304不銹鋼管表面電鍍錫銀釬料的潤濕特性

  為揭示不銹鋼管表面電鍍錫銀釬料的潤濕特性，借助潤濕試驗(yàn)爐、影像式燒結(jié)點(diǎn)試驗(yàn)儀、掃描電鏡、Ｘ射線衍射儀、能譜分析儀對電鍍錫銀釬料的潤濕行為、動態(tài)鋪展過程、界面組織、物相組成及潤濕界面化學(xué)元素分布進(jìn)行了分析。研究表明，優(yōu)先鋪展的前驅(qū)膜是改善電鍍錫銀釬料潤濕性的本質(zhì)原因。潤濕過程中出現(xiàn)的前驅(qū)膜效應(yīng)，主要是試驗(yàn)中釬劑中的硼酐引起的。電鍍錫銀釬料與不銹鋼管界面出現(xiàn)的相過渡層，垂直于潤濕界面呈柱狀向釬料內(nèi)生長。隨著Sn含量升高，電鍍錫銀釬料在不銹鋼管表面的潤濕面積呈增大趨勢；與同Sn含量（２.4％～7.2％，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的傳統(tǒng)釬料相比，電鍍錫銀釬料在不銹鋼表面的潤濕面積提高了8.1％～12.5％。當(dāng)Sn含量為7.2％時，電鍍錫銀釬料的潤濕面積高達(dá)481mm。電鍍錫銀釬料與不銹鋼母材的接合界面是擴(kuò)散化合物混合型形式。

  釬料作為釬焊時的填充材料，其性能在很大程度上決定了釬焊接頭的質(zhì)量和性能。潤濕性作為評價(jià)釬料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響釬料填縫能力及釬焊接頭的組織和力學(xué)性能，進(jìn)而影響釬焊件的使用壽命。因此，釬料潤濕性是釬焊材料研究的熱點(diǎn)課題之一。銀釬料作為目前應(yīng)用最廣泛的一類硬釬料，熔化溫度適中、工藝性能優(yōu)越，在航空航天、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Sn在銀釬料中為有益元素，當(dāng)含量低于10％時，可有效改善釬料的潤濕性。熔化溫度低于710℃的釬料在鎳板、黃銅板表面具有很好的潤濕性；含3％釬料在不銹鋼表面的潤濕面積是釬料的1.7倍；復(fù)合添加Ga和Sn元素時，銀釬料潤濕性更好，但Ga含量不宜過高，否則易出現(xiàn)脆性相，添加微量的Ni、Mn元素可抑制脆性相的產(chǎn)生。針對傳統(tǒng)熔煉方法制備釬料的技術(shù)瓶頸，本課題組提出用鍍覆－熱擴(kuò)散組合方法制備新型鍍錫銀釬料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微米錫鍍層使得釬料潤濕面積增大；并對鍍錫銀釬料擴(kuò)散過渡區(qū)的物相及其形成機(jī)制進(jìn)行了分析，認(rèn)為擴(kuò)散過渡區(qū)主要存在低熔點(diǎn)相。但錫鍍層改善銀釬料潤濕性的本質(zhì)原因目前尚不清楚。本工作主要分析了層狀電鍍錫銀釬料在304不銹鋼管表面的潤濕特性，希望為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

