稀有金属 2001,(03),195-198 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.03.010
含锑软钎料钎焊黄铜组织与性能的研究
孙计生 刘效方
北京航空材料研究院焊接与锻压研究室!北京100095,北京航空材料研究院焊接与锻压研究室!北京100095,北京航空材料研究院焊接与锻压研究室!北京100095
摘 要：
为判断含锑钎料钎焊黄铜是否可行 , 研究了锡铅锑钎料钎焊H6 2黄铜时锑与锌的作用 , 并对其接头的组织与性能进行了深入分析。研究结果表明锡铅锑钎料钎焊黄铜的接头组织中未发现锌锑化合物相 , 含锑量0 2 2 %～ 0 .8% (质量分数 ) 的锡铅锑钎料钎焊黄铜未引起接头性能下降 , 认为可以钎焊黄铜。
关键词：
锑 ;软钎料 ;黄铜 ;
中图分类号： TG425
收稿日期： 2000-12-04
Study on Microstructures and Properties of Brass Joints Soldered by Solder Containing Antimony
Abstract：
In older to judge if brass can be joined by solder containing antimony, the inter reaction between antimony and zinc was studied, which occurs in the brass H62 joint soldered with tin lead antimony alloy. The microstructure and properties of joints were also analyzed. It could be concluded that no chemical compound of zinc antimony is formed in the brass joints soldered with tin lead antimony alloy, the change of antimony content in the range from 0.22 to 0.8 percent in the solder does not weaken the properties of the joints, and brass can be jointed by it.
Keyword：
Antimony; Solder; Brass;
Received： 2000-12-04
采用锡铅系钎料钎焊黄铜是普遍采用的常规方法。但由于常规锡铅钎料的某些性能不能完全满足性能要求, 因此需要在常规锡铅钎料中加入锑。据资料报道, 锡铅钎料中加入≤6% (质量分数) 锑可增加钎料的强度、高温抗氧化性以及提高钎料的热稳定性, 因此锡铅锑钎料得到广泛应用。但据某些资料报道含锑的锡铅锑钎料不能钎焊锌及锌合金 (如黄铜) , 认为锑与锌结合倾向大于铜与锌的结合倾向, 当锑质量分数≥0.2% 时, 锑与锌易结合形成锌锑化合物相, 使钎焊接头性能明显脆化, 因此钎焊黄铜时钎料中的含锑量应控制在≤0.2%, 以免造成接头脆化
[1 ,2 ]
。
在实际生产中, 由于工作环境等因素的特殊需要, 某黄铜件钎焊需用含锑为 0.3%～0.8% (质量分数) 的锡铅锑铅料, 为判断其是否可行进行本项研究。
1 实验材料与方法
1.1 试验材料
母材为H62黄铜与 HPb59-1 铅黄铜, 钎料为 Sn60PbSb (含锑质量分数分别为 0.22%, 0.5%, 0.8%, 1.5%, 3.0%, 5.0%, 10%) , 钎剂为氯化锌与氯化铵的水溶液。
1.2 试验方法与设备
试验采用 800W 电炉进行钎焊。Sn60Pb37Sb3 钎焊时间分别为30、60、120、300、600s, 其它钎料钎焊时间为120s。接头形式为搭接, 搭接量为 5 mm, 间隙 0.1mm。
1.3 分析方法与设备
采用 МИМ-8光学显微镜、JSM-5600LV 扫描电镜、LINK ISIS300 能谱仪对组织及成分进行分析。
2 试验结果与分析
2.1 HLSn60PbSbA钎料钎焊H62黄铜的接头组织与性能
首先采用Sb含量分别为 0.2%、0.5%、0.8% 的 Sn60PbSb 钎料钎焊黄铜, 钎焊时间为 120 s, 三种钎料钎焊黄铜的接头组织经扫描电镜与能谱分析, 接头组织基本相同 (见图1) , 均未发现 Zn-Sb 化合物相。钎焊接头组织均由黑色树枝状铅基固溶体1、锡铅基共晶组织2与块状相6构成的钎缝组织和带状相3、片状化合物相4与胞状 (笋状) 相5构成的母材与钎料反应层构成, 各相成分见表1。三种钎料钎焊黄铜的接头的性能见表2。
图1 Sn60PbSb (0.5) 钎焊的接头背散射图像
Fig .1 BSE images of joint soldered with Sn 60PbSb (0.5)
表1 各相化学成分分析结果
Table 1 Chemical composition of phases
w /%
Zn
Sn
Sb
Pb
4.66
3.05
4.35
-
87.94
8.37
-
62.26
2.72
26.65
75.68
11.24
13.08
-
-
42.17
19.77
38.07
-
-
40.53
9.15
50.00
-
0.32
41.16
6.87
51.92
-
0.05
表2 锡铅钎料钎焊黄铜接头剪切强度
Table 2 Shear strength of brass joints soldered using tin-lead solder
HPb59-1 接头
63.6
37.6/34.5～39.0
