轧制工艺对银钎料流铺性的影响

张冠星，龙伟民，裴夤崟，崔艳艳

(1.新型钎焊材料与技术国家重点实验室(郑州机械研究所)，郑州450001;2.河南质量工程职业学院，河南 平顶山 467000)

银焊料具有优良的钎焊工艺性能，适宜的熔化温度范围，良好的润湿性和填充间隙的能力，并且强度高、塑性好、导电性和耐蚀性优良可以用来钎焊除铝、镁及其它低熔点金属以外的黑色和有色金属.带状钎料在生产过程中要用到轧制油，而这些油污在不完全燃烧的情况下的残留物在反复轧制退火的过程中会附在钎料表层.国家标准GB10046－2008《银基钎料》中规定杂质元素总量不应超过0.15%，而对杂质元素的种类及其含量未作出规定，国外的一些银基钎料国家标准也没有这方面的规定.目前对银基钎料杂质元素的研究集中在 Pb、Bi、Al、Fe、S、Ca、O 元素［1－5］，国内外还未见杂质元素C对钎料自身及钎焊工艺性进行评价的报道，对C元素的研究主要集中在钢铁材料、钛合金等［6－8］.文中试验以银基钎料为例，主要研究碳在钎料表面的存在状态及其对钢基体焊接工艺性能的影响，初步界定碳对钎焊性能的影响.

1 试验

试验选用银、铜、锌等原材料，运用中频感应熔炼浇铸成直径为90 mm的铸锭，而后用卧式挤压机挤压为3.5 mm×40 mm的板带坯料，分别采用有油和无油两种不同的轧制工艺进行轧制，最后制得0.2 mm×40 mm的钎料，将所需钎料进行超声波酸洗后观察钎料的微观组织，并在惰性气体保护的手套箱中进行润湿试验.试验过程中将两种工艺轧制的钎料及其在钢基体上润湿后的试样剖面镶样，先在砂带机上进行粗磨，而后用不同粒度的水砂纸进行逐级细磨，最后用2.5 μm和1.5 μm的金刚砂抛光膏进行抛光.采用金相显微镜和扫描电子显微镜检测钎料合金的微观组织，采用 EDS 线扫描分析钎料中 Ag、Cu、Zn、Cd、C 元素的分布.

通过对材料表层进行X射线衍射(铜靶，Kα射线，衍射角10°～90°)，分析其衍射图谱，获得材料表层物相组成.

2 结果与分析

2.1 钎料润湿试验

将两种不同轧制工艺条件下的钎料在316LN不锈钢板上进行润湿试验，所得宏观形貌如图1所示.从图1润湿结果上可以看出，有油轧制的钎料在润湿边缘有黑色物质存在，钎料乱流;而无油轧制的钎料表面光洁，润湿效果明显优于有油轧制的钎料.

图1 有油和无油轧制钎料在钢基体上的润湿宏观形貌

2.2 微观组织分析

为了进一步探究有油轧制后的钎料流铺性改变的原因，对钎料进行了微观组织、元素线扫面及钎料表层XRD分析.

图2为有油轧制和无油轧制微观形貌，有油轧制的钎料的表层凸凹不平，而无油轧制钎料表面相对来说比较平整.对两种工艺的钎料进行线扫面分析，分析结果如图3和图4所示.

图2 有油和无油轧制钎料微观组织

图3 有油轧制钎料线扫描图谱

图4 无油轧制钎料线扫描图谱

从图3(b)和图4(b)上可以看出有油轧制的钎料会在其表面富集大量的C元素，厚度约为3～7 μm，而无油轧制的钎料表面无碳元素的富集;整体上来看，钎料中Cu、Zn两种元素的峰值出现的位置基本一致，可能形成了大量的CuZn相;而Ag、Cd两种元素的峰值出现的位置基本一致，可能形成了大量的AgCd相.图5为有油轧制钎料表层的XRD能谱分析.

图5 有油轧制钎料表面的XRD能谱分析

由图5可以看出，有油轧制后的钎料表层含有游离的C分子;含碳的化合物C2CdO4和、ZnC8;CuO、AgO、CdO 氧化物;CuZn、AgCd等物相.

将有油轧制钎料在钢基体上润湿后的试样从中间剖开，观察其断面组织并进行能谱分析，结果如图6所示.