  釬料潤濕過程中，熔化的釬料邊緣產(chǎn)生一圈潤濕帶，觀察其宏觀外形特征，猶如一條金邊鑲于釬料外側(cè)，這一現(xiàn)象稱為前驅(qū)膜效應(yīng)，如圖所示。由于前驅(qū)膜效應(yīng)與良好的潤濕性密切相關(guān)，在技術(shù)上借助前驅(qū)膜效應(yīng)改善液態(tài)釬料潤濕性是可行的，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。圖為電鍍錫銀釬料在304不銹鋼管表面潤濕前驅(qū)膜的實(shí)物照片。試樣邊緣存在一圈顏色較為鮮亮的白色潤濕環(huán)，其與不銹鋼的實(shí)際潤濕角幾乎為０°。經(jīng)宏觀分析可知，潤濕前驅(qū)膜的寬度很不均勻。某些邊緣部分可觀察到，前驅(qū)膜較寬的地方，釬料粘度低、流動性好、流速較快；反之，釬料粘度較高、流動性較差，使得電鍍錫銀釬料在不銹鋼表面形成的前驅(qū)膜邊緣形狀多樣化。由電鍍錫銀釬料在304不銹鋼表面的潤濕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前驅(qū)膜效應(yīng)的出現(xiàn)主要與母材材質(zhì)有關(guān)，304不銹鋼管表面潤濕試驗(yàn)存在前驅(qū)膜效應(yīng)，而黃銅、純銅表面未出現(xiàn)潤濕前驅(qū)膜效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)所選用的助焊劑為釬劑，成分中含有容易與Cu、Zn、Ni來自電鍍錫銀釬料的氧化物反應(yīng)，形成鹽類物質(zhì)，以渣的形式浮于304不銹鋼管表面，有效去除304不銹鋼管表面的氧化膜。上述分析表明，304不銹鋼管表面潤濕試驗(yàn)出現(xiàn)的前驅(qū)膜效應(yīng)，主要是硼酐與304不銹鋼管表面的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成系列硼酸鹽，浮于不銹鋼表面出現(xiàn)的潤濕環(huán)。優(yōu)先鋪展的前驅(qū)膜降低了釬料與不銹鋼之間的表面張力，有利于釬料在304不銹鋼管表面鋪展。因此，優(yōu)先鋪展的前驅(qū)膜是改善304不銹鋼管表面電鍍錫銀釬料潤濕性的本質(zhì)原因。

  Sn含量對電鍍錫銀釬料和傳統(tǒng)釬料潤濕性的影響如圖所示, 隨著Sn含量升高，兩類釬料在304不銹鋼管表面的潤濕面積均逐漸增大，與同Sn含量的傳統(tǒng)釬料相比，電鍍錫銀釬料的潤濕面積提高了8.1％～12.5％。原因是同等Sn含量條件下，電鍍錫銀釬料的熔化溫度區(qū)間較窄、流動性好，故其潤濕面積較大。當(dāng)Sn含量為7.2％時，電鍍錫銀釬料的潤濕面積最大，比同Sn含量的提高了8.8％。其原因在于：Sn是降熔元素，鍍覆錫熱擴(kuò)散處理和釬料中直接添加Sn均可降低銀釬料的熔化溫度。同一釬焊溫度下，釬料熔化溫度隨著Sn含量升高逐漸降低，即液態(tài)釬料過熱度逐漸增大，使得釬料分子運(yùn)動加劇，釬料內(nèi)部分子對其表面分子的吸引力減小，進(jìn)而使得釬料潤濕面積增大。同時，隨著潤濕過程加熱溫度升高，液態(tài)鍍錫銀釬料的表面張力減小，有助于改善釬料潤濕性。

  不同釬料在304不銹鋼管表面的潤濕動態(tài)圖片如圖所示, 隨著加熱溫度升高和時間延長，釬料在不銹鋼表面逐漸鋪展。對比三組圖片可發(fā)現(xiàn)，230℃和250℃時電鍍錫銀釬料未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，說明擴(kuò)散工藝可行。三種釬料在潤濕試驗(yàn)的初始階段，潤濕角大于90°，液態(tài)釬料表面張力較大，使得液態(tài)釬料形狀由方形轉(zhuǎn)為橢圓形，釬料并未在不銹鋼表面流動鋪展，液態(tài)釬料與304不銹鋼管的接觸直徑并未增加。當(dāng)溫度升高至690℃后，鍍錫銀釬料中由于界面發(fā)生反應(yīng)，隨著溫度升高潤濕角迅速減小，液態(tài)釬料與304不銹鋼的接觸直徑增大。此時同Sn含量（4.8％）條件下，與傳統(tǒng)釬料相比，液態(tài)鍍錫銀釬料優(yōu)先由方形熔化轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，說明鍍錫銀釬料的潤濕角更小。之后處于平衡階段，潤濕角減小緩慢直到潤濕試驗(yàn)結(jié)束。