钎料组元向母材扩散的研究与优化

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：扩散一般均为自高浓度向低浓度方向进行，当钎料中某组元的含量比母材高时，由于存在浓度梯度，就会发生该组元向母材的扩散。表3-1-4列举了一些钎料合金组元在母材基体中的扩散系数。表3-1-4 一些钎料合金组元在母材基体中的扩散系数表3-1-5 几种元素285℃时在铅中的扩散系数用Al-28Cu-6Si钎料钎焊铝合金时，可发现钎料组分元素向母材铝的扩散，如图3-1-17所示。钎料组元向母材的晶间渗入，往往使钎焊接头的强度、塑性等力学性能变坏。

所谓扩散是一种原子的传输过程，其驱动力为化学位梯度。在钎焊过程中，由于母材和钎料的成分不同（存在浓度梯度），在温度的作用下，必然导致原子的扩散。原子的这种热运动造成物质的宏观流动，导致钎焊接头的组织不均匀，从而引起力学性能的不均匀。钎焊时原子的扩散，不仅有原子在固体金属中的扩散，而且还有在液态金属中的扩散。因此，研究钎焊过程中原子的扩散过程，是非常重要的。

根据Fick第一定律，钎焊时钎料向母材中的扩散量为

式中 d_m——钎料组分的扩散量，单位为mol；

D——扩散系数，单位为cm²/s；

S——扩散面积，单位为cm²；

dc/dx——在扩散方向上扩散组分的浓度梯度，单位为mol/L·m；

dt——扩散时间，单位为s。

由式（3-1-71）可见，扩散数量与浓度梯度、扩散系数、扩散面积和扩散时间有关。扩散一般均为自高浓度向低浓度方向进行，当钎料中某组元的含量比母材高时，由于存在浓度梯度，就会发生该组元向母材的扩散。浓度梯度越大，扩散量将越多。扩散系数越大，扩散量也越多。扩散系数和温度的关系满足Arrenhius公式，因此有

式中 D₀——扩散常数，主要取决于晶体点阵类型；

R——气体常数，单位为J/（mol·K）；

T——热力学温度，单位为K；

Q——扩散激活能，单位为J/mol。

对式（3-1-72）两边取对数得

从式（3-1-73）可知，扩散系数的对数和温度的倒数呈线性关系，温度越高，扩散系数越大。表3-1-4列举了一些钎料合金组元在母材基体中的扩散系数。激活能Q表征线性关系的斜率，Q和D₀的取值涉及晶体结构。因此可以说，扩散系数和晶体结构有关。晶体点阵越致密、扩散原子半径越大，扩散系数越小。表3-1-5列举了几种元素285℃时在铅中的扩散系数。第三元素的存在对元素的扩散会产生较大的影响，如第三元素对扩散原子的亲和力大于对母材金属原子的亲和力，则扩散系数减小；反之，扩散系数增加。

表3-1-4 一些钎料合金组元在母材基体中的扩散系数

表3-1-5 几种元素285℃时在铅中的扩散系数

用Al-28Cu-6Si钎料钎焊铝合金时，可发现钎料组分元素向母材铝的扩散，如图3-1-17所示。在钎焊接头靠近交界面的母材边上，形成了一条与钎缝平行的明亮带，它是钎焊时液态钎料中的硅和铜向铝扩散，而形成的固溶体。用纯Cu钎焊钢时，同样可发现液态Cu向钢中扩散的情况。图3-1-18是1100℃铜钎焊钢时铜在钢中的分布。随着保温时间的延长，不但Cu的扩散深度增加，扩散层的Cu含量也增加。

图3-1-17 Al-28Cu-6Si钎料钎焊铝合金时的显微组织

图3-1-18 铜钎焊钢时铜在钢中的分布

1—保温1min 2—保温60min

钎焊时还有一个钎料组元原子扩散的现象，即晶间渗入，它是由原子的晶间扩散引起的。晶间渗入产生的条件是在钎料中某组元和母材所构成的相图中有低熔点共晶产生，其产生原因可解释为：在液态钎料与母材接触的过程中，钎料组分要向母材扩散，由于晶界处原子的排列和晶内相比存在较大的错配，空隙较多，原子扩散速度加快，晶界扩散速度大大快于晶内扩散速度，晶界处扩散组元的浓度大大提高，结果在晶界处形成钎料组分与母材金属的低熔点共晶。由于其熔点低于钎焊温度，这样就在晶界处形成一层液态层。钎料组元向母材的晶间渗入，往往使钎焊接头的强度、塑性等力学性能变坏。尤其在钎焊薄件时，晶间渗入可能穿透整个焊件厚度，使接头变脆。

图3-1-19 产生晶间渗入时的界面张力平衡图

根据史密斯（Smith）提出的理论，液态金属要渗入到多晶体固态金属晶界中去，就必须满足以下条件：

σ_GB≥2σ_LS （3-1-74）

式中 σ_GB——多晶体的界面能，也称界面张力，单位为N/m；

σ_LS——液态金属与固态金属间的界面能，也称液-固界面张力，单位为N/m。

根据Smith的理论，多晶体内液相与固相平衡时（图3-1_-19），可得

或

式中 θ——二面角。

从式（3-1-76）可知，当σ_LS≥σ_GB/2时，cos（θ/2）≤1，随着界面能之比（σ_GB/σ_LS）的增大，θ在180°～0°转化。当θ≤90°时，可以认为液态金属能渗入固态金属晶界而产生晶间渗入，即在满足σ_LS≥σ_GB/2时，晶界表面能尽可能地大，固-液界面能尽可能地小。

在液态钎料向母材晶间扩散渗入的同时，母材晶界上的某些元素，或者从晶内向晶界扩散的某些元素会加剧晶间渗入过程。例如，Cu钎焊钢时，Cu的晶间渗入随着钢的C含量的增加而加剧。这是因为Cu向碳钢晶界渗入的同时，形成了Fe-Cu-C三元共晶，从而在晶界出现了更多的液相所致。另一方面晶界上共晶相的形成和钎料组分在母材中的溶解度有关。因为钎料组分向母材晶间扩散时先形成固溶体，只有达到它在母材中的饱和溶解度后才会形成共晶相。因此，钎料组分在母材中的溶解度越大，晶间渗入的可能性越小。

在实际钎焊过程中，当用含硼的镍基钎料钎焊碳钢、不锈钢和高温合金时，就可以观察到晶间渗入现象，如图3-1-20所示。

图3-1-20 含硼镍基钎料钎焊不锈钢时的晶间渗入

a）钎缝区形貌 b）硼向母材扩散情况

钎料组元向母材扩散的研究与优化

相关推荐