熔态钎料在固体母材上的铺展优化

实验表明，熔态钎料润湿母材以后，尽管用了活性很强的钎剂，并不一定就会很好地在母材上铺展。这样的实例很多，例如，纯锡（包括高锡合金）在钎剂作用下润湿铜母材以后就很难再顺利铺展，同样的例子是纯锌润湿铝以后的状态。其原因在于熔态钎料与母材之间特殊的相关系（Phase relation）。实验表明，这种难再铺展的现象往往发生在熔态钎料与母材间产生过度的和快速的相间反应，如生成金属间化合物或互溶。这阻碍了熔态钎料向前流动和铺展^[20]。

以熔态锡在铜面上润湿后的状态为例。图1-8所示为280℃时熔态纯锡与铜母材作用0.5s后的Cu-Sn界面。下面黑色部分为铜，亮的部分为锡层，最上面为锡层与空气的界面。可以看到，在如此短的反应时间内，铜-锡界面上已经有众多的Cu₆Sn₅金属间化合物生成。高度不一，最高的竟超过20μm，并且锡还向上扩散形成共晶物相。这样进行的一切行为都会“抓住”和阻止锡不使其向前流动。在含锡量高的锡基钎料与铜相互作用时也有类似的现象。

图1-8 280℃时熔态Sn与Cu母材作用0.5s后的Cu-Sn界面 Fig.1-8 The interface figure between Cu-Sn after reaction of molten Sn with solid Cu at 280℃for 0.5s

显然，要想增加锡在铜上的铺展性，就必须抑制铜-锡界面上金属间化合物的生长趋势。一个有效的办法就是向锡中加入一种对铜和锡都是惰性的金属，也就是它对Cu和Sn之间都没有化合物生成。这时，由于这个惰性合金元素的加入，就降低了锡在整个钎料合金中的浓度。当惰性元素的量足够时，Sn和Cu之间生成化合物的趋势就大为削弱，锡钎料合金的铺展性会因此大大提高。周期系中，能够符合这一条件的，只有Pb、Bi和Tl三个元素。图1-9所示为Sn与Pb、Bi、Tl以及Cu与Pb、Bi、Tl之间的相关系。

锡和铅组成的Sn-Pb共晶合金是人们最熟悉的焊锡。和纯锡大不一样，它在铜上的铺展率很高，就是由于和Cu不发生反应的Pb稀释了Sn的缘故。同样，和铜不发生反应的铊、铋和Sn组成的合金钎料也具有极良好的铺展性。Sn-Bi系共晶较脆，不易加工。Sn-Tl系性能良好，熔化温度为170℃。但铊是一个比铅毒得多的元素。

图1-9 Sn与Pb、Bi、Tl以及Cu与Pb、Bi、Tl之间的相关系 Fig.1-9 The phase relations between Sn with Bi，Pb，Tl and Cu with Bi，Pb，Tl(www.xing528.com)

用和母材反应性强的元素和锡搭配组成的钎料，只会具有更差的铺展性。Sn-Zn共晶是一个熟知的钎料。但熔态的它在Cu面上比纯锡还难铺展。这是由于在钎料的熔态温度下，Zn和Cu有超过30%（质量分数）的固溶度，Zn此时便迅速向Cu内渗入。与此同时，在固-液界面上还会有化合物CuZn₅生成。因此不但未能起到减弱Sn对Cu的影响，反而更增加了铺展的阻力。

根据以上叙述可以看到，企图往高锡钎料合金中加入某些微量添加元素来显著改善钎料的铺展率，除非能明确做到抑制了Cu-Sn间的反应性，否则其努力是难以有明确成效的。

在过渡金属中，相同温度下Ni与Sn（液）生成金属间化合物的倾向比Cu-Sn（液）间的作用要弱得多^[19]。实验表明，如果在Cu上镀Ni后，再用高锡合金钎料钎焊，就会发现铺展性要比在Cu上好得多。

另一个润湿而难以铺展的典型实例是熔态Zn在Al上的行为。它们之间不是由于生成了化合物，而是因为在熔态Zn的温度下，Zn在Al中有超过80%（质量分数）的固溶度，此时Zn迅速溶入Al而不向周边铺展，如果Al母材较薄，常可见到Al被熔穿。如果向Zn中添加另一种惰性元素，它和Zn能够形成熔化温度较低的合金，而它和Al之间是惰性的，和Zn也不生成化合物，稀释了Zn的浓度，必将会大大改善此Zn合金在Al上的铺展性。在元素周期表中符合这一条件的元素有：Sn、Cd、Pb、In、Bi、Tl等6个。实验表明，Zn和这些元素组成的共晶合金钎料在Al上都有极好的铺展性。在Zn中加入和母材相同的元素构成的共晶，例如Zn-Al共晶也会有类似稀释Zn的效果。当然，要成为一个好的钎料还要符合其他的一系列条件。

和熔态Zn在Al上的行为相似的还有熔态Cu在Ni上的行为。这是因为Cu和Ni生成连续固溶体，熔态Cu向Ni中迅速固溶渗透而难以铺展。在Cu中加入和Ni几无反应性的Ag，冲稀了Cu，所以熔态Cu-Ag钎料在Ni上就有很好的铺展性。相反，熔态的Cu和Fe之间只有弱的固溶性，所以它本身就在Fe上铺展得很好。

总之，熔态钎料合金与母材之间只应该有适当的物理的或化学的反应性，这样才有利于熔态钎料在母材上的润湿和后续的铺展。仅仅从合金的角度考虑钎料在母材上的铺展性，因为受到金属的本性以及熔态钎料-母材之间相的关系的约束，可以控制的余地实在不大，重要的是还应该从钎剂的作用进行考虑。归根结底，提高熔态钎料在母材上的铺展性就是要控制熔态钎料和母材之间只应该具有适当的反应性[^20，21]。