哈工大_钎焊_杨建国 04.第01章 钎焊接头形成(影响钎料润湿性的因素1)

影响钎料润湿性的因素
温度对表面张力的影响
右图为锡的表面张力随温 度变化的实测值。由图可 见,不同研究人员的数据虽 然很不一致,但都定性地满 足线性关系。通常液态金 属的表面张力的温度系数b 在0.1⎯0.4尔格／厘米2℃左右。
10-7j
影响钎料润湿性的因素
2)钎剂的影响
去除氧化膜最有效的方法是采用钎剂。当用钎剂去除了母材和钎料表 面的氧化膜后,液态钎料就可以和母材金属直接接触,从而改善润湿。另外, 当母材和钎料表面覆盖了一层液态钎剂后,系统的界面张力就发生了变化, 当铺展达到平衡时,由Young氏方程有:
σ sf = σ sl + σ lf cos θ σ sf − σ sl cos θ = σ lf
由Young氏方程可知,任何使σsl、σlg、σgs发生变 化,从而使接触角θ发生变化的因素都将影响到钎料 对母材的润湿性。 从热力学观点来看,界面张力即比表面自由焓,它与 各相的物性、成份、温度有关,所以润湿角必然受这 些因素的影响。 从动力学观点来看,接触角必然受时间的影响。 在实际钎焊过程中, 常常不可避免地发生母材向钎 料中的溶解及钎料与母材之间的扩散。而溶解过程 及扩散过程都与物性、成份、温度和时间有关。 本节重点从热力学和动力学角度来讨论影响钎料对 母材润湿性的因素。
钎焊
————钎焊接头形成过程
主讲：杨建国 先进焊接与连接国家重点实验室 哈尔滨工业大学
第一章 钎焊接头的形成过程
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 钎料的润湿与铺展过程 钎料的毛细填缝过程 影响钎料润湿性的因素 钎料润湿性的评定 液态钎料与母材的相互作用
影响钎料润湿性的因素
影响钎料润湿性的因素
影响钎料润湿性的因素
系统各相物性的影响
表1-4 一些金属系统的界面张力 系 统 Al-Sn Al-Sn Cu-Ag Fe-Cu Fe-Ag Cu-Pb 温度t/℃ 350 600 850 1100 1125 800 σsg(N／m) 1.01 1.01 1.67 1.99 1.99 1.67 σlg(N／m) 0.60 0.56 0.94 1.21 0.91 0.41 σls(N／m) 0.28 0.25 0.28 0.44 >2.48 0.52
影响钎料润湿性的因素
各相浓度的影响
图1-25给出了在真空中300℃ 下Sn-Pb钎料在Cu母材上的润湿情 况。由图可见,当钎料成份变化时, 其润湿角也发生变化,其基本趋势 是接近共晶成份时的接触角较小, 而高Pb含量时接触角明显增大,并 会出现不润湿的情况。这是因为 Pb与Cu在固态下无互溶,其相互作 Ⅰ、Ⅱ--真空中（熔融） 用较弱的缘故。
影响钎料润湿性的因素
各相组成对润湿性的影响
界面张力是材料本身的特性之一,它反映的 是材料内部的原子对原子吸引力的强弱,因此, 对不同的材料来说,其界面张力显然是不同 的。改变三相物质任一相的组成,就相应地改 变了界面张力,这必然要影响到钎料对母材的 润湿性。
影响钎料润湿性的因素
系统各相物性的影响
影响钎料润湿性的因素
1)金属表面氧化物的影响 在常规条件下,大多数金属表面都有一层氧化膜。氧 化物的熔点一般都比较高,在钎焊温度下为固态。它 们的表面张力值很低,因此,钎焊时将导致σsg＜σsl, 所以产生不润湿现象,表现为钎料成球,不铺展。 许多钎料合金表面也存在一层氧化膜。当钎料熔化后 被自身的氧化膜包覆,此时其与母材之间是两种固态 的氧化膜之间的接触,因此产生不润湿。
影响钎料润湿性的因素
系统各相物性的影响
由表1-2～1-4中数据可以看出，一定的物质,在温度、 压力和成份一定的情况下，其的界面张力值是一定 的。 不同的物质，即使在相同的温度和压力条件下，其界 面张力值也不同。这是由于不同物质的分子之间的作 用力是不同的。 当一相的物性不变，而改变与之相邻的另一相物性 时，界面张力也将发生变化。这是由于界面张力是由 相邻两相所共同决定的，取决于两相分子对表相分子 引力的差异。 因此不难想象，对于成份确定的母材和钎料，当其表 面氧化或采用钎剂去除氧化膜时，都将影响到界面张 力值，并因而影响钎料对母材的润湿性。
Ⅲ、Ⅳ--ZnCl2+NH4Cl共晶 Ⅲ--液相+50°C Ⅳ--Ⅲ凝固后
影响钎料润湿性的因素
温度的影响
温度对表面张力的影响 温度对表面自由焓的影响可由表面化学热力学普遍 关系式,利用状态函数的全微分性质得到:
dG = − SdT + VdP + σdA + Σμi dni
