外加磁场对Sn-9Zn钎料组织、熔化温度及腐蚀性能影响

吴 敏

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺 113001)

外加磁场对Sn-9Zn钎料组织、熔化温度及腐蚀性能影响

吴 敏

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺 113001)

运用X射线衍射仪、扫描电镜、金属腐蚀检测仪等仪器设备,研究0.5 T外加磁场作用对Sn-9Zn钎料合金组织、熔化温度及腐蚀性能影响。研究结果表明,外加磁场可促进Sn-9Zn钎料合金显微组织细化,熔化温度下降近2℃,腐蚀性能得到改善,分析认为,由于外加磁场可促进Sn-9Zn钎料合金在特定晶面迅速结晶形核,抑制Zn富相形成,从而细化Sn-9Zn钎料组织以及影响钎料合金的熔化温度及腐蚀性能。

磁场; Sn-9Zn钎料; 组织; 熔化温度; 腐蚀性; 峰值强度

目前在研究开发的无铅钎料合金体系中,尽管Sn-Zn系合金钎料存在易氧化、焊接结合界面强度低等缺点,但仍具有与Sn-Pb共晶合金相接近的熔点、钎焊工艺性好和价格低廉等优点,受到国内外研究人员关注,并在工程生产中得到一定应用,为解决Sn-Zn系钎料存在的不足,国内外很多学者通过尝试向该合金钎料添加Bi、Re、Ga等多种元素来解决,效果并不十分理想[1-4]。外加磁场可以将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度,从而对材料的组织、结构和性能产生巨大而深刻的影响,目前已在结晶凝固、粉末冶金、电析、烧结、络合、热处理、塑性加工、对流传热和液体悬浮及分离等材料制备与加工方面进行广泛探索,并取得很大研究进展[5-7]。鉴于此,本实验研究运用X射线衍射仪、扫描电镜、金属腐蚀检测仪等设备,探讨外加磁场对Sn-9Zn合金钎料组织性能影响,并从磁场作用机理进行分析,取得较好研究成果。

1 实验部分

1.1 钎料制备

采用TG328A型分析天平作为称量工具,将化学纯的金属Sn、Zn分别按指定比例(质量比)置于石墨坩埚中,用ZGJL 01-40-4C真空中频感应炉加热,冷却凝固得Sn-9Zn钎料合金板条块,并将制备的钎料合金在室温下放置24 h,进行组织稳定化处理。

1.2 磁场作用钎焊

将制得的Sn-9Zn钎料合金在外加磁场条件下进行试验。其中外加磁场是由磁铁产生、磁场强度为0.5 T的稳恒静磁场,磁场强度由Gaussmeter SH T-6仪器测定;钎料本身的重熔凝固、熔化温度测定是在外加磁场条件下进行试验,重熔凝固制得的钎料进行腐蚀性能测试。

1.3 物相分析

运用日本理学D/max-RB X射线衍射仪对Sn-9Zn钎料进行物相分析。XRD测定条件为Cu Ka辐射,闪烁计数器前加石墨弯晶单色器,管压为40 kV,管流为100 m A,测角仪半径185 mm,光阑系统为DS=SS=1°,RS=0.15 mm。采用θ-2θ步进扫描方式,步长0.02°,扫描速度为8(°)/min。

1.4 微观组织观察

用WM 500 Leica显微镜、日本岛津公司SSX-550扫描电镜及其附带的能谱仪对Sn-9Zn钎料合金微观组织形貌及成分进行观察测定。SSX-550扫描电镜测定条件为Acc Voltage为15.00 kV, Specimen Current为1.0 0 nA,Stage Angle为0.0°,Take-off Angle为35.0°,Wo rking Distance为17.000 0 mm。

