非晶cup钎料的润湿机理和界面结构研究(附件)【字数：11009】
摘 要摘 要本文采用快速凝固法和传统熔炼工艺制备出相同成分的CuPSnNi晶态钎料和非晶态钎料，分别采用DTA，SEM，超景深等现代化手段测试分析，对比分析晶态钎料和非晶态钎料的结晶区间，非晶钎料和晶态钎料的润湿性能受到加热温度的影响。观察润湿界面结构图。实验结果表明由于非晶钎料的成分扩散均匀，不存在偏析，使它的熔点比晶态钎料约低3.14℃，结晶区间缩小3.7℃。非晶态钎料在润湿性，延展性能，等方面都要优于晶态钎料。随着钎料加热温度增加，两种钎料的润湿速度都出现了先增后减的情况，到680℃时，润湿面积达到最大。非晶钎料润湿的界面中，呈蜂窝状，偏析较小。而晶态钎料的润湿界面中，有较大偏析。关键词快速凝固；Cu-P非晶钎料；润湿性；界面结构；
目录
第一章 绪论 1
1.1 立题背景及意义 1
1.2 非晶态钎料和钎焊国内外发展动态 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 非晶态钎料的分类 3
1.3 CuP钎料的研究现状和发展 5
1.3.1 传统铜磷钎料的研究情况 5
1.3.2 非晶铜磷钎料的研究现状 6
1.4 真空钎焊 7
1.4.1 真空钎焊技术的优缺点 8
1.4.2 真空钎焊工艺参数的要求 8
1.5 本文主要研究方面 9
第二章 实验材料设备及方法 10
2.1 实验所需材料及器材 10
2.2 钎料润湿性实验 11
2.3试验方法 11
2.3.1 单辊法制备晶态钎料 11
2.3.2 分析晶态与非晶态钎料元素差别 13
2.3.3钎料润湿性实验 13
2.3.4 用高温接触角测量仪测量非晶态与晶态的接触角 14
2.3.5 润湿面积与界面的金相观察 14
第三章 实验结果和讨论 15
3.1 晶态钎料与非晶钎料成分对比 15
3.2 DTA测试 16
3.3 润湿角 18
3.3.1 非晶钎料在不同温度下熔化形貌 18
3.3.2 晶态钎料在不同温度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
下熔化形貌 19
3.3.3 非晶钎料与晶态钎料润湿角及形貌对比 20
3.4 润湿面积 21
3.5界面结构 24
结论 26
参考文献 27
致 谢 29
第一章 绪论
1.1 立题背景及意义
非晶态钎料(Amorphous solder )在快速凝固条件下获得，载非平衡条件下制备非晶钎料，这样通过快速冷却获得的非晶钎料具有优异的性能，其成分，功能，相结构等优势明显。非晶态钎料自从人类开始使用，薄带钎料首先迅速发展。目前开始消费各种各样的非晶钎料，在各种合金，超强度钢，陶瓷以及特种材料钎焊时宽泛运用。相关论文提出了非晶态薄带钎料在焊接部件的接头强度、焊缝的抗蚀性、表面润湿铺展性等方面都比一般钎料优秀[1]。总结其缘由，大抵以为主要有以下几点:
(1)使用简便。晶态针料（Crystalline needles material）大多是由过渡元素和非金属元素构成。这些钎料大部分呈共晶或接近共晶成分，但是晶态合金大多很脆，绝大多数以粉末状或者牙膏状存在，元素分布不均匀，用起来极度不方便，弊端很多。然而非晶钎料合金化水平高，元素分布均匀，组织偏析少，所以不会让钎料变得很脆。因其延展性好把非晶钎料制备成所需的样子，当非晶钎料精确的放在焊缝中，接头的强度以及可靠性得到明显提高。
(2)非晶钎料熔点低，具有良好的润湿性。因为非晶态钎料为非共晶成分，因此合金化水平较共晶成分的晶态钎料要好，组织较细，元素分布及化合物分布均匀，熔点比传统的钎料低。非晶钎料熔化温度范围小，所需时间短，所以具备良好的流动性好的优点，毛细钎焊（Capillary brazing）性能得到提高，焊接接头可靠性较高。此外，因为非晶态由于结构处于非稳定状态，一旦接近熔点，晶体便可以熔化，从而析出钎料，在熔化的时候会有热量散发。一旦钎料发生放热，钎料中的原子扩散加快，因此钎料扩展速度也加快，从而能够钎料在基体表面的铺展润湿能得到提高。
(3)非晶钎料的偏析较少、钎焊强度高，可靠性高。非晶态钎料中的原子处于无序形态，但是非晶钎料的元素分布均匀，熔化温度范围较小。所以钎焊的能耗可以大大缩小，偏析显著减少，钎焊接头强度也显著提高。又因为快速凝固的钎料组织分布均匀，偏析比较少，易形成前驱膜，比较耐腐蚀，耐氧化。
