Pr对Ag30CuZnSn接头强度的影响及断口分析

曹秀斌,郭亚静,钱敏科,王俭辛

(1.江苏远方动力科技有限公司 镇江长江焊材分公司,镇江 212021)(2.江苏科技大学 材料科学与工程国家级实验教学示范中心,镇江 212100)

随着新技术的快速发展,高性能芯片制造、高集成度电路生产和高端材料微连接等现代产业在产业链中所占比例逐年增加,钎焊作为其中的关键工艺之一,引起了更广泛的关注[1-2]．含镉银钎料具有较低的钎焊温度、优异的润湿性能等优点,曾被广泛应用于制冷行业中．但镉元素对人体有毒且对环境有危害,欧盟的RoHS和WEEE指令明确限制其在电子设备中的使用,并且我国也已出台相关政策,禁止镉元素在相关场合的应用．

为寻求AgCuZnCd钎料的替代品,尝试在银钎料中添加其它合金元素改性成为新型钎料[3-5].已有报道添加Ga、In元素后,AgCuZn钎料的熔化温度得到有效降低,润湿铺展性能得到了提高[3]．此外,具有“工业维生素”之称的稀土元素[6-7],在AgCuZn合金体系中的微合金化改进已得到了探索,据报道微量稀土La的加入可使钎料组织细化,并抑制金属间化合物的生长[8];Ce元素在该钎料基体中的富集作用起到了细化晶粒及强化晶界的效果[9];适量的Pr元素对该钎料的润湿铺展性能有一定提高,并可改善钎料合金的显微组织[10]．文中选取Ag30CuZnSn钎料为研究对象,在其中添加不同含量的稀土元素Pr,以此将H62黄铜-H62黄铜对接接头进行火焰钎焊,测试钎焊接头的抗拉强度,分析断口形貌,并研究钎缝的显微组织．

1 试验方法

钎料合金成分设计如表1．将纯度为99.99%的Ag、Cu、Zn和Sn作为原料,为确保成分中Pr含量的准确性,Pr元素以Cu-Pr合金的形式加入．将上述原材料在中频冶炼炉中冶炼,钎料合金浇铸后再通过挤压、拉拔、酸洗后备用．

表1 Ag30CuZnSn钎料化学成分Table 1 Compositions of Ag30CuZnSn filler metals w(x)%

以Ag30CuZnSn-xPr作为钎料,采用火焰钎焊的方法将H62黄铜-H62黄铜进行对接钎焊,母材规格均为60 mm×27 mm×2.5 mm,在相同试验条件下进行多次试验．钎焊后将钎焊接头进行取样,磨平和抛光,用10%的过硫酸铵溶液腐蚀后再用酒精清洗．采用JSM 6480型扫描电子显微镜研究钎缝微观组织．

按照GB/T 11363-2008《钎焊接头强度试验方法》,使用CMT5207万能拉伸机对钎焊后的对接接头进行拉伸测试,加载速率为5 mm/min,测试后进行断口形貌分析．

2 试验结果及分析

2.1 Pr对钎缝显微组织的影响

对H62黄铜-H62黄铜对接钎缝显微组织进行分析,结果见图1．

如图1(a),在未添加稀土元素Pr时,接头钎缝中不规则的蠕虫状固溶体组织以类似离异共晶的形态分布着,白色固溶体的整体分布没有特定的规律性．添加Pr元素后，钎缝中白色固溶体相呈现网格状分布,并且体积分数有显著增加．

图1 使用不同Pr含量钎料焊接的钎缝显微组织Fig.1 Microstructures of the brazed joint using Ag30CuZnSn-xPr filler metals

对Pr元素含量最高的Ag30CuZnSn-0.3Pr钎缝接头进行EDS分析，结果见表2,以期进一步分析钎缝组织以及稀土元素Pr的分布规律．分析结果表明,钎缝中黑色的块状组织A区域为Cu基固溶体,Zn和Ag元素都固溶在其中;黑白相间的网状结构B区域,由白色的Ag基固溶体以及弥散分布其中的黑色颗粒相Cu-Zn化合物所组成,这与文献[3]中的结果相同．固溶体的塑韧性良好,化合物则强度与硬度较高,但钎缝中生成过多的化合物会导致脆性增加,常常成为裂纹的萌生处,从而降低了钎缝的性能,两者的综合作用最终决定了钎缝性能的优劣．

表2 图1所示区域EDS分析结果Table 2 EDS results of chemical compositions of areas marked on Fig.1 w(x)/%

2.2 Pr对Ag30CuZnSn钎焊接头力学性能的影响

H62-H62钎焊接头进行拉伸测试后,发现断裂均发生在钎缝处,抗拉强度如图2．随着钎料中Pr含量的从无到有,钎焊接头抗拉强度得到提高,如Pr的添加量达到0.15%时,接头强度已达到367 MPa,比未添加Pr元素时提高了12%;当Pr的添加量继续增加时,接头抗拉强度值呈下降趋势．

图2 不同Pr含量钎料钎缝抗拉强度Fig.2 Tensile strength of brazed joints with different Pr contents

微量稀土Pr的存在,将促进液态钎料的形核,Pr优先与钎料中的合金元素结合作为形核质点,促进液态钎料的非自发形核;并且由于稀土Pr的加入，液相会出现较大的成分过冷,Pr在结晶前的快速富集作用会在结晶前沿过冷度大的液相中促进形核,抑制晶粒的长大,从而细化晶粒并改善接头的力学性能．Pr的原子半径比Ag、Cu、Zn等原子大的多,当其固溶于钎料合金中时会产生较大的晶格畸变,微观组织中位错滑移受到阻碍,从而提高钎缝的力学性能．另一方面,尽管钎料合金中所固溶的Pr极少,当Pr的固溶强化作用仍是强化基体的原因之一．但Pr的添加量过量时,钎料中会形成稀土相,硬而脆的稀土相在膨胀系数等方面都与基体有较大差异,从而对钎缝力学性能产生不利影响．

Ag30CuZnSn-xPr钎料的对接接头断口形貌如图3．

图3 不同Pr含量Ag30CuZnSn断口形貌Fig.3 Fracture morphology of Ag30CuZnSn with different Pr contents

如图3(a),钎料金属中未添加Pr时,钎焊接头的断口可见密集的韧窝,说明钎焊接头具有良好的塑性．随着Pr元素的质量分数从0.02%增加到0.15%时(图3(b)～3(d))，表现出韧窝尺寸及深度的增加,在断裂过程中材料可吸收的能量越高,即钎料金属中加入微量的稀土Pr,材料的塑性韧性以及钎焊接头的力学性能都得到了改善．当Pr含量为0.2%时,拉伸断口形貌如图3(e),此时可以看出断口处的韧窝特征已变得不明显,出现解理面和撕裂棱,材料的塑性开始下降．当钎料中添加Pr的质量分数为0.3%时,断口的准解理断裂特征更加明显,从图3(f)中可见解理面以及撕裂棱,导致了钎焊接头力学性能的下降．

3 结论

(1) 添加微量稀土元素Pr可提高Ag30CuZnSn钎焊接头的抗拉强度,且随着Pr元素质量分数的提高,接头抗拉强度呈先上升后降低的趋势,在质量分数为0.15%时,抗拉强度达到峰值,相比于未添加Pr元素的钎焊接头提升了12%左右．

(2) 微量稀土元素Pr可改善Ag30CuZnSn钎料显微组织均匀性,提高钎焊接头的韧性;但Pr元素添加过量会恶化钎料显微组织,使得钎焊接头呈脆性趋势,对接头强度不利．