67.0
37.7/34.7～42.0
76.2
34.9/30.7～42.2
注:未去除钎角
由表2可见含锑量 0.22% 增加到 0.8%, 钎焊黄铜接头的剪切强度并未明显下降。
2.2 增加含锑量对接头组织的影响
采用含锑量为 1.5%, 3.0%, 5.0% 和 10% (质量分数) 的 Sn60PbSb 钎料钎焊黄铜, 研究其钎焊接头的组织。各相成分分析结果见表3。
表3 各相化学成分分析结果
Table 3 Chemical composition of phases
w /%
Zn
Sn
Sb
Pb
57.23
31.92
10.85
43.47
16.15
39.63
0.75
-
-
54.60
43.67
1.73
51.53
32.76
15.71
41.22
18.13
37.05
3.60
41.80
8.19
46.90
3.11
55.45
41.95
2.59
相7、8分别为含锑量为3%时的带状铜基固溶体和片状铜锡化合物相, 9、10、11、12分别为含锑量10%的白色方块状锡锑化合物相、近母材处的铜基固溶体、片状铜锡化合物相、胞状化合物相。
由于锑的化合物相含锑量均高于30%
[3 ]
, 因此根据各相分析结果认为钎料含锑量<5%时钎焊接头中的锑固溶于钎缝中, ≥5% 时锑主要以方块状锡锑化合物相形式存在, 即使钎料含锑量高达10%, 接头中也未发现锌锑化合物相, 母材与钎料的反应层仍主要为铜基固溶体和铜锡化合物相, 只是随含锑量的增加, 铜锡化合物相中固溶的锑含量略有增加, 即使在块状锡锑化合物相内产生的胞状化合物中锑含量也很低, 锑仍主要以方块状锡锑化合物相形式存在;同时由于钎料中锑的增加, 锡铅共晶变为锡铅锑三元共晶, 共晶点随含锑量的增加锡减少
[4 ]
, 因而随钎料中含锑量的增加钎缝中铅基固溶体减少, 含锑量为3%时的组织见图2, 含锑量≥5%时钎缝中无铅基固溶体, 而先析出白色锡基固溶体, 见图3。
图2 Sn60PbSb3钎焊时间为120s的接头组织
Fig .2 Microstructure of joint soldered with Sn 60PbSb 3 (holding time 120s )
2.3 钎焊时间对钎焊接头组织的影响
为进一步了解锑与锌的反应, 了解钎焊时间对接头组织的影响, 选择Sn60PbSb3钎料, 钎焊时间分别为30、60、120、300、600s。
经分析, 接头组织中也未发现锌锑化合物相, 只是随钎焊时间的延长母材与钎料的反应层加厚, 加厚的反应层中含锑量很低, 钎焊时间≥300s时出现锡向母材的扩散层13 (见图4) 。
图3 Sn60PbSb10钎焊120s的接头组织 ×200
Fig .3 Microstructure of joint soldered with Sn 60PbSb 3 (holding time 120s ) ×200
图4 Sn60PbSb3钎料钎焊时间300s的接头组织
Fig .4 Microstructure of joint soldered with Sn 60PbSb 3 (holding time 300s )
2.4 结果分析
分析黄铜与锡铅钎料的界面反应, 母材有铜、锌两元素, 钎料中存在Sn、Pb、Sb三种元素, 钎缝与母材可能进行的反应如下:
L ( 0 . 7 % C u + 9 9 . 3 % S n ) 2 2 7 ℃ 共 晶 反 应 → η ( C u 6 S n 5 ) + S n ? ? ? ( 1 )
? ? L ( 9 7 . 5 % Ζ n + 2 . 5 % S b ) 4 1 1 ℃ 共 晶 反 应 → η + Ζ n η 4 0 9 ℃ 共 晶 反 应 → ε ( S b 3 Ζ n 4 ) + Ζ n ? ? ? ( 2 ) L ( 2 3 . 5 % C u + 7 6 . 5 % S b ) 5 2 6 ℃ 共 晶 反 应 → η ( C u 2 S b ) + S b ? ? ? ( 3 )
L ( 6 8 . 5 % C u + 3 1 . 5 % S b ) 6 4 5 ℃ 共 晶 反 应 → ( C u 3 S b ) + C u ? ? ? ( 4 )
可见锌与锑有反应生成锌锑化合物的可能[见反应 (2) ]。钎焊时温度约为300℃, 反应 (1) 出现液相, 且需要的铜浓度低, 而其它反应为固相扩散反应, 因反应进行一定程度后反应速度主要由元素扩散速度决定, 液相扩散速度远大于固相, 因此 (1) 号反应的速度远大于其它几个反应。 (2) 号反应为固相扩散反应因而反应速度低于 (1) 号反应, 但由于比 (3) 、 (4) 反应所需的锑浓度较低, 因而反应进行需求的扩散时间较短, 反应的可能性略大。试验结果证明界面反应主要为铜锡反应即 (1) 号反应, 未发现锌锑化合物。
综上分析认为, 虽然锌与锑有反应生成锌锑化合物的可能, 但用HLSn60PbSbA钎料钎焊黄铜时, 由于铜与锡反应剧烈, 锌与锑反应速度相对较慢, 因此, 未发现锌锑化合物相, 锑含量 (0.22%～0.8%) 的变化对接头组织与性能未显出影响。
3 结论
1.含锑的锡铅钎料钎焊黄铜时未发现锌锑化合物相。
2.锑含量 (0.22～0.8%) 的变化对锡铅锑钎料钎焊黄铜的接头组织与性能未显出影响。
参考文献
[1] 美焊接学会钎焊委员会编著 , 崔殿亨译 软钎焊手册 北京 :机械工业出版社 , 1987 10
[2] B·M·艾伦著 , 金国樵译 锡焊手册 北京 :人民邮电出版社 , 1979.33
[3] 虞觉奇等编译 二元合金状态图集 上海 :上海科学技术出版社 , 1887 10
[4] 侯增寿 , 陶兰琴编著 实用三元合金相图 上海 :上海科学技术出版社 , 1983 116
