第5章釬焊接頭的形成過(guò)程(3h)

第5章釬焊接頭的形成

第5章釬焊接頭的形成釬料的潤(rùn)濕與鋪展（掌握）釬料的毛細(xì)流動(dòng)（掌握）釬料潤(rùn)濕性的評(píng)定（了解）影響釬料潤(rùn)濕性的因素（掌握）液態(tài)釬料與母材的相互作用（理解）第5章釬焊接頭的形成

釬焊定義：用比母材熔點(diǎn)低的釬料和焊件一同加熱，使釬料熔化(焊件不熔化)后潤(rùn)濕并填滿(mǎn)母材連接的間隙，釬料與母材相互擴(kuò)散形成牢固連接的方法。第5章釬焊接頭的形成

釬焊包含兩個(gè)過(guò)程:一是釬料填滿(mǎn)釬縫的過(guò)程;二是釬料同母材相互作用的過(guò)程。如果使用釬劑,則還有一個(gè)釬劑的填縫過(guò)程.并不是任何熔化的釬劑或釬料均能順利的填入任何焊件間的間隙中去,必須具備一定的條件,即:液體對(duì)固體的潤(rùn)濕以及釬縫的毛細(xì)作用是熔化釬劑或釬料填縫的基本條件.第5章釬焊接頭的形成

一.釬料的潤(rùn)濕與鋪展

釬焊時(shí),熔化的釬料與固態(tài)母材接觸,液態(tài)釬料必須很好的潤(rùn)濕母材表面才能填滿(mǎn)釬縫.鋪展定義:將液滴置于固體表面,若液滴和固體界面的變化能使液-固體系的自由能降低,則液滴沿固體表面自動(dòng)流開(kāi)鋪平,這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋪展。在潤(rùn)濕終了o點(diǎn)處，有下列平衡圖1:液滴在固體表面的平衡條件θ--潤(rùn)濕角（接觸角）-固相-氣相界面張力液-氣界面張力固-液界面張力第5章釬焊接頭的形成討論:θ與界面張力有關(guān),（-的數(shù)值正負(fù)影響到COSθ的正負(fù)，進(jìn)而影響到θ的相位區(qū)間）當(dāng)0﹤θ<90°時(shí)液體能潤(rùn)濕固體表面;當(dāng)90﹤θ<180°時(shí)液體不能潤(rùn)濕固體表面;極限狀態(tài)：θ=0時(shí)為完全潤(rùn)濕,θ=180°為完全不潤(rùn)濕.濕潤(rùn)角是對(duì)濕潤(rùn)程度的度量釬焊時(shí)要求θ<20°第5章釬焊接頭的形成二、釬料的毛細(xì)流動(dòng)

釬焊時(shí),對(duì)液態(tài)釬料的要求不是自由鋪展，而是填滿(mǎn)釬縫的全部間隙;釬焊間隙很小,如同毛細(xì)管,釬料就依靠毛細(xì)作用在釬縫間隙內(nèi)流動(dòng);因此,釬料能否填滿(mǎn)釬縫取決于它在母材間隙中的毛細(xì)特性。毛細(xì)流動(dòng)特性表現(xiàn)如下圖2現(xiàn)象:圖2:兩平行板間液體的毛細(xì)作用液體在兩平行板之間上升的高度:

式中:a-平行板間隙;ρ-液體的密度;g-重力加速度;

注:h為正值時(shí)液體在間隙中上升;為負(fù)值時(shí)下降.討論:對(duì)h的影響;a對(duì)h的影響;結(jié)論:在θ為零時(shí)完全潤(rùn)濕;a小時(shí)才能保證釬料填滿(mǎn)間隙;第5章釬焊接頭的形成液體在毛細(xì)作用下的流動(dòng)速度:

式中:η-液體的粘度;討論:θ對(duì)v的影響;h對(duì)v的影響;結(jié)論:θ小時(shí)能迅速填滿(mǎn)間隙;h大時(shí),v小,固需要足夠的釬焊加熱保溫時(shí)間;第5章釬焊接頭的形成三.潤(rùn)濕性的評(píng)定及其影響因素1.潤(rùn)濕性的評(píng)定

