Cu含量對(duì)鋁基釬料性能的影響

王君君，王 艷，何 雷

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

Cu含量對(duì)鋁基釬料性能的影響

王君君，王 艷，何 雷

(西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

試驗(yàn)選用Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三種鋁基釬料，利用SDTQ600型差示掃描量熱儀、Phillips X＇Pert型X射線衍射儀和OLYMPUS型光學(xué)顯微鏡等分析Cu含量對(duì)釬料性能的影響。研究表明，三種釬料的基本組織為：基體α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅；隨著Cu含量的增加，Cu與Al之間形成的金屬間化合物相的含量增加，釬料硬度隨之增加。釬料熔化特性曲線表明，增加Cu含量能有效降低釬料的熔點(diǎn)，并使釬料凝固溫度區(qū)間變窄。腐蝕試驗(yàn)表明隨Cu含量的增加釬料腐蝕率增加。釬料的鋪展面積受Cu飽和程度的影響，當(dāng)Cu含量低于其在Al中溶解度時(shí)，隨Cu含量增加，鋪展面積增大；反之，鋪展面積減小。

Cu含量；鋁基釬料；釬料性能

0 前言

目前使用的鋁基釬料種類(lèi)繁多，如Al-Si系、Al-Mg系、Al-Zn系釬料等。其中最常用的是Al-Si系釬料，該種釬料具有良好的流動(dòng)性、潤(rùn)濕性、抗腐蝕性和可加工性，但由于其熔點(diǎn)較高，與鋁合金固相線溫度相近，為了避免釬焊溫度過(guò)高造成熔蝕缺陷，研究新型Al-Si系釬料成為鋁合金釬料研究的重要方向之一。受生產(chǎn)成本、原材料等因素限制，向Al-Si釬料中添加Cu元素來(lái)降低熔點(diǎn)是研究的熱點(diǎn)，但Cu元素對(duì)釬料性能的影響規(guī)律尚不明晰。本研究以Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu為基礎(chǔ)，分析Cu含量對(duì)釬料性能的影響，為工程實(shí)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為商用Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三種成分塊狀釬料。

金相組織分析將釬料按金相標(biāo)準(zhǔn)取樣，經(jīng)打磨、拋光后用0.5%HF溶液腐蝕5 s，在OLYMPUS型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行組織觀察；利用Phillips X＇Pert型X射線衍射儀分析釬料相結(jié)構(gòu)；硬度測(cè)試在HVS-1000型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)加載1.96 N，保載20 s；腐蝕試驗(yàn)在2%HCl溶液中浸蝕48 h，稱(chēng)量腐蝕前后的質(zhì)量差，計(jì)算腐蝕率；釬料熔化特性分析采用SDTQ600型差示掃描量熱儀，實(shí)驗(yàn)時(shí)各成分釬料取樣10 mg，實(shí)驗(yàn)升溫速度20℃／min；潤(rùn)濕性試驗(yàn)在1060鋁板上按GB11364-89進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織和硬度

圖1為三種Cu含量鋁基釬料的金相組織，可見(jiàn)其組織主要為：基體α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅。由圖1a可見(jiàn)，在釬料Al-11Si-0.3Cu中Cu主要固溶于基體；在圖1b所示的Al-11Si-4Cu金相圖中明顯分布一些銀灰色的組織，X射線衍射表明，該試樣中有Cu與Al的金屬間化合物相AlCu和Al2Cu，這種相均勻分布在釬料中，起到固溶強(qiáng)化的作用；比較圖1c和圖1b，發(fā)現(xiàn)圖1c中銀灰色的組織大大增加，呈枝晶狀連接生長(zhǎng)分布于合金之中，且圖1c中有一些分布在晶界上的黑色相，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制，未能進(jìn)行微區(qū)相結(jié)構(gòu)分析，推測(cè)這種物質(zhì)很可能是α(Al)+(Al2Cu)離異共晶[1]，但仍需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析確定。

表1為釬料顯微硬度值，可見(jiàn)隨Cu含量增加，硬度呈上升趨勢(shì)。結(jié)合前面的組織分析可知，當(dāng)Cu含量增加時(shí)，金屬間化合物相(Al2Cu)的含量增加。而Al2Cu是一種硬脆相θ，適量的θ相可起到固溶強(qiáng)化、提高釬料硬度和強(qiáng)度的作用；但當(dāng)Al2Cu過(guò)多時(shí)，釬料塑性降低，加工性能惡化。