1.5 钎料熔化温度测定

钎料合金熔化温度测定采用热分析方法进行,热分析是根据材料发生第一类相变时,会有释放或吸收热量现象出现,温度对时间的关系表现为有温度平台(即曲线平直部分)出现,即为相变点。具体测定过程为采用控温电炉、数字温度仪等仪器,在外加磁场作用下,记录温度时间关系曲线,分析温度平台即可确定Sn-9Zn钎料合金熔化温度。

1.6 钎料腐蚀性能测试

选择ZF-1型金属腐蚀检测仪作为钎料腐蚀性能检测设备,质量分数为5%的NaCl溶液作为腐蚀溶液,试验温度为室温(25℃),甘汞电极作为参比电极,测试过程为先使ZF-1型金属腐蚀检测仪处于开启状态,约10 min后腐蚀电位基本稳定时测定试件的腐蚀电位,然后调节设备,分别测量外加5、10、15、20、25、30 m V电压下的腐蚀电流。

2 结果与讨论

2.1 外加磁场对Sn-9Zn钎料显微组织影响

图1为Sn-9Zn钎料合金微观组织的Leica金相图片,由图1可以看出,Sn-9Zn钎料组织是由呈一定方向的粗大的长针状组织、短针状组织、细小的条棒状组织和埽把状组织等组成,根据Sn-Zn二元合金相图[8]、X射线衍射物图谱(如图2所示)及相关文献[9]可以确定,粗大的针状相、短针状相以及细小的条状相均为富Zn相组织,基体相为富Sn相组织,其中部分粗大的富Zn相针状组织尺寸可达10～20μm,这对Sn-9Zn钎料合金的力学性能是十分不利的。

Fig.1 Metallographic of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0 T图1 在B=0 T作用下Sn-9Zn钎料组织金相图片

Fig.2 XRD of Sn-9Zn solder图2 Sn-9Zn钎料组织XRD图谱

图3、图4及图5分别为施加外加磁场后Sn-9Zn钎料微观组织的Leica金相图片、扫描电镜图片及相应的能谱分析。可以看出,显微组织中已经没有粗大的长针状组织,Zn相以短针状形状存在,均匀弥散的分布基体上。根据磁场作用前后的X射线衍分析可知,磁场作用并未改变Sn-9Zn钎料物相组成,即只存在Sn、Zn两相,但Sn、Zn两相特征峰的峰值强度有所改变,Sn相特征峰的峰值强度得到明显增强,而Zn相特征峰的峰值强度却有所减弱。可见,经0.5 T的外加磁场作用后,Sn-9Zn在(200)、(101)、(211)晶面的特征峰明显增大,表明Sn晶粒在上述面晶粒数目显著增多,即Sn-9Zn钎料合金在结晶形核过程中,外加磁场可促进Sn原子在(200)、(101)、(211)面迅速结晶形核,将Zn原子推向液态金属中,使Zn原子局部富集,当浓度达到共晶成分时,Sn、Zn原子形成共晶组织,进而促使Sn-9Zn钎料合金组织得到明显细化。

Fig.3 Metallographic of Sn-9Zn solder under megnatic of filed B=0.5 T图3 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn钎料组织金相图片

Fig.4 SEM of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0.5 T图4 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn钎料组织扫描图片

Fig.5 Energy spectrum of Sn-9Zn solder under megnatic filed of B=0.5 T图5 在B=0.5 T作用下Sn-9Zn钎料组织能谱分析

2.2 外加磁场对Sn-9Zn钎料熔化温度影响

图6为经0.5 T的外加磁场作用后,Sn-9Zn钎料合金熔化温度变化的测试结果。结合Sn-Zn二元合金相图[8],可以确定,外加磁场作用可使Sn -9Zn钎料合金熔化温度下降近2℃,但与传统锡铅钎料的熔点相比,还是偏大(锡铅共晶钎料的熔点为183℃[8]),而新开发的无铅钎料的熔点应尽量接近传统锡铅钎料,这是由于,一方面,在SM T生产制成中,很多电子元器件对温度特别敏感,若钎焊温度较高,会造成电子元器件的热损伤;同时熔化温度下降,会有利于与现有的生产工艺和生产设备相适应,促进无铅钎料的推广应用,所以外加磁场作用有利于Sn-9Zn钎料在电子工业中的推广应用。外加磁场可以将较高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度,增大组织结构中的空位数量及能量起伏,并且可提高原子的振动频率,加快原子的运动[10],从而致使原子由液相向固相迁移所需克服的势垒比没有磁场作用时增加,因而使Sn-9Zn钎料合金熔化温度有所下降。

