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钎料种类和牌号繁多,新型钎料层出不穷,尚缺乏熔化温度范围在350-500℃适合钎焊铜、钢及其合金的高温软钎料。近年来,随着技术创新与高技术产品的不断涌现,对钎焊技术和钎料提出了新的要求,尤其是一些组织与性能对温度和成分变化极为敏感的新型功能材料以及为了满足复杂部件分步钎焊工艺的要求,需要通过钎料熔化温度范围的梯度变化,降低钎焊温度,减小部件的变形和避免后道钎缝钎焊时造成前道钎缝的再熔化,也迫切需要熔化温度在350-500℃的钎料。锌的熔点是419℃,与铜和钢的相互作用能力较强,通过添加合金元素,可获得熔化温度在350-500℃的钎料。本文综合考虑合金化原理,结合相图分析和前期研究基础,确定锌(Zn)、锡(Sn)、铜(Cu)和铋(Bi)为高温软钎料的基础成分,试验采用配方均匀设计方法,以熔化温度、润湿性能以及钎焊铜接头剪切强度为指标,采用逐步回归方法建立了目标函数的回归方程,研究了合金元素及元素间交互作用对熔化温度、润湿性能和力学性能的影响规律。结果表明,元素Sn可显著降低熔化温度,提高钎料的润湿面积;少量的元素Cu可显著提高钎焊接头的剪切强度;元素Sn与Cu、Sn与Bi存在交互作用,当Cu含量大于1.8%时,元素Sn对润湿面积的影响较小;当Sn含量一定时,适当增加Bi含量可显著增大润湿性能,提高接头剪切强度。在综合考虑钎料熔化温度范围、钎缝成型和钎料熔炼等因素影响后,优化设计出用于钎焊铜和钢的含Sn量为4.0-7.0wt.%,含Cu量为1.7-2.3wt.%,含Bi量为1.0-2.0wt.%的最佳成分钎料,该钎料的熔化温度393.41℃,润湿面积203.99mm2,接头剪切强度41.96MPa。系统研究了Zn-5Sn-2Cu-1.5Bi(ZSCB)高温软钎料及钎焊接头界面微观组织与性能。ZSCB高温软钎料铸态组织由η-Zn基体、粗大的ε-Cu Zn5树枝晶、针片状β-Sn及析出相Bi组成,合金元素存在微观偏析现象,钎料组织的均匀性差;Zn-5Sn-2Cu-1.5Bi高温软钎料拉伸强度125.24MPa,强度较低,钎料沿晶界或树枝晶开裂,脆性较大。Zn-5Sn-2Cu-1.5Bi高温软钎料钎焊铜界面微观组织由ε-Cu Zn5、γ-Cu5Zn8及β-Cu Zn反应层组成,钎焊接头室温剪切强度为41.98MPa,延伸率0.42%;与Sn-38Pb和Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料相比,Zn-5Sn-2Cu-1.5Bi钎焊接头室温剪切强度相近,塑性较差。采用变质处理和快速冷却方法细化钎料组织,研究了稀土、冷却速度及冷速-稀土耦合作用对钎料微观组织和性能的影响规律。稀土变质剂对初生相ε-Cu Zn5及β-Sn/Bi形貌、尺寸和分布有明显的变质效果。随稀土含量增加,初生相ε-Cu Zn5由粗大的花瓣状枝晶转变为细长的树枝晶,含量增加,晶界β-Sn相由片状和针状转变为球状;当稀土含量为0.05wt%时,钎料的拉伸强度为185.26MPa,延伸率为1.21%;与未添加稀土钎料相比,拉伸强度提高60.02%,延伸率增大70.42%;电化学腐蚀过程中生成的腐蚀产物膜致密性增大,钎料的抗腐蚀性能提高。冷却速度对钎料铸态组织中η-Zn相形貌及尺寸有较大影响。随冷却速度加快,钎料组织生成过饱和η-Zn固溶体;当冷却速度为120℃/s时,固溶体η-Zn由柱状晶转变为等轴晶,晶粒尺寸为5.70-8.65μm,钎料的拉伸强度为193.56MPa,蠕变应力指数为35.72,与自然冷却钎料相比,拉伸强度和蠕变应力指数分别提高了54.55%和34.49%。冷速-稀土耦合作用对铸态钎料基体η-Zn相,初生相ε-Cu Zn5及晶界β-Sn/Bi相均发生变质作用。冷速-稀土耦合作用得到的钎料组织由等轴晶η-Zn相、颗粒状ε-Cu Zn5相及镶嵌于η-Zn相的细小β-Sn/Bi组成,冷却速度为120℃/s时,冷速稀土耦合作用钎料的拉伸强度为221.86MPa,延伸率为1.51%,与自然冷却ZSCB高温软钎料相比,拉伸强度和延伸率分别提高了77.15%和112.68%。研究了工艺参数对ZSCB高温软钎料钎焊铜界面微观组织和力学性能的影响,应用热力学和动力学理论,分析了界面反应产物的演变过程,揭示了反应产物的形成机制。随钎焊温度提高和保温时间延长,钎焊界面反应层厚度增大,反应产物数量先增加后逐渐减少。当钎焊温度T=450℃,保温时间t<45s时,界面由ε-Cu Zn5、γ-Cu5Zn8和β-Cu Zn反应层组成,随保温时间延长ε-Cu Zn5与Cu原子发生界面反应45nuu ZeeC-5C-4=+u ZC n,生成枝晶状ε-Cu Zn4相,钎焊界面转变为ε-Cu Zn5、ε-Cu Zn4、γ-Cu5Zn8及β-Cu Zn四个反应层,产物数量增加;当钎焊温度T=450℃,保温时间t>90s时,ε-Cu Zn4与Cu原子发生界面反应,ε-Cu Zn4被消耗854ZngeC-3C-2=+Znu Cu u;继续增加保温时间,钎焊界面产物数量减少,由ε-Cu Zn4、γ-Cu5Zn8及β-Cu Zn反应层转变为γ-Cu5Zn8和β-Cu Zn反应层,其中ε-Cu Zn4相生成与消耗的反应熵变分别为92.90J.K-1.mol-1和232.30 J.K-1.mol-1。钎焊界面反应产物特征对钎焊接头剪切强度有着显著影响,当钎焊温度T=450℃,保温时间t=30s时,ZSCB/Cu接头界面ε-Cu Zn5晶粒尺寸为2.32-3.51μm,反应层总厚度为26.56-32.43μm,接头剪切强度76.52MPa;当保温时间t>45s时,界面生成过度反应相ε-Cu Zn4,接头剪切强度降低(38.25MPa)。试验采用Zn-5Sn-2Cu-1.5Bi-0.05RE钎料钎焊铜,界面产物ε-Cu Zn5和γ-Cu5Zn8的反应激活能增大,界面反应层厚度降低,ε-Cu Zn5晶粒细化,钎焊接头剪切强度为92.63MPa,与ZSCB/Cu(T=430℃,t=30s)钎焊接头相比,提高了120.76%。