常借助試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)定,常見(jiàn)的試驗(yàn)有:1)測(cè)潤(rùn)濕角:把釬料放在母材上,采取相應(yīng)的去膜措施,在規(guī)定的溫度下保溫一段時(shí)間后冷卻.2)測(cè)鋪展面積:試驗(yàn)方法同上,冷卻后測(cè)量鋪展面積.3)測(cè)釬料流動(dòng)距離:采用T型試件評(píng)定釬料的潤(rùn)濕性,一定體積的釬料放于T型試件一端的一側(cè),采用相應(yīng)的去膜措施,在規(guī)定的溫度下保溫一定的時(shí)間,冷卻后測(cè)釬料流動(dòng)距離.第5章釬焊接頭的形成4.)測(cè)流動(dòng)系數(shù)K:

式中:Vf-單位長(zhǎng)度的釬縫釬角的總體積;V-單位長(zhǎng)度雙層板上的釬料總體積;As-釬角的截面積;n-釬角數(shù);l-覆釬料板的寬度;δ-釬料層的厚度.圖3:釬焊時(shí)的流動(dòng)系數(shù)第5章釬焊接頭的形成

釬料潤(rùn)濕性理論上從公式可以判定;

但是由于σSG、σLG、σLS數(shù)據(jù)不全,且受實(shí)際條件的影響,不能用于指導(dǎo)實(shí)踐.

實(shí)際判定釬料的潤(rùn)濕性從以下四個(gè)方面入手：2.1釬料和母材的成分

釬料和母材在液態(tài)和固態(tài)下均不相互作用，則它們之間的潤(rùn)濕性很差；

若釬料能和母材相互溶解或形成化合物，則液態(tài)釬料能很好的潤(rùn)濕母材。2.釬料潤(rùn)濕性的影響因素第5章釬焊接頭的形成

在釬料中添加合金元素改善釬料對(duì)母材的潤(rùn)濕性。如(圖4):

Sn,Zn,Si與鐵形成金屬間化合物;Pd,Mn,Ni與鐵形成無(wú)限固溶體圖4:合金元素對(duì)銀銅共晶釬料在鋼上鋪展面積的影響合金元素改善釬料潤(rùn)濕性的作用，主要取決于它們對(duì)液態(tài)釬料與母材的界面張力的影響。合金元素與母材存在作用時(shí)，均能使減小。能與母材無(wú)限固溶體的元素，可使得顯著減小，大大提高潤(rùn)濕性。第5章釬焊接頭的形成圖5:Sn-Pb釬料的表面張力與溫度的關(guān)系結(jié)論:隨著溫度的升高,釬料表面張力不斷減小,提高潤(rùn)濕性.

圖6:各種硬釬料在不銹鋼上的鋪展面積與溫度的關(guān)系結(jié)論:溫度升高,釬料本身表面張力減小;液態(tài)釬料和母材間的界面張力也減小.

為了保證潤(rùn)濕性,選擇合適的溫度很重要,但是溫度過(guò)高,潤(rùn)濕性太強(qiáng),往往造成釬料流失,還會(huì)造成母材晶粒長(zhǎng)大,溶蝕等缺陷.2.2溫度的影響第5章釬焊接頭的形成

2.3金屬表面氧化物的影響

在有氧化膜的金屬表面上,液態(tài)釬料往往凝聚成球狀,不與金屬發(fā)生潤(rùn)濕.由于氧化物的表面張力比金屬本身要小很多（即使σSG減小），使的σSG<σLS,出現(xiàn)不潤(rùn)濕現(xiàn)象,因此,釬焊時(shí)要求去膜.第5章釬焊接頭的形成2.4釬劑的影響

釬焊時(shí)使用釬劑可以清除釬料和母材表面的氧化膜,改善潤(rùn)濕,存在釬劑時(shí),釬料鋪展平衡方程變?yōu)?圖7:使用釬劑時(shí)液滴在固體表面的平衡釬劑的作用:減小σLF,增大