在恒压条件下,且不考虑成份变化有 dG = − SdT + σdA (A为面积) 对上式进行全微分,得 ∂G 所以
其中:σsf－母材与钎剂间的界面张力; σsl－母材与钎料间的界面张力; σlf－钎剂与钎料间的界面张力。 与无钎剂时的情况相比,只要满足σlf＜σlg或σsf＞σsg,就可以增强 钎料对母材的润湿。同样,钎剂成份的变化将造成σlf和σsf的变化,从而 也会影响到钎料对母材的润湿性
影响钎料润湿性的因素
各相浓度的影响
浓度对表面张力的影响，由于涉及到分子作 用力受浓度影响的问题，是很复杂的,且难以 给出一般的关系式。一般都靠实验测定。通常, 在多元体系中,随着某一成份的加入,体系界面 张力的变化可分为三类。
影响钎料润湿性的因素
各相浓度的影响
图中Ⅰ类，随某成份浓度增大,表面张力缓慢增 大；Ⅱ类，随浓度增大，表面张力缓慢下降；Ⅲ 类，随浓度增大，表面张力急剧下降。Ⅲ类溶质有 特别的实用意义，化工、冶金和选矿 等工业中，被称为“表面活性剂” 或“变质剂”，在钎焊行业中通常 称之为“表面活性物质”。这些都 是由于浓度影响界面张力，而在 界面上发生吸附过程的缘故。
Ag Al Au Ba Be Bi Cd Ce Co
影响钎料润湿性的因素
系统各相物性的影响
表1-3 一些固态金属的表面张力
金属 Fe Cu Al Mg W Zn 温度t/℃ 20 1400 1050 20 20 20 20 σsg(N／m) 4.0 2.1 1.43 1.91 0.70 6.81 0.86
∂G dG = dT + dA ∂T ∂A
∂G ∂G = −S , =σ ∂A ∂T
影响钎料润湿性的因素
温度对表面张力的影响
∂σ dS = −T T dA ∂T
TdS/dA代表扩大单位面积时体系所吸收的热量, 其为正值,所以有∂σ/∂T＜0,即随着温度T的上 升表面张力σ下降。
影响钎料润湿性的因素
表1-2 一些液态金属的表面张力
金属 σlg (N／m) 0.93 0.91 1.13 0.33 1.15 0.39 0.56 0.68 1.87 金 属 Cr Cu Fe Ga Ge Hf In Li Mg σlg (N／m) 1.59 1.35 1.84 0.70 0.60 1.46 0.56 0.40 0.57 金 属 Mn Mo Na Nb Nd Ni Pb Pd Rh σlg (N／m) 1.75 2.10 0.19 2.15 0.68 1.81 0.48 1.60 2.10 金 属 Sb Si Sn Ta Ti V W Zn Zr σlg (N／m) 0.38 0.86 0.55 2.40 1.40 1.75 2.30 0.81 1.40
影响钎料润湿性的因素
1)金属表面氧化物的影响 例如:当用Al-Si共晶钎料(熔点577℃)置于Al母材(熔 点660℃)上加热到600℃时,钎料熔化但不在母材表面 上铺展。液态钎料因受固态氧化膜的制约而成为不规 则球形。此时用钢针刺入钎料并刺破母材表面的氧化 膜,钎料就会在母材Al与其表面的Al2O3 膜之间铺展, 从而将Al2O3膜“抬起”,形成所谓的“皮下潜流”现象。 所以在钎焊过程中必须采取适当的措施来去除母材和 钎料表面的氧化膜,以改善钎料对母材的润湿。
影响钎料润湿性的因素
(a) 盖满油垢的固体表面； (b)由于水的高表面张力及不能润湿油污 表面，无法除垢 (c)在水中加入洗涤剂； (d)油垢及固体表面进一步吸附洗涤剂， 使油垢微粒悬浮于溶液中，易于除去；
影响钎料润湿性的因素
浮选富集矿石示意图
影响钎料润湿性的因素
各相浓度的影响
一般来说,如果钎料与母材在液态和固态下均无相互作用,则 它们之间的润湿性就很差;若钎料和母材之间能相互溶解或形 成金属间化合物,则液态钎料就能较好地润湿母材。 例如:Fe-Ag在液态和固态下均无相互作用,在1125℃下,Ag在Fe 上润湿时,体系的界面张力值分别为:σsg＝1.99(N/m)、σlg＝ 0.91(N/m)、σls≥2.48(N/m),由Young氏方程可求出接触角 θ≈122.5°＞90°,故不发生钎料铺展。 而Cu和Sn在液态下可互溶,在固态下可形成金属间化合物,当其 在300℃下,Sn在Cu上润湿时,体系的界面张力值分别为:σsl＝ 1.54(N/m)、σlg＝0.55(N/m)、σgs＝1.67(N/m),由Young氏方 程求出接触角θ≈76°＜9变化范围不大时,表面张力 随温度的升高而呈性下降。这是一个普遍的关 系,各种金属表面张力随温度变化的关系大体 上可以归结为这种关系。但是表面张力随温度 升高而下降的这种趋势也不是无限的,对液体 来说,到"临界点"(即液－气相界面消失,气态 与液态无法区分的温度时)表面张力降低为 零。