Ti对Ag—Cu 系活性钎料微观组织及性能的影响

王 毅，雷 凯，董 文，杨春光

（1.长春工程学院机电工程学院 长春 130012；2.一汽轿车股份有限公司 长春 130000）

Ag—Cu—Ti系合金是常用的活性钎料，广泛应用于陶瓷、金刚石、立方氮化硼（c—BN）等材料与金属的连接［1－7］。1947年，Bondley发明了 TiH2活性金属法连接陶瓷与金属，后经Bender等人的改进，该方法发展成为Ag—Cu—Ti直接钎焊法［8］。Ag—Cu—Ti直接钎焊法通过活性元素Ti与陶瓷发生化学反应，在陶瓷表面分解形成新相，产生化学吸附机制，从而实现陶瓷与金属的牢固连接。近年来，Ag—Cu—Ti系活性钎料的研究主要集中在活性钎料成分优化，活性元素Ti及工艺参数对陶瓷/金属界面润湿性、接头组织与性能的影响规律［9－12］，而有关活性元素Ti对钎料自身组织与性能的研究较少。活性元素Ti在钎料钎焊连接过程中起决定性作用，Ti含量的增加，一方面提高钎料对陶瓷的润湿性［13］，另一方面促进了Ti与钎料中Ag、Cu元素发生化学反应，形成AgTi、CuTi等脆性化合物，降低陶瓷/金属界面结合强度［14］。因此研究Ti对Ag—Cu系活性钎料组织与性能的影响是十分重要的。

c—BN超硬材料因为具有优越的物理、化学和力学性能而得到广泛应用，逐渐成为钎焊研究的热点之一。本文采用c—BN为母材，研究了Ti对Ag—Cu系活性钎料微观组织与力学性能的影响，为开发钎焊陶瓷和超硬材料（如金刚石与c—BN）等新型活性钎料提供理论指导。

1 实验材料及方法

钎料采用颗粒大小为直径180～200μm，纯度为99.99%的银、铜、钛金属均匀混合放入VQB—10WD型高真空钎焊炉中熔炼而成，熔炼温度为920℃，真空度高于7.9×10－3Pa，钎料化学成分如表1。试验用的c—BN是由湖南旭光新材料发展有限公司提供的，表面无镀膜，粒度为250μm～300μm。将熔炼后钎料制成200mg润湿试验样品，按国家标准GB11364—89，研究Ag—Cu—Ti系活性钎料在c—BN聚晶片表面的润湿性，作为评定钎料对c—BN颗粒润湿性的依据。按国家标准GB11363—89，研究Ag—Cu—Ti系活性钎料钎焊接头的力学性能。接头采用真空钎焊连接，在CSS—44100型电子万能试验机上进行静态拉伸，拉伸速率为6mm/min。采用 HXD—1000TM型数字式显微硬度计测试钎料的显微硬度。采用FeCl3∶HCl∶H2O＝5∶10∶100的腐蚀液对钎料进行腐蚀，应用XJZ—6型光学显微镜、JSM—5310型扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS）研究钎料的微观组织及钎焊冶金特性。

表1 Ag—Cu—Ti系活性钎料成分/wt%

2 试验结果与分析

2.1 Ti对Ag—Cu系钎料润湿性和力学性能的影响

钎料对母材的润湿性是影响钎焊连接质量的重要因素。含有活性元素Ti的Ag—Cu系活性钎料对c—BN具有较好的润湿性能。图1为Ti对Ag—Cu系活性钎料在c—BN表面润湿性的影响规律。含Ti6wt%时，钎料在c—BN表面的润湿角为27°～30°，钎料润湿铺展后，在钎料润湿前沿形成了一定面积，与钎料颜色不一样的润湿环；含Ti12wt%时，钎料熔化后完全铺展润湿c—BN，润湿角＜8°，润湿环面积最大，如图2所示。显而易见，含Ti量对钎料润湿c—BN有重要影响。随着含Ti量增加，钎料对c—BN的润湿性提高，润湿角降低，润湿环面积增大。分析其原因，钎料中含Ti量的增加，增大了Ti的活性，促进了钎料中活性元素Ti与c—BN发生反应；Ti含量越高，钎料与c—BN界面反应越充分，在界面处形成有利于活性钎料润湿的新相，这些新相具有与金属相同的结构，降低液态活性钎料与c—BN间的固—液界面张力，为液态钎料润湿和铺展创造良好条件，从而改善钎料对c—BN的润湿性。

