銅磷釬料組織缺陷對釬料特性的影響研究

倪雪輝 劉暢 張行 楊芝明

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

釬焊材料的品質和釬焊工藝的匹配直接決定最終的釬焊質量[1]。從釬料本身角度出發，就目前釬焊中易出現的諸如難熔、斷焊、氣孔、夾雜等釬焊缺陷而言，幾乎均可追溯至釬料生產加工中的相關工藝問題。目前國內對銅磷釬料成分、性能及其對釬焊質量的影響研究較多。張培磊[2]等人對國產BCu80PAg釬料和德國進口L-Ag15P釬料進行了化學成分、熔化性能、潤濕性試驗，發現L-Ag15P釬料的成分均勻性和潤濕性要好于BCu80PAg，其融化區間較窄。訾樹燕[3]等人以H68和H62黃銅為釬料，通過在硼砂中添加Zn粉和Mn粉來研究它對釬焊作用的影響，發現在釬劑中添加上述物質可以改善釬料的鋪展性能，提高釬焊接頭的剪切強度。但是，關于釬料組織缺陷對釬料特性及釬焊質量的影響卻還存在空白，因此無法全面評估影響釬焊質量的材料性因素。

本文通過調整釬料加工工藝參數，試制出宏觀偏析、熔體雜質、組織不良三類不同缺陷程度試樣，旨在研究探討在銅磷釬料的生產過程中諸如熔體雜質含量、合金富銅宏觀偏析，以及枝晶和共晶組織粗大、分布不均等因素對最終銅磷釬料熔化特性、力學性能的影響規律，為現有銅磷釬料生產工藝的改進提供數據支持，為應用場景下釬焊質量的進一步提高提供參考。

2 試驗材料

試驗材料為成分符合QHGB 003-2019《華光0號釬料》的銅磷釬料合金，化學成分如表1所示。

通過控制加工工藝因素，如澆注溫度、模具溫度、鑄造環境、鑄件壁厚等，制造出含有宏觀偏析、熔體雜質、組織不良三類缺陷的試樣。依據富銅組織所占截面積百分數由低到高的次序，將富銅偏析缺陷劃分為1至3級，如圖1（a）所示；依據鑄坯和線坯組織中夾雜尺寸和面密度由低到高的次序，將夾雜缺陷劃分為1至3級，如圖1（b）所示；依據鑄態組織中枝臂平均尺寸、枝臂長寬比、二次枝臂間距、共晶相平均尺寸和長短軸比，以及變形組織中灰白色跡線數量和面積百分數由低到高的次序，將組織不良缺陷依次劃分為1至3級，如圖1（c）、（d）所示。

表1 試驗樣品成分

試驗樣品具體規格如表2所示。每個編號下由形貌狀態分為鑄態和擠壓態兩類，如圖2所示。鑄態試樣直徑為47 mm，厚度為10 mm；擠壓態試樣直徑為3.2 mm，長度為400 mm。采用鋸切和線切割等方法對試驗材料進行切割取樣，所取得的樣品經砂紙打磨、四氯化碳除油和酒精清洗后靜置備用。

采用400#、600#、800#、1000#金相水磨砂紙對擠壓態試驗樣品進行預磨，后使用金剛石研磨膏、金剛石懸濁液和長絨拋光布在轉盤式機械拋光機上將樣品精拋至光亮無粗大劃痕，再浸入無水乙醇溶液中超聲清洗30 s，使用氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕3 s后滴加無水乙醇2～3滴，而后快速吹干并置于Axios型光學顯微鏡下觀察和拍照，金相結果如圖3所示。

不同偏析程度下擠壓態試樣的組織形貌如圖3（a）、（b）、（c）所示，1#富銅組織所占百分比最高，偏析缺陷最嚴重。

不同夾雜程度下擠壓態試樣的組織形貌如圖4（a）、（b）、（c）所示，4#夾雜尺寸和面密度最高，夾雜缺陷最嚴重。

不同組織均勻程度下擠壓態試樣的組織形貌如圖5（a）、（b）、（c）所示，7#組織不均勻程度最高，不良缺陷最嚴重。金相試驗結果說明，制備試樣呈現不同缺陷程度，符合后續試驗要求。

3 試驗方法

對于熔化溫度的測定，將偏析擠壓態試樣和不良擠壓態、鑄態試樣各取15 mg制成細小顆粒，采用耐馳差示掃描熱分析儀（DSC）對樣品固液相線進行測量。試驗參數為開始測量溫度200℃，終止測量溫度850℃，升溫速率20 K/min，降溫速率30 K/min。

