工具等行業(yè)難以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性生產(chǎn)。張冠星等[21]研究了基于紫銅/黃銅釬焊的新型無(wú)銀銅磷錫復(fù)合釬料，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型藥皮銅磷錫復(fù)合釬料，無(wú)須再單獨(dú)添加釬劑即能實(shí)現(xiàn)紫銅/黃銅的釬焊，如圖1所示，與常用的BCu89Pag相比，不含貴金屬銀，節(jié)約生產(chǎn)成本。黃俊蘭等[22]研究了一種銅磷錫藥皮釬料，分析了釬劑比例對(duì)銅磷錫藥皮釬料潤(rùn)濕性能的影響，無(wú)論在黃銅上還是紫銅，釬劑均要適量，過(guò)多的釬劑不利于釬料的潤(rùn)濕鋪展。

銅磷釬料釬焊鋼、鎳及其合金會(huì)在釬縫界面區(qū)形成極脆的磷化物。Pisarev A N等[23]研究了減少銅磷釬料釬焊鋼金屬間化合物生長(zhǎng)的可能性，采用熱力學(xué)計(jì)算，試圖通過(guò)錳、鈦和鎳合金化來(lái)降低金屬間化合物的生長(zhǎng)和形成速度，對(duì)Fe-Ni-Cu-P四元系Fe2P-Cu3P-Ni截面相平衡及組分和化合物的溶解度研究表明，鎳及其磷化物可以與鐵、銅形成連續(xù)的固溶體，在Cu-P釬料中引入鎳可使磷化物在釬縫中溶解。龍偉民等[24]研究了基于銀合金先導(dǎo)潤(rùn)濕的銅磷釬料釬焊鋼，基于低熔點(diǎn)合金先導(dǎo)潤(rùn)濕的原理，設(shè)計(jì)制備了一種表面覆蓋低熔點(diǎn)銀合金層的新型銅磷焊片，釬焊過(guò)程中表面覆蓋的低熔點(diǎn)銀合金早于銅磷合金熔化潤(rùn)濕碳鋼基體，并形成反應(yīng)層，銅磷釬料熔化后與銀合金層反應(yīng)熔合，冷卻后形成良好的冶金連接;與使用銅磷釬料直接釬焊的接頭相比，銀合金先導(dǎo)潤(rùn)濕釬焊的銅磷/碳鋼界面化合物層厚度明顯減小，抗剪強(qiáng)度超過(guò)160 MPa，斷裂發(fā)生在靠近連接界面的釬焊材料內(nèi)部，接頭強(qiáng)韌性顯著改善。Pashkov I N等[25]研究了用銅磷粉末釬料改善鋼制換熱器的性能，銅磷合金鍍層是低碳鋼的最佳鍍層，該涂層在鹽霧中經(jīng)受了120 h以上的試驗(yàn)，磨料顆粒的流動(dòng)阻力提高了6倍，鋼表面形成的磷化鐵和α（Cu）固溶體，承受住高強(qiáng)度的振動(dòng)荷載，在高腐蝕介質(zhì)中使用銅磷鎳合金涂層，可以大大提高低碳鋼構(gòu)件的耐蝕性和耐磨性。

3 銅磷釬料釬焊接頭的耐腐蝕性研究

溴化鋰（Liar）水溶液具有良好的熱物理性能、較高的水化熱、較高的固相溶解度、良好的熱穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)恼扯?，是吸收式制冷系統(tǒng)最有效的吸收劑之一。A Valero-Gomez等[26-27]研究了銅及銅釬焊接頭在溴化鋰溶液中的腐蝕與電偶行為，在銅磷釬料中增加磷的含量可降低該釬縫合金和模擬釬焊接頭母材的腐蝕速率，Liar溶液中的鉻酸鹽（Li2CrO4）和氫氧化鋰（LiOH）對(duì)模擬釬焊接頭具有良好的緩蝕作用。

銅質(zhì)水龍頭以其典雅高貴、材質(zhì)厚重的特點(diǎn)受到消費(fèi)者的喜愛(ài)，成為高檔裝修的代表特征，銅質(zhì)水龍頭中的管件連接往往需要銅磷釬料。K. Nielsen[28]研究了自來(lái)水中銅管釬焊接頭的腐蝕，含銀量為15%、5%、2%和0%的銅磷釬縫（L-Ag15P、L-Ag5P、L-CuP6）未顯示出腐蝕，但緊鄰釬縫的銅在自來(lái)水中受到嚴(yán)重腐蝕，腐蝕以點(diǎn)蝕的形式出現(xiàn)，最大深度為0.3 mm。Aminazad A M等[29]研究了銅釬焊接頭在3.5%NaCl水溶液中的腐蝕行為，采用AWS-BAg5和銅基填料AWS BCuP2兩種不同的釬焊合金對(duì)銅板和銅管（ISO DHP）進(jìn)行釬焊，在兩種釬焊接頭中都觀察到選擇性腐蝕和電偶腐蝕，但在銅磷釬料釬焊接頭附近的銅受到點(diǎn)蝕法的顯著腐蝕。