表1 顯微硬度HV0.2

2.2 熔化特性曲線

釬料的熔化特性曲線如圖2所示，可見(jiàn)隨Cu含量的增加，釬料的熔化溫度降低，凝固溫度區(qū)間變窄。究其原因：Cu和Al之間形成低熔點(diǎn)的二元共晶Al2Cu(Tm＝548℃)，隨著Cu含量的增加，Al2Cu增加所致；Al-Si-Cu還可能形成共晶溫度(Tm＝525℃)更低的三元共晶，所以Cu、Si、Al的共同作用使共晶溫度大大下降。此外，三種釬料的熔化曲線都不是單峰，而是雙峰結(jié)構(gòu)，隨Cu含量的增加，小吸熱峰向大吸熱峰的峰頂靠攏，進(jìn)一步表明實(shí)驗(yàn)釬料中含有不同熔化溫度的結(jié)晶相。

圖1 釬料顯微組織

2.3 耐蝕性

耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨Cu含量增加，釬料的腐蝕率增加。試驗(yàn)中Cu和Si為原電池的陰極，Al作為陽(yáng)極，Cu含量的增加，意味著陰極面積的增加，這使得陰極面積對(duì)陽(yáng)極面積比增大。從而加快陽(yáng)極性金屬的腐蝕。

表2 腐蝕數(shù)據(jù)

2.4 潤(rùn)濕性

實(shí)驗(yàn)測(cè)得Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三種釬料的鋪展面積分別為28.7 mm2／g、71.9 mm2／g、61.3 mm2／g。根據(jù)釬料潤(rùn)濕性理論，釬料的潤(rùn)濕角與以下因素有關(guān)[2]

式中 θ 為潤(rùn)濕角；σSG，σLS，σLG分別為固-氣、液-固、液-氣界面間的界面張力。

在高溫和室溫條件下，Si、Cu兩元素在Al中均有較高的溶解度，凝固溫度下Cu在Al中的最大溶解度是5.56%。當(dāng)Cu含量低于其溶解度時(shí)(本實(shí)驗(yàn)的Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu)，隨Cu含量增加，固-液界面張力σLS減小，液態(tài)釬料潤(rùn)濕角較小，釬料鋪展面積增大。但由于Cu與Al相互作用形成金屬間化合物Al2Cu，阻礙界面張力的降低，所以超過(guò)其溶解度后，隨Cu含量的增加，鋪展面積減小，釬料鋪展性能降低。

3 結(jié)論

(1)Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三種釬料組織主要為：基體α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅。隨Cu含量的增加，金屬間化合物相的含量增加，釬料硬度增加。

(2)Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三種釬料的熔化特性曲線均呈雙峰結(jié)構(gòu)，隨Cu含量的增加，釬料的熔化溫度下降，凝固溫度區(qū)間變窄；腐蝕實(shí)驗(yàn)表明，隨Cu含量增加，釬料的腐蝕率增加。

(3)當(dāng)Cu含量低于其溶解度時(shí)，隨Cu含量增加，釬料鋪展面積增大。但超過(guò)其溶解度后，隨Cu含量的增加，釬料鋪展面積減小。

[1] Jones H.Review：the staus of rapid solidification of alloys in research and application[J].Journal of Materials Science，1984 (6)：94-98.

[2]王 冠，俞偉元，陳學(xué)定，等.鋁釬焊接頭中Cu元素的擴(kuò)散行為研究[J].材料科學(xué)與工藝，2007(3)：20-24.

Effect of Cu content on the properties of aluminum brazing

WANG Jun-jun，WANG Yan，HE Lei
(College of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

Three components of aluminum brazing were used for experiment，including Al-11Si-0.3Cu，Al-11Si-4Cu and Al-11Si-10Cu，and on the influence that the performance of brazing was by Cu content analyzed by SDTQ600 type Differential Scanning Calorimeter DSC，Phillips X＇Pert type X-ray diffraction and OLYMPUS type Optical Microscope.Research showed that the basic organization was composed of matrix α (Al)，eutectic silicon(α +Si)and a few primary silicon for three kinds of aluminum brazing；with the Cu elements increased，the intermetallic phase formed between Cu and Al between content increased，solder hardness increased.Melted characteristic curve of brazing showed that the content of Cu elements increased could effectively reduce the melting point of brazing，and make solidification temperature interval of brazing narrow.Corrosion test suggested that with the content of Cu increased，corrosion rate of brazing increased.Spreading area of brazing was dependent on the influence of Cu saturated degree，when Cu content was lower than its solubility in the Al，with Cu content increased，spreading area increased；conversely，the reverse.

Cu content；aluminum brazing；properties of brazing

TG425

A

1001-2303(2012)03-0036-03

2011-11-11

王君君(1987—)，女，黑龍江牡丹江人，在讀碩士，主要從事材料加工工程的研究。