(4)非晶钎料由于元素分布均匀，偏析少，因而润湿性好，其焊接接头强度可靠性高，抗氧化性能好。但是，如下几个问题并不能用上面的观点解释[2]：
(1)晶态钎料因制备时间长，不像非晶钎料用快速凝固技术获得，必然会存在宏观偏析（Macro segregation）。但是现在在铸造技术迅速发展的条件下，也能够让晶态钎料的组织相对于之前偏析已经大大减少。但是偏析对接头可靠性的影响比较小。但是如果因此产生脆性相，那么对焊接性能有重大影响，不然影响几乎可以忽略。这是因为对于焊接接头来说，焊料在焊缝中的饱和度或者填充面起到决定作用，如果填充面积不符合规范，饱和度较低，那么焊接接头的强度必然会很低。非晶钎料在与上述采用最新铸造技术制备的晶态钎料在相同的工艺参数下对于焊接接头的性能作比较，非晶钎料仍然具有绝对优势，上面的观点在这个方面就不成立了。
(2)钎焊时普通钎料的熔点一般来说要比非晶钎料高20℃50℃左右，这个温度差不影响钎料的润湿性。而且，当温度达到一个定值，钎料的润湿面积（Wetting property）可提高的范围很小。但是在相同的工艺参数下，非晶钎料的润湿面积要比晶态钎料高约15%。所以仅仅从熔点这个方面是很难解释的。
1.2 非晶态钎料和钎焊国内外发展动态
1.2.1 概述
铜族金属性能优异，所以能够在铜和铜合金的领域广泛应用。一般铜合金的抗腐蚀性都特别优异，同时具有良好的导电导热性能，铜金属色泽美丽，可用于加工成型，铜族金属很早就选用作钎料。由于铜族金属的熔点达到1083℃，很大程度上影响了其使用。因此，科学家们通过添加磷锡镍等元素来降低其熔点以便来改善性能，从而扩大应用。磷能够降低铜基钎料熔点，所以传一般铜磷钎料应用广泛。铜磷钎料具有熔点低、流动性好的优点，其钎焊温度靠近银钎料，也因此可以很好地润湿铜。钎料中的磷具有还原氧化铜的功能，还原氧化铜以后产生的氧化物可以形成液态放置在金属表面防止金属表面氧化。所以对紫铜钎焊的时候不需要钎剂，因为钎焊接头的强度和导电性较好，接头的脆性比钎料本身要小，其熔点降低，同时有优秀的焊接物理化学性，自钎效果和价格优势等特点，因此被学者认为500~800℃温度区间最有希望代替银基钎料的金属。但传统的铜磷钎料因为Cu3P是脆性化合物，因此这种化合物只能在加热或在轧制下使用，所以接头韧性和强度都要比银基钎料逊色，由于钎料自身难以加工，以传统方法难以制成薄带。其次，由于磷铜合金耐腐蚀耐硫化性能比较差，润湿黑色金属比较差，铁和镍相互之间容易生成脆性相，因此这种钎料的应用也因此受到限制。
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第一章 绪论 1
1.1 立题背景及意义 1
1.2 非晶态钎料和钎焊国内外发展动态 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 非晶态钎料的分类 3
1.3 CuP钎料的研究现状和发展 5
1.3.1 传统铜磷钎料的研究情况 5
1.3.2 非晶铜磷钎料的研究现状 6
1.4 真空钎焊 7
1.4.1 真空钎焊技术的优缺点 8
1.4.2 真空钎焊工艺参数的要求 8
1.5 本文主要研究方面 9
第二章 实验材料设备及方法 10
2.1 实验所需材料及器材 10
2.2 钎料润湿性实验 11
2.3试验方法 11
2.3.1 单辊法制备晶态钎料 11
2.3.2 分析晶态与非晶态钎料元素差别 13
2.3.3钎料润湿性实验 13
2.3.4 用高温接触角测量仪测量非晶态与晶态的接触角 14
2.3.5 润湿面积与界面的金相观察 14
第三章 实验结果和讨论 15
3.1 晶态钎料与非晶钎料成分对比 15
3.2 DTA测试 16
3.3 润湿角 18
3.3.1 非晶钎料在不同温度下熔化形貌 18
3.3.2 晶态钎料在不同温度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
下熔化形貌 19
3.3.3 非晶钎料与晶态钎料润湿角及形貌对比 20
3.4 润湿面积 21
3.5界面结构 24
结论 26
参考文献 27
致 谢 29
第一章 绪论
1.1 立题背景及意义