電氣設(shè)備中銅材因遭受含硫化氫環(huán)境腐蝕的影響，致使其性能下降，并給電氣設(shè)備的安全運(yùn)行埋下隱患。為保證電氣設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)服役環(huán)境中的安全可靠性，需對(duì)銅材釬焊接頭在該環(huán)境中的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。Takemoto Tadashi等[30]研究了銅磷釬料釬焊銅接頭的抗硫化氫氣體腐蝕性能，采用銅磷釬料BCuPSn和BCuP-5（JIS規(guī)定）制備了釬焊銅搭接接頭，并將其在50 ℃、90%RH、濃度100×10-6的H2S氣體環(huán)境中暴露1 000 h，BCuPSn釬焊接頭在H2S氣體中暴露1 000 h后，強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化，BCuP-5釬焊接頭在暴露1 000 h后強(qiáng)度下降到初始值的1/4，α（Cu）固溶體沿釬焊界面結(jié)晶發(fā)生優(yōu)先腐蝕。

4 結(jié)論與展望

銅及銅合金作為核心導(dǎo)體材料，廣泛用于電子信息產(chǎn)業(yè)超大規(guī)模集成電路引線框架，國(guó)防裝備的電子對(duì)抗、雷達(dá)、大功率微波管，高脈沖磁場(chǎng)導(dǎo)體材料，高速軌道交通用架空導(dǎo)線、大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條與端環(huán)，新能源汽車(chē)用電阻焊電極、電池材料、充電樁彈性材料，冶金工業(yè)用連鑄機(jī)結(jié)晶器、電真空器件，電氣工程用開(kāi)關(guān)觸橋和各種導(dǎo)線等[31]。銅磷釬料具有熔化溫度低、流動(dòng)性和潤(rùn)濕性好、具有自釬性及成本低等優(yōu)點(diǎn)，是在600～800 ℃釬焊溫度范圍內(nèi)取代銀基釬料的理想釬料。目前，銅磷釬料在熱塑性、釬料及釬焊接頭的合金化、釬焊接頭的耐腐蝕性等方面取得了一定的進(jìn)展，且在制冷、電機(jī)、電氣、汽車(chē)等行業(yè)得到了大規(guī)模應(yīng)用，然而隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步，銅及銅合金材料朝著超高性能、高純度、高迭代方向發(fā)展，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的集成化、功能化、微型化、可靠性等提出了更高要求。銅磷釬料的發(fā)展及應(yīng)用過(guò)程中仍存在很多問(wèn)題，具體如下：（1）基于銅磷釬料熱塑性成形的數(shù)值模擬技術(shù)研究缺失。銅磷系釬料加工成型困難，即使添加Sb、Ag、Sn、Ni、Si、Zr及Re等元素對(duì)合金塑性的改善仍不是太理想，采用常規(guī)的熔煉、擠壓、軋制或拉拔等工序，銅磷焊片厚度難以做到0.1 mm以下，銅磷焊絲直徑難以做到0.5 mm以下。目前雖然能采用快淬急冷技術(shù)將銅磷釬料加工成非晶薄帶，但加工成本較高。目前針對(duì)銅磷釬料的熱塑性研究仍處于生產(chǎn)應(yīng)用的理論解釋階段，如何通過(guò)溫度場(chǎng)的變化、熱量的傳遞精確模擬銅磷釬料的塑性流動(dòng)，并以此精確控制銅磷釬料的尺寸、微區(qū)成分以適應(yīng)精密銅及銅合金零部件高可靠連接是目前需要解決的難題。（2）忽略了高性能銅磷釬料研究。目前針對(duì)銅磷系釬料的性能提升研究以合金化方向?yàn)橹?，釬焊接頭性能提升效果有限，原位合成法可以制備傳統(tǒng)制造方法無(wú)法成型的銅磷釬料，采用原位合成高性能銅磷釬料減少鋼釬焊接頭脆性磷化物的形成是未來(lái)銅磷釬料推廣應(yīng)用的一個(gè)重要研究方向。（3）提高銅磷釬料釬焊接頭耐腐蝕性研究較少。銅磷釬料釬焊接頭在液態(tài)流體、濕潤(rùn)空氣和腐蝕性氣氛下服役時(shí)，與母材接觸部位容易發(fā)生腐蝕，究其原因是釬縫處產(chǎn)生大量的酸性氧化物P2O5，P2O5會(huì)導(dǎo)致磷酸的形成，而磷酸對(duì)釬縫和母材都具有腐蝕性，導(dǎo)致釬焊接頭腐蝕失效，在不影響釬焊接頭性能的前提下通過(guò)合金化降低磷的含量或在母材表面形成耐蝕涂層是銅磷釬料釬焊接頭耐腐蝕性的重要研究方向。

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