攪拌摩擦加工對Sn9Zn合金組織與性能的影響*

李　震　侯守明

(①阜陽師范學(xué)院 安徽 阜陽 236037；②河南理工大學(xué)，河南 焦作454000)

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攪拌摩擦加工對Sn9Zn合金組織與性能的影響*

李震①侯守明②

(①阜陽師范學(xué)院 安徽 阜陽 236037；②河南理工大學(xué)，河南 焦作454000)

Sn-9Sn合金因其抗氧化性不理想，限制了Sn-9Sn合金的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。因此采用攪拌摩擦加工對Sn-9Sn鑄態(tài)合金進(jìn)行了改性處理，并進(jìn)行了顯微組織、可焊性和抗氧化性的測試與分析。研究發(fā)現(xiàn)：攪拌摩擦加工顯著細(xì)化了合金晶粒，改善了合金的可焊性和抗氧化性。與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后合金的潤濕(零交)時(shí)間減少41.8%、最大潤濕力增大25.2%、165 ℃高溫氧化96 h后單位面積質(zhì)量增重減小67.6%。

攪拌摩擦加工；Sn-9Sn合金；抗氧化性；可焊性；釬料

在電子產(chǎn)品全面無鉛化的過程中，商用的Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.7Cu無鉛合金普遍存在熔點(diǎn)偏高的問題，導(dǎo)致無鉛焊接時(shí)一系列問題出現(xiàn)[1-3]。在降低無鉛合金熔點(diǎn)方面，人們進(jìn)行了較多的研究，也取得了較多的研究成果[4-6]。Sn-9Zn合金的熔點(diǎn)與原用有鉛合金Sn-37Pb相當(dāng)，被譽(yù)為最具原用前途的新一代無鉛合金。但是，Sn-9Zn合金的抗氧化性能較差，嚴(yán)重限制了它的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。攪拌摩擦加工(friction stir processing, 簡稱FSP)，是隨攪拌摩擦焊發(fā)展起來的一種新型改性方法；它在改善合金組織，提高合金性能方面具有顯著的效果[7-8]。但是，關(guān)于Sn-9Zn合金的攪拌摩擦焊加工改性研究還鮮有報(bào)道。為此，筆者嘗試采用攪拌摩擦加工對鑄態(tài)Sn-9Zn合金進(jìn)行改性，并進(jìn)行了顯微組織、可焊性和抗氧化的測試與分析，研究了攪拌摩擦加工對Sn-9Zn合金組織與性能的影響，為Sn-9Zn合金的改性提供了一種新的思路。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

以工業(yè)純錫(Sn)和鋅(Zn)，在TXZ-150型中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行Sn-9Zn合金的熔煉，熔煉溫度為(220±5) ℃，采用鐵模進(jìn)行澆注，然后置于空氣中冷卻，獲得Sn-9Zn合金鑄錠。鑄錠的尺寸為Φ300 mm(直徑)×100 mm(長度)。車除鑄錠表面氧化皮后，將鑄錠加工成200 mm(長)×60 mm(寬)×5 mm(高)的Sn-9Zn合金的鑄態(tài)試樣。鑄態(tài)試樣的化學(xué)成分為：8.8～9.2%Zn、其他雜質(zhì)元素<0.15%、余量為Sn。

1.2攪拌摩擦加工

在自制的攪拌摩擦加工設(shè)備上，對Sn-9Zn鑄態(tài)合金進(jìn)行攪拌摩擦加工改性。試樣的攪拌摩擦加工工藝參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度700 r/min、行進(jìn)速度90 mm/min、軸間直徑12 mm、攪拌摩擦針長度為4.9 mm、攪拌針直徑為4 mm。在攪拌摩擦加工改性前，先用電刷去除合金表面的氧化物，并用酒精清除表面污染物。

1.3測試方法

采用MY20型金相顯微鏡觀察Sn-9Zn合金試樣的顯微組織。

依據(jù)IPC-TM-650標(biāo)準(zhǔn)，采用SAT-5100型可焊性測試儀對Sn-9Zn合金試樣的可焊性進(jìn)行測試，測試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)銅片浸漬深度為10 mm、Sn-9Zn合金浸漬深度為5 mm、浸漬速率為20 mm/s、浸漬時(shí)間為5 s、焊接溫度為235±3 ℃。采用零交時(shí)間和最大潤濕力來表征Sn-9Zn合金的可焊性。