Fig.6 Effect of megnatic f ield on melting tem peratrure Sn-9Zn solder图6 磁场对Sn-9Zn钎料熔化温度影响

2.3 外加磁场对Sn-9Zn钎料合金腐蚀性能影响

图7为经外加磁场作用前后,Sn-9Zn钎料合金腐蚀性能变化的测试结果,可以看出,随着外加电压增大,两种钎料合金腐蚀电流均随之增加,其中未经磁场作用的Sn-9Zn钎料腐蚀电流增速趋缓,而经外加磁场作用后的Sn9Zn钎料腐蚀电流的增速仍很大,但总体上仍小于Sn-9Zn钎料腐蚀电流,而腐蚀电流越大,表明金属离子溶入溶液的速度越快,即腐蚀速率越快,其耐蚀性也就越差,因此可以确定,外加磁场作用可使Sn-9Zn钎料合金的耐蚀性能得到较大提高。基于磁场对钎料合金显微组织影响分析可以得到,外加磁场作用可阻止Sn-9Zn钎料合金中粗大的呈针状的富Zn相形成,进而抑制Sn-9Zn钎料合金Zn的选择性腐蚀而造成脱锌现象的发生。这是因为,元素Zn的标准电极电位较高,电极电势是衡量金属溶解变成金属离子转入溶液的趋势的标量,电极电势值越负,金属越活泼,溶入溶液的离子倾向越大,越容易发生腐蚀,所以外加磁场作用促进Sn-9Zn钎料合金的耐蚀性能的提高。

Fig.7 Effect of megnatic field on corrosion of resistance of Sn-9Zn solder图7 磁场对Sn-9Zn钎料腐蚀性能影响

3 结束语

(1)外加磁场可促进Sn-9Zn钎料合金在(200)、(101)、(211)晶面迅速结晶形核,从而促使钎料组织显著细化;

(2)外加磁场作用使Sn-9Zn钎料合金熔化温度下降近2℃;

(3)外加磁场作用可降低Sn-9Zn钎料合金腐蚀电流,提高钎料合金腐蚀性能。

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(Ed.:W YX,Z)

The Effects of M agnetic Field on M icrostructure, Molten Temperature and Co rrosion of Sn-9Zn Solder

WU M in
(School of M echanical Engineering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning 113001,P.R.China) Receivered 21 December 2009;revised 10 M arch 2010;acccepted 24 A pril 2010

Effectsonmicrostructure,molten temperature and corrosion of Sn-9Zn solder alloy was researched undermagnetic field of 0.5 T by means of XRD,SEM and metal corrosion detecter etc.The results show that magnetic field can refine microstructureof Sn-9Zn solder alloy,molten temperature decrease by 2℃and corrosion imp rove aswell.It can be concluded that themagnetic field can p romote Sn-9Zn solder to crystalize at special p lane and restrict formation of rich-Zn phase,w hich refine microstructure of Sn-9Zn solder and imp rove its p roperty.

Magnetic field;Sn-9Zn solder;M icrostructure;Molten temperature;Corrosion;Intensity peak

.Te1.:+86-413-6865150;fax:+86-413-6860766;e-mail:w umin_1@sina.com

TG42

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.022

1006-396X(2010)02-0080-04

2009-12-21

吴敏(1971-),男,辽宁兴城市,讲师,硕士。

辽宁省教育厅科学研究计划资助项目(2008382, 20060505)。