σSF2.5母材表面狀態(tài)(粗糙度)的影響結(jié)論:母材表面的粗糙度對(duì)與它相互作用弱的釬料的潤(rùn)濕性有明顯的提高,主要因?yàn)檩^粗糙表面上的縱橫交錯(cuò)的細(xì)槽對(duì)液態(tài)釬料起了特殊的毛細(xì)作用;當(dāng)釬料與母材相互作用較強(qiáng)烈時(shí),粗糙度的影響不能表現(xiàn)出來(lái),主要是因?yàn)檫@些細(xì)槽很快被液態(tài)釬料溶解而不復(fù)存在.圖8:表面處理對(duì)Ag-20Pd-5Mn釬料在不銹鋼表面鋪展面積的影響(1095℃)第5章釬焊接頭的形成第5章釬焊接頭的形成活性物質(zhì)定義:使溶液表面張力顯著減小,發(fā)生正吸附的物質(zhì),稱(chēng)為表面活性物質(zhì).在釬料中填加活性物質(zhì)時(shí),液體釬料界面張力σLG減小，潤(rùn)濕性提高。

2.6表面活性物質(zhì)的影響

cosθ值增大，潤(rùn)濕角θ減小，潤(rùn)濕性提高.第5章釬焊接頭的形成四.液態(tài)釬料與母材的相互作用

液態(tài)釬料與母材的相互作用:毛細(xì)填縫的同時(shí)發(fā)生相互擴(kuò)散.推動(dòng)力----濃度梯度(嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)是化學(xué)位梯度)分類(lèi)：一是母材向液態(tài)釬料中的溶解(即通常說(shuō)的溶解);

二是釬料組分向固態(tài)母材中的擴(kuò)散；相互作用步驟：釬料組分向母材中擴(kuò)散達(dá)到飽和后，母材才向釬料中溶解。

第5章釬焊接頭的形成釬縫成份與原釬料成份存在差異,原因：母材金屬溶入液態(tài)釬料釬料組分的揮發(fā)適當(dāng)控制溶解程度：釬料成份合金化有利于提高接頭強(qiáng)度母材過(guò)度溶解：熔點(diǎn)升高、粘度增加和流動(dòng)性變差，往往導(dǎo)致不能填滿(mǎn)釬縫間隙。母材的表面出現(xiàn)熔蝕缺陷（如圖9,即在放置釬料處或釬縫圓角處使母材產(chǎn)生凹坑，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)溶穿現(xiàn)象）圖9:溶蝕缺陷a)溶蝕,b)溶穿1.母材向液態(tài)釬料中的溶解第5章釬焊接頭的形成

影響因素：固態(tài)母材在液態(tài)釬料中的溶解與合金狀態(tài)圖、釬焊的溫度以及釬焊保溫時(shí)間有關(guān)。1.1溶解現(xiàn)象與狀態(tài)圖的關(guān)系

在母材－釬料所構(gòu)成的體系中，最大溶解量是與其所構(gòu)成的狀態(tài)圖密切相關(guān)的。如果二者所構(gòu)成的狀態(tài)圖在固液狀態(tài)下均無(wú)互溶的話，就不會(huì)發(fā)生溶解(例如Fe-Ag系)，反之則有溶解現(xiàn)象發(fā)生。第5章釬焊接頭的形成若母材A與釬料B構(gòu)成如右圖所示的簡(jiǎn)單共晶狀態(tài)圖，即二者在固態(tài)下無(wú)互溶，在液態(tài)下完全互溶，則在釬焊溫度為T(mén)℃時(shí)，A在B中的最大溶解量取決于A在B中的極限溶解度(線段l)。極限溶解度越大，最大溶解量越大。共晶點(diǎn)E越靠近母材A，則DE線段就越傾斜，l1就越長(zhǎng)，A的溶解量也就越小。A的溶解量取決于1-11線段的長(zhǎng)短，線段短，A溶解少。圖10：A與B形成簡(jiǎn)單固熔體母材與釬料固態(tài)下無(wú)互溶，液態(tài)下完全互溶第5章釬焊接頭的形成