采用HG19型恒溫箱式電阻爐進(jìn)行Sn-9Zn合金試樣的抗氧化試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將各試樣置于90 ℃烘箱中烘至恒重并準(zhǔn)確記錄試樣重量，然后將各試樣同時(shí)置于165 ℃箱式電阻爐中，進(jìn)行為期96 h的高溫氧化試驗(yàn)。每次試驗(yàn)，每隔12 h取出試樣并稱重記錄。最后繪制各試樣的單位面積質(zhì)量增重-時(shí)間曲線。為了減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)試樣進(jìn)行3個(gè)平行樣的測試，取其算術(shù)平均值作為各試樣的實(shí)際質(zhì)量。

2　結(jié)果與分析

2.1顯微組織

Sn-9Zn鑄態(tài)合金在攪拌摩擦加工前后的顯微組織，如圖1所示。從圖1可以看出，與攪拌摩擦加工前(未進(jìn)行攪拌摩擦加工)相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn鑄態(tài)合金的晶粒明顯細(xì)化，攪拌摩擦加工后合金平均晶粒尺寸從23.6 μm減小至15.8 μm，減小了33%。這主要是因?yàn)閿嚢枘Σ良庸み^程中，在攪拌針與Sn-9Zn合金以及軸肩與Sn-9Zn合金之間的摩擦作用產(chǎn)生熱量，并在攪拌針的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下，Sn-9Zn合金內(nèi)部發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，合金晶粒被細(xì)化成顆粒狀[9]。

2.2可焊性

為了準(zhǔn)確測試Sn-9Zn合金的可焊性，每組試樣準(zhǔn)備了5個(gè)試片進(jìn)行測試。攪拌摩擦加工前(未進(jìn)行攪拌摩擦加工)及攪拌摩擦加工后的Sn-9Zn合金可焊性測試結(jié)果，如圖2所示。從圖2a可以看出，與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的潤濕(零交)時(shí)間明顯減少，5個(gè)試片的平均潤濕(零交)時(shí)間從0.502 s減少至0.292 s，減少了41.8%。此外，從圖2a還可以看出，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的5個(gè)試片潤濕(零交)時(shí)間差異性較小，5個(gè)試片的潤濕(零交)時(shí)間均勻性較攪拌摩擦加工前合金得到明顯改善。從圖2b可以看出，與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的最大潤濕力明顯增大，5個(gè)試片的平均最大潤濕力從3.114 mN增大至3.898 mN，增大了25.2%。此外，從圖2b還可以看出，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的5個(gè)試片最大潤濕力差異性較小，5個(gè)試片的最大潤濕力均勻性較攪拌摩擦加工前合金得到明顯改善。我們都知道，在可焊性測試中，合金的潤濕(零交)時(shí)間越短、最大潤濕力越大，合金的可焊性越好；反之，潤濕(零交)時(shí)間越長、最大潤濕力越小，合金的可焊性越差。由此可以看出，與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的可焊性得到明顯提高。也就是說，攪拌摩擦加工顯著改善了Sn-9Zn合金的可焊性。這主要?dú)w功于攪拌摩擦加工帶來的晶粒細(xì)化作用。