表2 試驗樣品規格

圖1 試驗樣品缺陷形貌

圖2 試驗樣品宏觀形貌

圖3 宏觀偏析試樣微觀組織形貌

圖4 熔體雜質試樣微觀組織形貌

對于硬度的測定，使用Wilson顯微硬度測試儀對偏析擠壓態試樣的富銅位置和正常位置進行測試，打點個數為5，結果取平均值。載荷500 g，保載時間10 s，測試過程中記錄各點壓痕左右及上下對角線長度并計算該點硬度值。

焊接組織氣孔/夾渣觀察。采用400#—1000# SiC金相水磨砂紙對高頻焊后觀察面預磨，使用金剛石研磨膏，MgO或SiO2懸濁液以及帆布織物或長絨拋光布，在轉盤式機械拋光機或振動研磨機上將樣品精拋至光亮無粗大劃痕，再浸入無水乙醇溶液中超聲清洗30 s后取出吹干并置于光學顯微鏡下觀察和拍照。

圖5 擠壓態試驗樣品微觀組織形貌

圖6 擠壓態偏析試樣顯微硬度值

4 結果與討論

4.1 熔化特性

釬料的熔化溫度如表3所示。

結晶溫度區間過寬會導致釬料熔體有分割現象，使釬料流動性降低，結晶溫度區間的縮短有利于釬料在加熱過程中的熔化與鋪展。熔點降低有利于避免母材過燒和晶粒長大，從而提高釬焊質量，同時降低能耗、減少成本，提高經濟效益[4,5]。由表3可得，液相線溫度、結晶溫度區間隨缺陷程度的降低而降低或縮小，如3#擠壓態的液相線比1#擠壓態降低了8.9℃，結晶溫度區間縮小了9.0℃；9#擠壓態的液相線比7#擠壓態降低了33.2℃，結晶溫度區間縮小了33.4℃。所以，可以認為對于宏觀偏析和不良組織試樣，缺陷程度越低越有利于釬料的熔化和鋪展，釬焊質量越好。此外，相比于不良擠壓態試樣，同等缺陷程度下的鑄態試樣熔點低，結晶溫度區間小，如8#鑄態的液相線比8#擠壓態降低了4.6℃，結晶溫度區間縮小了2.8℃。

表3 釬料熔化溫度

4.2 硬度測試

偏析擠壓態試樣的硬度測試結果如圖6所示。

由圖6可得，相同缺陷程度下，富銅位置的顯微硬度值低于正常位置，這是因為正常位置包含的α固溶體（少量）和Cu3P（大量）亞共晶脆性相硬度高[5,6]。并且在不同缺陷程度下，顯微硬度值隨缺陷程度的增加而降低。所以，偏析程度越大，富銅組織越多，釬料的整體硬度會下降，不利于釬料的質量和性能[7]。

4.3 焊后組織氣孔/夾渣觀察

圖7至圖9分別為宏觀偏析試樣焊后形貌、熔體雜質試樣焊后形貌和不良組織試樣焊后形貌。由圖7至圖9可得，偏析試樣焊后組織存在輕微氣孔，熔體雜質試樣焊后存在密集且團簇的氣孔組織，不良組織試樣焊后無氣孔異常發生。所以，組織顆粒大小對氣孔產生無影響；夾渣、偏析引起較大的氣孔問題，且氣孔隨釬料試樣缺陷程度的降低而減少。

5 結論

（1）通過改變鑄坯加工工藝參數諸如澆注溫度、模具溫度、鑄造環境、鑄件壁厚等，制備試樣在光鏡下呈現不同缺陷程度，符合試驗要求。

（2）相同缺陷類型下，液相線溫度、結晶溫度區間隨缺陷程度的降低而降低。此外，相比于不良擠壓態試樣，同等缺陷程度下的鑄態試樣熔點低，熔化溫度區間小。

（3）偏析擠壓態試樣富銅位置的顯微硬度值低于正常位置，并且不同缺陷程度下，顯微硬度值隨缺陷程度的增加而降低。偏析程度越大，富銅組織越多，釬料的硬度越低。

（4）組織顆粒大小對氣孔產生無影響，夾渣、偏析引起較大的氣孔問題，且隨釬料試樣缺陷程度的降低而減少。

圖7 宏觀偏析試樣焊后形貌

圖8 熔體雜質試樣焊后形貌

圖9 不良組織試樣焊后形貌