如果所用的釬料為AB的共晶合金E，則A在B中的溶解量就取決于線段(l-l1)的長(zhǎng)度。此時(shí)可以認(rèn)為是釬料中已經(jīng)預(yù)先溶解了“l(fā)1”這么多的A。所以此時(shí)的最大溶解量為(l-l1)。若共晶點(diǎn)E越靠近母材A，則(l-l1)線段就越短，A的溶解量就越少。因此為了減少母材向釬料中的溶解，可在釬料中加入母材成分。圖10：A與B形成簡(jiǎn)單固熔體第5章釬焊接頭的形成母材和釬料在固態(tài)局部互溶，液態(tài)下完全互溶在T℃下，當(dāng)用A作為母材，B作為釬料時(shí)，在母材A溶解之前，先需要釬料B向母材A中擴(kuò)散，使界面處的母材成份達(dá)到a點(diǎn)時(shí)，才發(fā)生溶解。并且母材A進(jìn)入釬料B使釬料的成份達(dá)到b點(diǎn)時(shí)便停止溶解。因此，如果釬料B在母材A中的極限固溶度越大(即a點(diǎn)遠(yuǎn)離AD線段時(shí))，則母材開(kāi)始發(fā)生溶解所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，所以在給定時(shí)間內(nèi)的溶解量就越少。而母材A在釬料B中的極限溶解度越大(即b點(diǎn)遠(yuǎn)離AD線段)，則釬料成份達(dá)到飽和所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，需要消耗母材的量就越多，溶解量就越大。圖11：A與B共晶狀態(tài)圖第5章釬焊接頭的形成下圖給出了Ni-4B、Ni-4Be和Ni-11Si三種釬料在1200℃下釬焊Ni時(shí)的溶解情況。在此溫度下，Ni在Si、Be、B中的極限溶解度分別為90.5%、95.5%和96.5%，而Si、Be、B在Ni中的極限固溶度分別為7.5%、2.5%和<0.5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ni在Ni-4B中的溶解量最多，在Ni-11Si中的溶解量最少。

圖12釬縫圓角處鎳的溶解深度圖13Ni-B，Ni-Be，Ni-Si狀態(tài)圖

1.Ni-4B，2.Ni-4Be，3.Ni-11Si的富鎳部分示意圖第5章釬焊接頭的形成圖14：母材的溶解速度與溫度的關(guān)系a）母材與釬料形成簡(jiǎn)單固溶體b）母材與釬料在交界面上形成金屬間化合物1.2溶解速度與溫度的關(guān)系第5章釬焊接頭的形成如：Cu在Sn中溶解時(shí)，在某一溫度區(qū)間內(nèi)的溶解速度變慢，而在這一溫度區(qū)間內(nèi)，在界面上開(kāi)始形成金屬間化合物。化合物層的出現(xiàn)阻礙了母材原子向液態(tài)釬料中的擴(kuò)散，使得溶解速度降低(見(jiàn)右圖)。圖15：Cu在Sn中的溶解速度曲線第5章釬焊接頭的形成右圖給出了各種金屬在Sn-Pb共晶釬料中的溶解速度與溫度的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，溶解速度常數(shù)的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)基本上成線性關(guān)系，這可以說(shuō)是服從阿累尼烏斯公式的實(shí)例。即:lgK＝A'＋B'／T；由阿累尼烏斯公式知：

K＝A*exp(－E／RT)式中K為溶解速度常數(shù)，E為溶解活化能，A為指前因子。

A'＝lgA，B'＝-E／2.303R；故K增大，溶解速度增大。圖15：溶解速度與溫度的關(guān)系第5章釬焊接頭的形成1.3溶解速度與加熱保溫時(shí)間的關(guān)系

固態(tài)金屬在液相中的擴(kuò)散速度比固態(tài)金屬在固體中的擴(kuò)散速度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所以母材在液態(tài)釬料中的擴(kuò)散速度比釬料向母材的擴(kuò)散大很多。在液態(tài)釬料很多的情況下，加熱保溫時(shí)間長(zhǎng)，母材的溶解量大。浸沾釬焊時(shí)容易出現(xiàn)母材溶解。釬料很少時(shí)，母材溶解很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，不再溶解。但釬角處釬料多，容易出現(xiàn)母材溶解第5章釬焊接頭的形成2.釬料向母材之間的擴(kuò)散在釬焊過(guò)程中，在釬料潤(rùn)濕母材的同時(shí)就伴有擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。并且在此后的過(guò)程中擴(kuò)散過(guò)程將繼續(xù)進(jìn)行。擴(kuò)散本身是一種物質(zhì)傳輸過(guò)程，在金屬與合金的晶體中，原子由于熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致其位置的轉(zhuǎn)移。在存在濃度梯度和化學(xué)位梯度的情況下，原子的熱運(yùn)動(dòng)可以造成物質(zhì)的宏觀流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為擴(kuò)散。第5章釬焊接頭的形成根據(jù)擴(kuò)散定律，釬焊時(shí)釬料向母材中的擴(kuò)散可確定如下:

其中：dm－釬料組分的擴(kuò)散量；D－擴(kuò)散系數(shù)；

S－擴(kuò)散面積；dt

－擴(kuò)散時(shí)間；

dC/dx－在擴(kuò)散方向上擴(kuò)散組分的濃度梯度。

由上式可見(jiàn)，釬料組分的擴(kuò)散量與濃度梯度、擴(kuò)散系數(shù)、擴(kuò)散時(shí)間和擴(kuò)散面積有關(guān)。擴(kuò)散自高濃度向低濃度方向進(jìn)行，當(dāng)釬料中某組元的含量比母材中高時(shí)，由于存在濃度梯度，就會(huì)發(fā)生該組元向母材金屬中的擴(kuò)散。濃度梯度越大，擴(kuò)散量就越多。擴(kuò)散系數(shù)可按下述公式確定。第5章釬焊接頭的形成對(duì)于任何元素，只要測(cè)出D0和Q的值，便可求出任意溫度下的擴(kuò)散系數(shù)D;溫度T對(duì)擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)的影響最大基體金屬的性質(zhì)對(duì)擴(kuò)散擴(kuò)散系數(shù)的影響

同一元素在不同基體金屬中擴(kuò)散時(shí)，其擴(kuò)散參數(shù)各不相同。一般規(guī)律是，基體金屬的結(jié)合越強(qiáng)，熔點(diǎn)就越高，其擴(kuò)散激活能Q就越大，擴(kuò)散也就越困難。第5章釬焊接頭的形成

表1列出了幾種元素在285℃下在鉛中的擴(kuò)散系數(shù)，數(shù)據(jù)表明，原子半徑越小，擴(kuò)散系數(shù)就越大。而當(dāng)合金元素存在且其與擴(kuò)散元素的親和力比與基體金屬的親和力更大時(shí)，就可能使擴(kuò)散系數(shù)減小，反之，則可能使擴(kuò)散系數(shù)增大。表1：285℃下幾種元素在鉛中的擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散元素原子直徑(A)擴(kuò)散系數(shù)(cm2/Sec)AgCdSbSn1.441.521.611.689.1×10-82.0×10-96.4×10-101.6×10-10第5章釬焊接頭的形成表2：一些元素的擴(kuò)散系數(shù)

基體元素?cái)U(kuò)散元素?cái)U(kuò)散溫度(℃)擴(kuò)散系數(shù)(cm2/Sec)FeBNiSiWSn95010001150128010002.6×10-79.3×10-111.45×10-82.4×10-92.0×10-10CuMnNiPdZn8509008608801.3×10-102.1×10-101.3×10-105.6×10-10NiCu890(1.9~2.4)×10-10AlCuSiZn4975005072.52×10-109.85×10-102.04×10-9第5章釬焊接頭的形成

用Cu釬焊Fe時(shí)，會(huì)發(fā)生液態(tài)Cu向Fe中的擴(kuò)散。右圖給出了在1100℃下Cu在Fe中的分布。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，不但Cu的擴(kuò)散深度增大，而且擴(kuò)散層中的Cu含量也增多。圖16：銅釬焊鐵時(shí)，銅在擴(kuò)散區(qū)中的分布1.保溫1分鐘，2.保溫1小時(shí)第5章釬焊接頭的形成

用Al-28Cu-6Si釬料釬焊Al時(shí)，也可發(fā)現(xiàn)釬料組分向母材鋁合金中擴(kuò)散的現(xiàn)象(見(jiàn)右圖）。在釬縫中靠近界面處的母材上可以看到一條與釬縫平行的明亮條帶，它是釬焊時(shí)液態(tài)釬料中的Si和Cu向母材Al中擴(kuò)散而形成的固溶體。圖17：Al-28Cu-6Si釬料釬焊鋁合金時(shí)的金相組織第5章釬焊接頭的形成