2.3抗氧化性

攪拌摩擦加工前(未進(jìn)行攪拌摩擦加工改性)及攪拌摩擦加工改性后的Sn-9Zn合金抗氧化性測試結(jié)果，如圖3所示。從圖3可以看出，與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的單位面積質(zhì)量增重明顯減小，合金的抗氧化性得到顯著改善。其中，當(dāng)165 ℃高溫氧化24 h后，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的單位面積質(zhì)量增重較攪拌摩擦加工前從0.35 μg/mm2減小至0.15 μg/mm2，減小了57.1%；當(dāng)165℃高溫氧化96 h后，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的單位面積質(zhì)量增重較攪拌摩擦加工前從1.11 μg/mm2減小至0.36 μg/mm2，減小了67.6%。在抗氧化試驗(yàn)過程中，合金的單位面積質(zhì)量增重越小，合金的抗氧化性越好；反之，合金的單位面積質(zhì)量增重越大，合金的抗氧化性越差。由此可以看出，與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的抗氧化性得到明顯提高。也就是說，攪拌摩擦加工顯著改善了Sn-9Zn合金的抗氧化性。圖4是攪拌摩擦加工前后Sn-9Zn合金96 h抗氧化試驗(yàn)后的表面形貌SEM照片。從圖4可以看出，攪拌摩擦加工前Sn-9Zn合金96 h抗氧化試驗(yàn)后表面出現(xiàn)較多大小不一的氧化腐蝕坑和較多的氧化皮，合金的高溫氧化嚴(yán)重；攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金96 h抗氧化試驗(yàn)后表面無明顯的氧化腐蝕坑，合金的高溫氧化較攪拌摩擦加工前合金顯著減輕。這主要是因?yàn)樵跀嚢枘Σ良庸み^程中，Sn-9Zn鑄態(tài)合金內(nèi)部晶粒得到明顯細(xì)化，并且攪拌摩擦加工使得合金內(nèi)部的孔洞、氣孔缺陷被壓緊，明顯減少了合金內(nèi)部存在的孔洞、氣孔等缺陷，所以攪拌摩擦加工顯著改善了Sn-9Zn合金的抗氧化性。

3　結(jié)論

Sn-9Zn合金因其抗氧化性不理想，限制了Sn-9Zn合金的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。本文采用攪拌摩擦加工對Sn-9Zn鑄態(tài)合金進(jìn)行了改性處理，并進(jìn)行了顯微組織、可焊性和抗氧化性的測試與分析，得到了如下主要結(jié)論：

(1)攪拌摩擦加工顯著細(xì)化了Sn-9Zn鑄態(tài)合金的晶粒，改善了合金的可焊性和抗氧化性。與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸從23.6 μm減小至15.8 μm，減小了33%。

(2)與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的平均潤濕(零交)時(shí)間從0.502 s減少至0.292 s，減少了41.8%；平均最大潤濕力從3.114 mN增大至3.898 mN，增大了25.2%。

(3)與攪拌摩擦加工前相比，攪拌摩擦加工后Sn-9Zn合金在165 ℃高溫氧化24 h后的單位面積質(zhì)量增重從0.35 μg/mm2減小至0.15 μg/mm2，減小了57.1%；當(dāng)165 ℃高溫氧化96 h后的單位面積質(zhì)量增重從1.11 μg/mm2減小至0.36 μg/mm2，減小了67.6%。

[1]趙柏森,傅田,馬睿,等.微量銀對Sn-9Zn合金電化學(xué)腐蝕行為的影響[J].機(jī)械工程材料,2015,39(4):68-70,80.

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[3]劉正林,楊凱珍,尹登峰,等.鋁銅釬焊用Zn-Al釬料的研究[J].熱加工工藝,2009,38(11):123-125,128.

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Effects of friction stir processing on microstructure and properties of Sn9Zn alloy

LI Zhen①, HOU Shouming②

(①Fuyang Normal University, Fuyang 236037,CHN; ②Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, CHN)

The unsatisfied oxidation resistance of Sn-9Sn alloy has limited the commercial application process of Sn-9Sn alloy. In this paper, Sn-9Sn cast alloy was modified by friction stir processing, and the testing and analysis of the microstructure, weldability and oxidation resistance were carried out. The study found FSP was capable of significantly refining grain and improving weldability and oxidation resistance of Sn-9Sn alloy. Compared to the unmodified alloy samples, wetting(zero cross) time of friction stir processed alloy reduced by 41.8%, the maximum wetting force increased by 25.2%, and at high-temperature of 165 ℃ for 96h the weight gain of mass per unit area decreased by 67.6%.

friction stir processing; Sn-9Sn alloy; oxidation resistance; weldability; solder

TG454

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.004

李震，男，1979年生，碩士，副教授，高級技師，從事機(jī)械制造及新型材料應(yīng)用研究。

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2016-05-10)

161008

*河南省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2012SJGLX332)；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃(2012GGJS-298);河南省高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目(H2013613)