Cu含量对铝基钎料性能的影响

王君君，王 艳，何 雷

(西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

Cu含量对铝基钎料性能的影响

王君君，王 艳，何 雷

(西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

试验选用Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三种铝基钎料，利用SDTQ600型差示扫描量热仪、Phillips X＇Pert型X射线衍射仪和OLYMPUS型光学显微镜等分析Cu含量对钎料性能的影响。研究表明，三种钎料的基本组织为：基体α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅；随着Cu含量的增加，Cu与Al之间形成的金属间化合物相的含量增加，钎料硬度随之增加。钎料熔化特性曲线表明，增加Cu含量能有效降低钎料的熔点，并使钎料凝固温度区间变窄。腐蚀试验表明随Cu含量的增加钎料腐蚀率增加。钎料的铺展面积受Cu饱和程度的影响，当Cu含量低于其在Al中溶解度时，随Cu含量增加，铺展面积增大；反之，铺展面积减小。

Cu含量；铝基钎料；钎料性能

0 前言

目前使用的铝基钎料种类繁多，如Al-Si系、Al-Mg系、Al-Zn系钎料等。其中最常用的是Al-Si系钎料，该种钎料具有良好的流动性、润湿性、抗腐蚀性和可加工性，但由于其熔点较高，与铝合金固相线温度相近，为了避免钎焊温度过高造成熔蚀缺陷，研究新型Al-Si系钎料成为铝合金钎料研究的重要方向之一。受生产成本、原材料等因素限制，向Al-Si钎料中添加Cu元素来降低熔点是研究的热点，但Cu元素对钎料性能的影响规律尚不明晰。本研究以Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu为基础，分析Cu含量对钎料性能的影响，为工程实用提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为商用Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三种成分块状钎料。

金相组织分析将钎料按金相标准取样，经打磨、抛光后用0.5%HF溶液腐蚀5 s，在OLYMPUS型光学显微镜下进行组织观察；利用Phillips X＇Pert型X射线衍射仪分析钎料相结构；硬度测试在HVS-1000型显微硬度计上进行，实验加载1.96 N，保载20 s；腐蚀试验在2%HCl溶液中浸蚀48 h，称量腐蚀前后的质量差，计算腐蚀率；钎料熔化特性分析采用SDTQ600型差示扫描量热仪，实验时各成分钎料取样10 mg，实验升温速度20℃／min；润湿性试验在1060铝板上按GB11364-89进行。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织和硬度

图1为三种Cu含量铝基钎料的金相组织，可见其组织主要为：基体α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅。由图1a可见，在钎料Al-11Si-0.3Cu中Cu主要固溶于基体；在图1b所示的Al-11Si-4Cu金相图中明显分布一些银灰色的组织，X射线衍射表明，该试样中有Cu与Al的金属间化合物相AlCu和Al2Cu，这种相均匀分布在钎料中，起到固溶强化的作用；比较图1c和图1b，发现图1c中银灰色的组织大大增加，呈枝晶状连接生长分布于合金之中，且图1c中有一些分布在晶界上的黑色相，受实验设备限制，未能进行微区相结构分析，推测这种物质很可能是α(Al)+(Al2Cu)离异共晶[1]，但仍需要进一步实验分析确定。

表1为钎料显微硬度值，可见随Cu含量增加，硬度呈上升趋势。结合前面的组织分析可知，当Cu含量增加时，金属间化合物相(Al2Cu)的含量增加。而Al2Cu是一种硬脆相θ，适量的θ相可起到固溶强化、提高钎料硬度和强度的作用；但当Al2Cu过多时，钎料塑性降低，加工性能恶化。

表1 显微硬度HV0.2

2.2 熔化特性曲线

钎料的熔化特性曲线如图2所示，可见随Cu含量的增加，钎料的熔化温度降低，凝固温度区间变窄。究其原因：Cu和Al之间形成低熔点的二元共晶Al2Cu(Tm＝548℃)，随着Cu含量的增加，Al2Cu增加所致；Al-Si-Cu还可能形成共晶温度(Tm＝525℃)更低的三元共晶，所以Cu、Si、Al的共同作用使共晶温度大大下降。此外，三种钎料的熔化曲线都不是单峰，而是双峰结构，随Cu含量的增加，小吸热峰向大吸热峰的峰顶靠拢，进一步表明实验钎料中含有不同熔化温度的结晶相。