图6 有油轧制钎料润湿钢基体微观组织形貌

从图6及表1的能谱分析可以看出，钎料在钢基体表面润湿后，钎料表面的含碳层将存在三种不同的形式.部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部，在其内部成为游离的碳分子，如图6中A点所示;而部分碳分子随着钎料的熔化开始上浮，处于钎料周围，随着钎料的熔化铺展，这些碳分子颗粒被液态钎料推到了铺展的最前沿，在液态钎料周围形成一个包围圈，而碳是一种常用的阻流剂，它将阻碍钎料的铺展，从而导致钎料的铺展性能下降，如图6中 B点所示，和图1(a)中的宏观形貌相一致;还有一部分形成C2CdO4等复杂化合物，如图6中C点所示，当这些化合物与液相相接触时，只有满足自由能减少这一热力学条件，液相对其润湿过程才能发生，而液态金属与这些复杂氧化物之间存在一个相当大的界面能，液态金属对氧化物的润湿能力相当差，都将明显降低钎料对钢基体的润湿性，也将影响后续的焊接强度等.

表1 图6中A、B、C能谱分析

因此在钎料的生产过程中应采用无油轧制，在无法避免的情况下尽量减少有油轧制的次数，将残留碳的含量降低到最小程度，减少残留含碳层对后期钎料焊接性能的影响，提高钎料的品质.

3 结论

1)有油轧制的钎料会在其表面形成一层含碳层，厚度约为3～7 μm，碳在钎料表面主要以游离的碳分子和ZnC8、C2CdO4形式存在.

2)钎料熔化后，部分碳分子来不及上浮到表面而被包裹在钎料内部，在其内部成为游离的碳分子.

3)部分碳分子随着钎料的熔化铺展，处于钎料周围，这些碳分子颗粒被液态钎料推到了铺展的最前沿，在液态钎料周围形成一个包围圈，从而导致钎料的铺展性能下降.

4)部分形成的含碳的复杂化合物与液态金属的润湿性较差，无法形成连续的有效连接，降低钎料的焊接强度.

［1］ 鲍丽，龙伟民，张冠星，等.微量钙对Ag－Cu－Zn合金性能的影响［J］.焊接学报，2012，33(12):57－60.BAO Li，LONG Weimin，ZHANG Guanxing，et al.Effect of trace calcium on performance of Ag－Cu－Zn alloy［J］.Transactions ofthe China Welding Institution，2012，33(12):57－60.

［2］ 薛松柏，钱乙余，胡晓萍.杂质元素铅、铋在银钎料中的有害作用［J］.焊接，1998(10):6－8.XUE Songbai，QIAN Yiyu，HU Xiaoping.Adverse effect of lead and bismuth in silver filler metal［J］.Welding and Joining，1998(10):6－8.

［3］ 薛松柏，钱乙余，顾文华.杂质元素铝、铁在银钎料中的作用及其机理［J］.焊接，1998(12):6－9.XUE Songbai，QIAN Yiyu，GU Wenhua.Eeffect and mechanism of aluminium and iron in silver filler metal［J］.Welding and Joining，1998(12):6－9.

［4］ 张冠星，龙伟民，鲍丽，等.硫对银钎料及钎焊性能的影响［J］.焊接学报，2013，34(1):77－80.ZHANG Guanxing，LONG Weimin，BAO Li，et al.Effect of sulfur on silver based brazing filler metal and brazing properties［J］.Transactions of the China Welding Institution，2013，34(1):77－80.

［5］ SUI Fangfei，LONG Weimin，LIU Shengxin，et al.Effect of calcium on the microstructure and mechanical properties of brazed joint using Ag－Cu－Zn brazing filler metal［J］.Materials and Design，2013，46:605－608.

［6］ 张尚洲，徐惠忠，刘子全，等.碳含量对Ti－60合金时效过程中硅化物的影响［J］.材料研究学报，2005，19(5):499－505.ZHANG Shangzhou，XU Huizhong，LIU Ziquan，etal.Effect of carbon on silicide precipitates during ageing of Ti－ 60 titanium alloy［J］.Chinese Journal of Materials Rearch，2005，19(5):499－505.

［7］ 姬寿长，李争显，杜继红，等.Ti6Al14V合金表面无氢渗碳层分析［J］.稀有金属材料与工程，2010，39(12):2152－2156.JI Shouchang，LI Zhengxian，DU Jihong，et al.Analysis ofhydrogen-free carburized coating on Ti6Al14V substrate［J］.Rear Metal Materials and Engineering，2010，39(12):2152－2156.

［8］ 余竹焕，刘林，赵新宝，等.碳对镍基单晶高温合金AM3凝固组织的影响［J］.稀有金属材料与工程，2011，40(8):1407－1411.YU Zhuhuan，LIU Lin，ZHANG Weiguo，et al.Effect of carbon on the solidification microstructure of single crystal Ni-based superalloy［J］.Rear Metal Materials and Engineering，2011，40(8):1407－1411.