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由于铅及其化合物是有毒物质,对环境和人体健康的危害极大,Sn-Pb钎料已逐步为无铅钎料所取代。然而,现有的无铅钎料在使用过程中存在易氧化、润湿性不良等问题,影响了焊接工艺和质量。本文通过合金化的方式,系统研究了合金元素Ni、P、AL、Nd对Sn-Cu、Sn-Zn系钎料的抗氧化性能,尤其是波峰焊等动态过程下的抗氧化性能的影响,并探讨了合金元素改善钎料抗氧化性能的机理。针对Sn-Zn系钎料润湿性能不良的问题,研制出了一种适用于Sn-Zn系无铅钎料的助焊剂,以提高Sn-Zn系钎料在铜片上的润湿性,并对助焊剂的综合性能进行了评价。
在Sn-0.5Cu无铅钎料中添加微量元素Ni,钎料的抗氧化性能得到了有效的改善,当Ni添加量为0.05%时,钎料在260℃喷流5rain后产生的焊渣量较Sn-0.5Cu降低约30%。实验结果表明:Hi通过在钎料次外层表面形成一种Sn氧化物和Ni氧化物互相固溶的“内阻挡层”,来达到保护钎料不被氧化的目的。Ni的加入会使Sn-0.5Cu钎料金相组织中细小的颗粒状Cu6Sn5相变成条带状,且尺寸变大,合金的抗拉强度增大,但延伸率变化不大。
在Sn-0.SCu-0.05Ni中添加第四组元P,钎料的抗氧化性能得到了进一步的改善,Sn-0.5Cu-0.05Ni-0.03P钎料在260℃喷流5min后其焊渣量较Sn-0.5Cu降低超过85%。P的抗氧化机制有两种,一方面P通过在钎料表面发生氧化,生成一层完整致密的保护性氧化膜P4010来有效地阻止钎料直接接触周围的空气;另一方面P通过生成挥发性的P4O6不断消耗钎料表面的O原子,从而保护钎料中的元素Sn不被氧化。P的加入会使β-Sn初晶和包围着初晶的Cu6Sn5微粒/Sn共晶组织分布更加细化均匀,Sn-0.5Cu-0.05Ni中条带状的CueSn5相重新变成了细小的颗粒相,并使合金的抗拉强度和延伸率均有所提高。
在Sn-9Zn无铅钎料中添加微量元素Al,可以有效地改善Sn-9Zn钎料的抗氧化性能,当Al含量为60ppm时,钎料在260℃喷流5rain后产生的焊渣量仅为Sn-9Zn的1/10。研究表明:Al一方面通过在钎料表面发生氧化,生成一层完整致密的保护性氧化膜Al203,从而保护钎料不被氧化;另一方面,Al的加入可以使生成的ZnO由六方型向立方型转变,从而使波峰焊过程中产生的泡沫氧化渣减少。Al的加入会使合金组织中出现粗大的针状Zn相,合金的抗拉强度增大而延伸率降低。
在Sn-9Zn-60ppmAl中添加第四组元Nd,钎料的抗氧化性能得到了进一步的改善,Sn-9Zn-60ppmAl-0.03Nd钎料在260℃喷流5min后其焊渣量仅为Sn-9Zn的1/20。Nd的抗氧化机制有两种,一方面稀土Nd容易在Sn-Zn-Al钎料的次外层富集,从而进一步地阻止元素Zn的氧化;此外,Nd可以进入Al20s八面体或四面体尖晶石空隙中与氧结合,生成空位数很少、保护性更强的稀土-铝复合氧化膜,提高钎料的抗氧化性能。Nd的加入会使合金组织中深色的针状相尺寸和数量都明显减少,并使合金的抗拉强度和延伸率均有所提高。
此外,本文采用两种方法提高了钎料的润湿性能。除了微量的Al、Nd元素能够提高Sn-Zn钎料的润湿性之外,重点是通过改善助焊剂,提高钎料的润湿性能。在松香中添加活性剂环己胺氢溴酸盐或乙酰胺,可以有效地提高Sn-Zn系无铅钎料在铜片上的铺展率,改善其润湿性。采用其复配配方可以获得更佳的润湿效果,最佳复配比为1:1.5。使用复配助焊剂的焊点饱满光亮,形貌规则,经过丙酮清洗后无明显残留物,腐蚀性较小,接头反应层平整光滑,无明显缺陷,显示了良好的焊接质量。Sn-Zn/Cu接头扩散反应层分为两层,分别形成了Cu6Sn5和Cu5Zn8相,整个扩散层厚度约为2μm左右。