非晶态钎料(Amorphous solder )在快速凝固条件下获得，载非平衡条件下制备非晶钎料，这样通过快速冷却获得的非晶钎料具有优异的性能，其成分，功能，相结构等优势明显。非晶态钎料自从人类开始使用，薄带钎料首先迅速发展。目前开始消费各种各样的非晶钎料，在各种合金，超强度钢，陶瓷以及特种材料钎焊时宽泛运用。相关论文提出了非晶态薄带钎料在焊接部件的接头强度、焊缝的抗蚀性、表面润湿铺展性等方面都比一般钎料优秀[1]。总结其缘由，大抵以为主要有以下几点:
(1)使用简便。晶态针料（Crystalline needles material）大多是由过渡元素和非金属元素构成。这些钎料大部分呈共晶或接近共晶成分，但是晶态合金大多很脆，绝大多数以粉末状或者牙膏状存在，元素分布不均匀，用起来极度不方便，弊端很多。然而非晶钎料合金化水平高，元素分布均匀，组织偏析少，所以不会让钎料变得很脆。因其延展性好把非晶钎料制备成所需的样子，当非晶钎料精确的放在焊缝中，接头的强度以及可靠性得到明显提高。
(2)非晶钎料熔点低，具有良好的润湿性。因为非晶态钎料为非共晶成分，因此合金化水平较共晶成分的晶态钎料要好，组织较细，元素分布及化合物分布均匀，熔点比传统的钎料低。非晶钎料熔化温度范围小，所需时间短，所以具备良好的流动性好的优点，毛细钎焊（Capillary brazing）性能得到提高，焊接接头可靠性较高。此外，因为非晶态由于结构处于非稳定状态，一旦接近熔点，晶体便可以熔化，从而析出钎料，在熔化的时候会有热量散发。一旦钎料发生放热，钎料中的原子扩散加快，因此钎料扩展速度也加快，从而能够钎料在基体表面的铺展润湿能得到提高。
(3)非晶钎料的偏析较少、钎焊强度高，可靠性高。非晶态钎料中的原子处于无序形态，但是非晶钎料的元素分布均匀，熔化温度范围较小。所以钎焊的能耗可以大大缩小，偏析显著减少，钎焊接头强度也显著提高。又因为快速凝固的钎料组织分布均匀，偏析比较少，易形成前驱膜，比较耐腐蚀，耐氧化。
(4)非晶钎料由于元素分布均匀，偏析少，因而润湿性好，其焊接接头强度可靠性高，抗氧化性能好。但是，如下几个问题并不能用上面的观点解释[2]：
(1)晶态钎料因制备时间长，不像非晶钎料用快速凝固技术获得，必然会存在宏观偏析（Macro segregation）。但是现在在铸造技术迅速发展的条件下，也能够让晶态钎料的组织相对于之前偏析已经大大减少。但是偏析对接头可靠性的影响比较小。但是如果因此产生脆性相，那么对焊接性能有重大影响，不然影响几乎可以忽略。这是因为对于焊接接头来说，焊料在焊缝中的饱和度或者填充面起到决定作用，如果填充面积不符合规范，饱和度较低，那么焊接接头的强度必然会很低。非晶钎料在与上述采用最新铸造技术制备的晶态钎料在相同的工艺参数下对于焊接接头的性能作比较，非晶钎料仍然具有绝对优势，上面的观点在这个方面就不成立了。
(2)钎焊时普通钎料的熔点一般来说要比非晶钎料高20℃50℃左右，这个温度差不影响钎料的润湿性。而且，当温度达到一个定值，钎料的润湿面积（Wetting property）可提高的范围很小。但是在相同的工艺参数下，非晶钎料的润湿面积要比晶态钎料高约15%。所以仅仅从熔点这个方面是很难解释的。
1.2 非晶态钎料和钎焊国内外发展动态
1.2.1 概述
铜族金属性能优异，所以能够在铜和铜合金的领域广泛应用。一般铜合金的抗腐蚀性都特别优异，同时具有良好的导电导热性能，铜金属色泽美丽，可用于加工成型，铜族金属很早就选用作钎料。由于铜族金属的熔点达到1083℃，很大程度上影响了其使用。因此，科学家们通过添加磷锡镍等元素来降低其熔点以便来改善性能，从而扩大应用。磷能够降低铜基钎料熔点，所以传一般铜磷钎料应用广泛。铜磷钎料具有熔点低、流动性好的优点，其钎焊温度靠近银钎料，也因此可以很好地润湿铜。钎料中的磷具有还原氧化铜的功能，还原氧化铜以后产生的氧化物可以形成液态放置在金属表面防止金属表面氧化。所以对紫铜钎焊的时候不需要钎剂，因为钎焊接头的强度和导电性较好，接头的脆性比钎料本身要小，其熔点降低，同时有优秀的焊接物理化学性，自钎效果和价格优势等特点，因此被学者认为500~800℃温度区间最有希望代替银基钎料的金属。但传统的铜磷钎料因为Cu3P是脆性化合物，因此这种化合物只能在加热或在轧制下使用，所以接头韧性和强度都要比银基钎料逊色，由于钎料自身难以加工，以传统方法难以制成薄带。其次，由于磷铜合金耐腐蚀耐硫化性能比较差，润湿黑色金属比较差，铁和镍相互之间容易生成脆性相，因此这种钎料的应用也因此受到限制。
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