图1 Ti含量对润湿角的影响

图2 Ag—Cu—Ti润湿PCBN的表面形貌

图3是Ti对Ag—Cu系活性钎料显微硬度及钎焊接头强度的影响规律。由图3可见，随着钎料含Ti量的增加，钎料显微硬度提高，钎焊接头强度降低。含Ti6wt%时，钎料显微硬度为308.04HV，钎焊接头强度为71.2MPa；含Ti12wt%时，钎料显微硬度为335.16HV，钎焊接头强度降低到48.4MPa，降低了32.02%，钎焊接头断裂发生在钎缝的中心部位。图4是钎焊接头的断口形貌。含Ti6wt%的钎焊接头断口形貌由细小的韧窝加少量解理组织组成，表现为以塑性断裂为主，随着钎料中含Ti量的增加，断口的韧窝减少，解理组织增多，接头塑性降低。含Ti12wt%时，钎焊接头断口形貌为层状撕裂与少量解理面混合断口，表现为以脆性断裂为主。在Ag—Cu—Ti系活性钎料中，Ti与Ag、Cu是强烈形成化合物元素，含Ti量越高，形成脆性化合物反应越激烈，必然会影响接头力学性能，结果导致钎料脆性增大，钎焊接头强度和塑性降低。

图3 Ti含量对钎料显微硬度及接头强度的影响

2.2 Ag—Cu—Ti系活性钎料的微观组织

Ag—Cu—Ti系活性钎料的组织由Ag—Cu基及其上分布的Cu—Ti、Ag—Ti等化合物组成。图5是4种不同成分Ag—Cu—Ti系活性钎料的微观组织，图6是对应钎料的X射线衍射分析结果。Ag67.68Cu26.32Ti6钎料由白色α—Ag固溶体、少量黑色α′—Cu固溶体及大量灰色Ag—Cu共晶组织组成；Ag66.24Cu25.76Ti8钎料中α—Ag固溶体呈弥散分布，共晶组织减少；Ag64.8Cu25.2Ti10钎料的α—Ag固溶体明显增多，晶粒细化，且均匀分布于钎料中，AgTi、CuTi3、Cu4Ti3等金属间化合物增加；Ag63.36Cu24.64Ti12钎料α—Ag固溶体进一步细化呈枝状发展，金属间化合物明显增加，且有新相Cu3Ti产生，并伴随有裂纹生成。试验结果表明，含Ti量对Ag—Cu系活性钎料的微观组织影响明显，当含Ti量在6～8wt%时，钎料主要由Ag—Cu共晶、α—Ag、α′—Cu固溶体和化合物相组成，随含Ti量增加，α—Ag固溶体和化合物相增加，共晶组织减少；当含Ti量在12wt%时，钎料主要由α—Ag固溶体和金属间化合物相组成，在钎料结晶时产生的瞬时热应力作用下，引起微裂纹的形成。根据Ag—Cu—Ti三元相图液相投影图（图7）［15］也可证实，随温度的变化活性元素Ti与Ag、Cu发生反应，生成金属间化合物，且随含Ti量的增加，Ti与Ag、Cu反应越激烈，形成的金属间化合物越多，导致钎料显微硬度提高，钎焊接头强度和塑性降低。

图4 钎焊接头断口形貌

图5 AgCuTi钎料的微观组织

图6 AgCuTi钎料X射线衍射分析曲线

2.3 Ag—Cu—Ti系活性钎料钎焊c—BN的冶金特性

扫描电镜观察，随含Ti量的增加，Ag—Cu—Ti系活性钎料与c—BN的界面反应层逐渐变宽，表明X射线衍射及能谱分析结果表明，钎焊后钎料与c—BN结合界面的主要物相为c—BN、TiB2、TiN等，如图9所示。排除原有相c—BN，界面反应产物主要是TiB2和TiN。由此可见，钎料中活性元素Ti与c—BN之间有化学反应发生，通过反应在c—BN表面分解形成新相。Ti通过化学反应在c—BN的表面形成新相，有利于液态活性钎料对c—BN的润湿性。图8是Ag64.8 Cu25.2Ti10钎料钎焊c—BN的界面微观结构及能谱线扫描元素分布曲线。由图可见，钎料与c—BN界面结合致密，在界面处形成连续的银白色反应层，反应层宽度约为15μm。经能谱分析，界面处元素成分呈梯度分布，钎料与c—BN发生作用，形成化合物型界面。Ag—Cu—Ti系活性钎料中活性元素Ti在界面区c—BN侧发生了富集，Ti元素有较高的质量分数分布（12.43%），高于钎料中Ti元素的含量（10%）。Ag—Cu—Ti系活性钎料与c—BN这种界面冶金结合，提高钎料对c—BN界面润湿是非常有利的。

图7 Ag—Cu—Ti三元相图液相投影图

3 结语

（1）随着含Ti量增加（6～12wt%），Ag—Cu—Ti系活性钎料对c—BN的润湿性提高，钎料显微硬度和脆性增大，钎焊接头强度和塑性降低。

图8 Ag—Cu—Ti与c—BN界面区线扫描

图9 钎焊后c—BN X射线衍射分析曲线

（2）Ag—Cu—Ti系活性钎料是由α—Ag、α′—Cu固溶体、Ag—Cu共晶和AgTi、CuTi3、Cu4Ti3等金属间化合物相组成，并随Ti含量增加，α—Ag固溶体，金属间化合物相增加，共晶组织减少。采用Ag64.8Cu25.2Ti10钎料钎焊c—BN，接头界面结合致密，实现化学冶金结合，对提高金属与c—BN界面结合强度十分有利。

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