图1 钎料显微组织

2.3 耐蚀性

耐腐蚀试验结果如表2所示。由表2可知，随Cu含量增加，钎料的腐蚀率增加。试验中Cu和Si为原电池的阴极，Al作为阳极，Cu含量的增加，意味着阴极面积的增加，这使得阴极面积对阳极面积比增大。从而加快阳极性金属的腐蚀。

表2 腐蚀数据

2.4 润湿性

实验测得Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三种钎料的铺展面积分别为28.7 mm2／g、71.9 mm2／g、61.3 mm2／g。根据钎料润湿性理论，钎料的润湿角与以下因素有关[2]

式中 θ 为润湿角；σSG，σLS，σLG分别为固-气、液-固、液-气界面间的界面张力。

在高温和室温条件下，Si、Cu两元素在Al中均有较高的溶解度，凝固温度下Cu在Al中的最大溶解度是5.56%。当Cu含量低于其溶解度时(本实验的Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu)，随Cu含量增加，固-液界面张力σLS减小，液态钎料润湿角较小，钎料铺展面积增大。但由于Cu与Al相互作用形成金属间化合物Al2Cu，阻碍界面张力的降低，所以超过其溶解度后，随Cu含量的增加，铺展面积减小，钎料铺展性能降低。

3 结论

(1)Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三种钎料组织主要为：基体α(Al)、共晶硅(α+Si)和少量初生硅。随Cu含量的增加，金属间化合物相的含量增加，钎料硬度增加。

(2)Al-11Si-0.3Cu、Al-11Si-4Cu和Al-11Si-10Cu三种钎料的熔化特性曲线均呈双峰结构，随Cu含量的增加，钎料的熔化温度下降，凝固温度区间变窄；腐蚀实验表明，随Cu含量增加，钎料的腐蚀率增加。

(3)当Cu含量低于其溶解度时，随Cu含量增加，钎料铺展面积增大。但超过其溶解度后，随Cu含量的增加，钎料铺展面积减小。

[1] Jones H.Review：the staus of rapid solidification of alloys in research and application[J].Journal of Materials Science，1984 (6)：94-98.

[2]王 冠，俞伟元，陈学定，等.铝钎焊接头中Cu元素的扩散行为研究[J].材料科学与工艺，2007(3)：20-24.

Effect of Cu content on the properties of aluminum brazing

WANG Jun-jun，WANG Yan，HE Lei
(College of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China)

Three components of aluminum brazing were used for experiment，including Al-11Si-0.3Cu，Al-11Si-4Cu and Al-11Si-10Cu，and on the influence that the performance of brazing was by Cu content analyzed by SDTQ600 type Differential Scanning Calorimeter DSC，Phillips X＇Pert type X-ray diffraction and OLYMPUS type Optical Microscope.Research showed that the basic organization was composed of matrix α (Al)，eutectic silicon(α +Si)and a few primary silicon for three kinds of aluminum brazing；with the Cu elements increased，the intermetallic phase formed between Cu and Al between content increased，solder hardness increased.Melted characteristic curve of brazing showed that the content of Cu elements increased could effectively reduce the melting point of brazing，and make solidification temperature interval of brazing narrow.Corrosion test suggested that with the content of Cu increased，corrosion rate of brazing increased.Spreading area of brazing was dependent on the influence of Cu saturated degree，when Cu content was lower than its solubility in the Al，with Cu content increased，spreading area increased；conversely，the reverse.

Cu content；aluminum brazing；properties of brazing

TG425

A

1001-2303(2012)03-0036-03

2011-11-11

王君君(1987—)，女，黑龙江牡丹江人，在读硕士，主要从事材料加工工程的研究。