上述擴(kuò)散現(xiàn)象均為體擴(kuò)散。如果擴(kuò)散進(jìn)入母材的釬料組分濃度在飽和溶解度之內(nèi)，則形成固溶體組織，這對(duì)接頭的性能沒(méi)有不良影響。若冷卻時(shí)擴(kuò)散區(qū)發(fā)生相變，則組織會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并因此而影響到接頭的性能。第5章釬焊接頭的形成

除了體擴(kuò)散之外，釬焊時(shí)也可能發(fā)生釬料組分向母材的晶間滲入的情況。

圖18：產(chǎn)生晶間滲入的系統(tǒng)典型狀態(tài)圖(a)簡(jiǎn)單共晶型，(b)存在中間相型第5章釬焊接頭的形成

晶間滲入的產(chǎn)生是因?yàn)樵谝簯B(tài)釬料與母材接觸中，釬料組分向母材中擴(kuò)散，由于晶界處空隙較多，擴(kuò)散速度較快，結(jié)果造成了在晶界處首先形成釬料組分與母材金屬的低熔點(diǎn)共晶體。由于其熔點(diǎn)低于釬焊溫度，這樣就在晶界處形成了一層液態(tài)層，這就是所謂的晶間滲入。釬料與母材之間的擴(kuò)散當(dāng)采用含硼鎳基釬料釬焊不銹鋼和高溫合金時(shí)，就可能發(fā)生硼向母材晶間滲入的情況(見(jiàn)右圖)。晶間滲入的產(chǎn)物大都比較脆，會(huì)對(duì)釬焊接頭產(chǎn)生極為不利的影響，尤其是在釬焊薄件時(shí)，晶間滲入可能貫穿整個(gè)焊件厚度而使接頭脆化，因此應(yīng)盡量避免接頭中產(chǎn)生晶間滲入。圖19：含硼鎳基釬料釬焊不銹鋼時(shí)的晶間滲入第5章釬焊接頭的形成3.釬縫組織的不均勻性由于釬料與母材之間的相互作用，不但使釬縫的成份與釬料原有的成份不同，而且使釬縫的組織也與原始釬料的組織產(chǎn)生差異。釬縫的成份和組織常常是不均勻的，一般由三個(gè)區(qū)域組成(見(jiàn)右圖)，即：母材上靠近界面的擴(kuò)散區(qū)，與之相鄰的釬縫界面區(qū)和釬縫中心區(qū)。釬縫組織示意圖1-擴(kuò)散區(qū)，2-界面區(qū)，3-釬縫中心區(qū)第5章釬焊接頭的形成擴(kuò)散區(qū)是由釬料組分向母材中擴(kuò)散所形成的；界面區(qū)是母材組分向釬料中溶解并冷卻后形成的，它可能是固溶體或金屬間化合物；釬縫中心區(qū)由于母材的溶解和釬料組分的擴(kuò)散以及結(jié)晶時(shí)的偏析，其組織也不同于釬料的原始組織成分，釬縫間隙較大時(shí)，該區(qū)的組織形態(tài)與釬料原始組織形態(tài)比較接近，而間隙小時(shí)，則二者之間可能存在極大的差別。第5章釬焊接頭的形成例如：用Ni-Cr-B-Si釬料釬焊不銹鋼的小間隙釬縫時(shí)，釬料本身為包晶組織，而釬縫卻由固溶體組成。用Ni-Cr-Si-B釬料釬焊不銹鋼小間隙釬縫的顯微組織第5章釬焊接頭的形成結(jié)合區(qū)的組織形態(tài)

母材與釬料的結(jié)合可以形成多種多樣的組織形態(tài)。在構(gòu)成釬縫的三個(gè)區(qū)域中，界面區(qū)的情況是最復(fù)雜的，并且加熱溫度和加熱時(shí)間等因素的影響使其進(jìn)一步復(fù)雜化，并且對(duì)接頭的性能也產(chǎn)生很大的影響。

考慮釬焊中最簡(jiǎn)單的形式，即用純金屬釬料去釬焊純金屬母材，并且兩被連接工件的材質(zhì)相同的情形。此時(shí)盡管存在兩個(gè)相鄰的界面，但其情況和條件相同，故考慮一側(cè)界面的情況即可。對(duì)于這種體系，由于發(fā)生了固液相金屬(母材與釬料)之間的溶解和擴(kuò)散，所以界面處就表現(xiàn)出二元合金狀態(tài)圖所規(guī)定的關(guān)系。因此，可以將母材與釬料所構(gòu)成的二元狀態(tài)圖進(jìn)行分類(lèi)，來(lái)闡述其性質(zhì)。當(dāng)然，實(shí)際釬縫的成份常常是多元的，因而對(duì)其情況要綜合考慮具體分析。第5章釬焊接頭的形成固溶體類(lèi)型的界面區(qū)組織

