熔态钎料在钎剂中的界面张力变化

由式1-3～式1-5可以看出，无论是润湿处在哪个阶段，要继续降低固-液，也就是要降低熔态钎料和母材间的界面张力F_sl，固体母材的表面张力能否降低都起着决定性的作用。真空钎焊和一些还原气氛的保护钎焊得以顺利进行，就是由于降低了固体母材表面张力F_s的结果。但是通常在大气中进行的钎焊，要想降低固体母材的表面张力几乎是不可能的。但钎剂的使用改变了这一处境。

图1-6所示为母材B上一滴熔态的钎料A被钎剂C覆盖的情形。这时母材的表面张力F_s变成了F_BC（母材与钎剂的界面张力），钎料的表面张力F_l变成了F_AC钎料与钎剂的界面张力）。而钎料与母材的界面张力F_sl成了F_AB，于是在润湿开始前就有

F_AB=F_BC+F_AC （1-8）的关系。

可以看出，要想使钎料很好地润湿母材，就要设法降低F_BC+F_AC的值，尤其是F_BC 值。可是怎样能做到这一点？

图1-6 有钎剂覆盖时液态钎料与母材的界面关系 Fig.1-6 Interfacial relation between molten filler metal and base metal immersed in fused flux

在许多领域都发现，界面上有传质作用发生时，就有界面张力下降的情况发生。Gerbacia^[2]在测定水-油界面张力时，在水中滴入了乙醇，在乙醇通过水-油界面时，界面张力下降；Офичерол[3]在测定Cd-Pb和Zn-Bi熔态金属在有Cd蒸气渗入时，表面张力显著下降；Kazakevich^[4]发现熔化的Cd向CdCl₂中溶解时，界面张力降低；此外，电解时金属和电解质以及熔态炉渣与钢间如有置换化学反应时，也发现界面张力下降。

兰铁^[5，6]模拟了钎焊时界面传质对界面张力的影响。以汞滴代替液态钎料，以0.01molCu（NO₃）2溶液代替钎剂，在Hg滴上施以负电位，在另一铂电极上施正电位。在一定的电流变化范围内，Cu^2+在Hg滴上被还原沉积（传质）并形成合金。用Bashfouth-Adams静滴法测量汞滴-溶液间的界面张力，得出图1-7所示的关系。

图1-7 界面传质速度与界面张力变化的关系 Fig.1-7 Relationship between interfacial mass-transfer-rate and the change of interfacial tension [Hg drop in 0.01mol Cu（NO₃）2 solution]

在初始阶段，由于超电压和分解电位的影响，正负极之间施加电位过低，不足以催生界面传质反应，此时界面张力微有上升。电解反应一旦开始，溶液中的Cu^2+即向汞滴上还原，析出为金属铜并形成铜汞齐。控制极间的电位，可以获得不同的沉积（传质）速度。从图1-7中看到，界面张力随即直线下降，亦即界面张力下降与界面传质速度的升高成反比。

依此类比，钎剂与固体母材之间界面张力变化应有类似的关系。一项模拟的钎焊摊流实验证实了以上推论的结果，见表1-1。

在表1-1中序号1条件下，钎剂-钎料以及钎剂-母材之间均无传质反应发生，钎料并不能润湿母材Al。在序号2条件下，钎剂-钎料以及钎剂-母材之间同时发生传质反应，因而液态钎料Al-Si共晶合金能够很好地润湿母材。序号2的化学（传质）反应如下：(www.xing528.com)

2Al+3ZnCl₂=3Zn↓+2AlCl₃↑ （母材）

2Al（Si）+3ZnCl₂=3Zn↓+2AlCl₃↑（熔态金属）

序号3中液态Pb与Al不能润湿。在序号4条件下，钎剂只与母材间有传质反应，而与钎料Pb没有传质，润湿尚未发生。在序号5、6中则在两个界面上均有传质，特别是序号6传质速度更快。结果使得Pb与Al几乎完全没有互溶度的条件下得以良好润湿。

表1-1 混合熔盐中熔态钎料在Al面上的润湿与界面传质速度的关系 Table 1-1 Wetting of liquid filler metal on Al surface immersed in molten salts under the influence of interfacial mass-transfer-rate

界面张力的下降与传质速度有关，但实际钎焊时只在一定时间内能够保持直线下降速度，随着传质速度减缓，界面张力就随着上升，这也是钎剂的活性有一定时效的原因。

传质速度还需与传质的物质和钎料或母材的合金化速度相匹配，如果传质速度过快，传质的物质来不及与母材或钎料合金化，则会使析出的金属呈微粒状悬浮在钎剂中，表现出来是钎剂的发黑。

在实际运用中，传质速度是根据母材的主金属与钎剂中析出（传质）物质之间的电极电位差而确定的。不同金属离子在母材上传质速度的比较可以参考熔盐中的电位序^[7]（参见表2-5）。

以上只述及传质形式的一种。电化学反应的传质往往是双向的，例如上述铝钎焊过程中，除有重金属沉积的传质外，还同时有Al→Al³++3e反方向的传质。物理过程的传质则往往是单向的，例如母材或氧化膜的溶解、气相渗入、渗透等。不管传质的类型，也不管传质的方向，只要当它们在界面上发生时均会有效地降低界面张力。

钎剂的施加大大增加了界面张力降低的可能性。在一些场合，气相中含有能够向母材和钎料同时渗入的金属蒸气时，也非常有利于熔态钎料对母材的润湿。例如真空钎焊铝合金时，施加Mg的蒸气可大大提高熔态Al-Si共晶钎料对母材的润湿能力。其原因就是除了Mg蒸气能破坏铝的氧化膜外，还同时向母材和熔态钎料渗入进行了传质，从而降低了钎料和母材间的界面张力。此时Mg蒸气事实上起了钎剂的作用。

以上所述是钎剂的活性机制，当然钎剂的功能还不止于此。其他重要的作用还有：松动、脱除或溶解氧化膜；覆盖在焊点表面防止空气的进一步氧化等。