結(jié)晶系相同(晶格類(lèi)型相同)，原子半徑相近的元素間大多可以以任意比例固溶，這類(lèi)金屬間的界面成份從一側(cè)到另一側(cè)連續(xù)變化。Ni-Cu系的熔化溫度連續(xù)變化，濃度也連續(xù)變化，在一個(gè)大晶粒內(nèi)部的濃度也有所變化，其過(guò)渡區(qū)呈現(xiàn)出特殊的嵌鑲結(jié)構(gòu)。銅-鎳二元合金狀態(tài)圖銅釬焊鎳時(shí)的組織形第5章釬焊接頭的形成Cu-Mn系在Mn含量為35%時(shí)有最低熔點(diǎn)。二者的接觸面在這一最低點(diǎn)處溶解(接觸溶解)，凝固時(shí)如圖分為各相。銅-錳二元合金狀態(tài)圖銅釬焊錳時(shí)的組織形態(tài)第5章釬焊接頭的形成當(dāng)釬料與母材為同基的合金時(shí)，在界面區(qū)也常常形成固溶體組織。例如:當(dāng)采用Al-11.7Si釬料釬焊Al合金時(shí)，釬料本身雖然是共晶體，但界面區(qū)卻可以得到固溶體組織。這是因?yàn)樵阝F焊過(guò)程發(fā)生Al的溶解，使與母材相接觸的釬料層中的Al含量增加。在600℃進(jìn)行釬焊時(shí)，Al含量可達(dá)90%左右(見(jiàn)右上圖)，冷卻凝固時(shí)，首先從母材表面處開(kāi)始結(jié)晶，而最先結(jié)晶出來(lái)的是α固溶體，最后才是共晶體。因此，可以看出界面處為一層參差不齊地向釬料方向生長(zhǎng)的Si在Al中的固溶體組織。在釬縫中心區(qū)則仍保留著原始釬料的共晶組織，但也會(huì)出現(xiàn)少量的固溶體相(見(jiàn)右下圖)。鋁-硅二元合金狀態(tài)圖鋁硅釬焊鋁時(shí)的組織形態(tài)

第5章釬焊接頭的形成當(dāng)用黃銅釬料釬焊銅母材時(shí)，還可看到黃銅晶粒在銅晶粒的基礎(chǔ)上連續(xù)生長(zhǎng)，形成共同晶粒的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，晶體結(jié)構(gòu)和原子狀態(tài)越類(lèi)似，原子半徑和原子價(jià)越接近，固溶體的比例就越大。正離子半徑大的元素容易固溶原子半徑小的元素。在釬焊過(guò)程中，若釬料和母材在狀態(tài)圖上可以形成固溶體時(shí)，釬后的界面區(qū)也極可能出現(xiàn)固溶體。

固溶體組織的機(jī)械性能和電氣性能與母材相比沒(méi)有很大的不連續(xù)性，這對(duì)接頭是有利的。第5章釬焊接頭的形成共晶體類(lèi)型的界面區(qū)

如果母材和釬料構(gòu)成共晶體相圖的話，那么釬縫中就可能出現(xiàn)共晶體組織。接頭處嚙合組織的疏密是由共晶點(diǎn)的位置來(lái)決定的。這一現(xiàn)象與機(jī)械嚙合的結(jié)合力有關(guān)。典型二元合金共晶類(lèi)型狀態(tài)圖第5章釬焊接頭的形成實(shí)際上，Al與Sn并不結(jié)合，這類(lèi)金屬接觸時(shí)，在其共晶溫度下就開(kāi)始熔化，可以認(rèn)為，共晶溫度比組成金屬的熔點(diǎn)越低，相互作用就越大。而Al-Sn的共晶溫度僅比Sn的熔點(diǎn)低3℃，因此不可能得到強(qiáng)有力的接頭。對(duì)于Sn-Bi系來(lái)說(shuō)，在含Sn42%處出現(xiàn)共晶點(diǎn)，從液相中凝固出來(lái)的Sn附著在Sn基體上，而結(jié)晶出來(lái)的Bi卻不附著在Bi的基體上。但是，若凝固時(shí)間較短，結(jié)晶出來(lái)的Bi就會(huì)象Sn一樣附著在母材Bi的基體上。Bi-Cd接頭Sn-Zn接頭Sn-Bi接頭共晶型釬焊接頭的組織形態(tài)第5章釬焊接頭的形成對(duì)于母材和釬料可以形成共晶體的體系，釬焊時(shí)，加熱溫度不必高于其某一組元的熔點(diǎn)，而只要高于其共晶點(diǎn)即可進(jìn)行。這種利用釬料與母材的接觸溶解而形成共晶體釬焊接頭的方法被稱(chēng)之為接觸反應(yīng)釬焊。Ag-Cu二元系在含Cu28%時(shí)形成熔點(diǎn)為779℃的共晶(Ag的熔點(diǎn)為960℃，Cu的熔點(diǎn)為1083℃)，將Ag箔置于兩Cu工件之間，稍加壓力使之良好接觸，加熱到800℃左右。這時(shí)Ag雖然不能熔化，但由于Ag和Cu之間的相互擴(kuò)散，在界面處形成熔融的Ag-Cu共晶體，借助于這層液態(tài)共晶體層，就可將兩Cu工件連接起來(lái)。在Al-Cu二元系中，存在一溫度為548℃、成份為含Cu33%的共晶點(diǎn)。如果將Cu和Al緊密接觸并加熱到548℃以上，在界面處就會(huì)形成Al-Cu共晶，從而將Al和Cu連接起來(lái)。第5章釬焊接頭的形成金屬間化合物類(lèi)型的界面區(qū)組織

許多金屬之間可以形成金屬間化合物。兩種金屬結(jié)合時(shí)，如果在界面處形成金屬間化合物相，就如同一種新的物質(zhì)(新相)在被連接金屬之間起作用。Cd-Se界面就表現(xiàn)出這種界面區(qū)的典型情況。由圖可見(jiàn)，Cd與Se形成CdSe金屬間化合物，然而在Cd和Se與CdSe中間相之間并沒(méi)有發(fā)生任何反應(yīng)。Cd-Te的情況也是如此，但它們之間確實(shí)是結(jié)合起來(lái)了，這可認(rèn)為是附著力在起作用。

鎘-硒二元合金狀態(tài)圖鎘硒接頭中的化合物型接合區(qū)第5章釬焊接頭的形成

釬料B與母材A可能形成化合物的典型狀態(tài)圖如下所示。屬于圖(a)類(lèi)型的有：Ag-Cd，Ag-Ga，Ag-Ti，Ag-Sb，Ag-Zn，Ag-Sn，Ag-Al，Al-Ti，Cu-Zn，F(xiàn)e-Zn等二元系；屬于圖(b)類(lèi)型的有：Al-Cu，Al-Mg，Cu-P，F(xiàn)e-Si，Ti-Sn等二元系。形成化合物的典型二元合金狀態(tài)圖

第5章釬焊接頭的形成母材和釬料在界面處形成化合物的過(guò)程可能如下：在溫度為T(mén)時(shí)以B釬焊A，A向B中迅速溶解,界面區(qū)的濃度可達(dá)到C,冷卻凝固時(shí)，首先在界面處析出金屬間化合物。例如：250℃下以Sn釬焊Cu時(shí)，在界面區(qū)就形成Cu6Sn5化合物相(見(jiàn)右圖)。第5章釬焊接頭的形成如果A-B體系存在幾種化合物，在一定條件下(如釬焊溫度過(guò)高)，母材向釬料中的溶解使得界面區(qū)生成含母材較少的一種化合物后仍未達(dá)到該溫度下的平衡狀態(tài)，則A和B之間將繼續(xù)擴(kuò)散，冷卻凝固后就有可能出現(xiàn)幾種化合物。例如在350℃下用Sn釬焊Cu時(shí)，在界面區(qū)除形成Cu6Sn5(η相)之外，在η相與母材Cu之間又出現(xiàn)了Cu3Sn(ε相)。