熔态金属与固态金属的相互作用分析

钎焊中钎料（F）与母材（B）之间相的关系，通常有如图1-10所示的四种类型：图a为F-B间固（母材）、液相互溶度都极小；图b为F-B间固、液相（钎料）互溶度都较大；图c为F-B间有固液同分化合物（congruent compound）生成；图d为F-B间有固液异分化合物（incongruent com-pound）生成。如果钎焊工作温度选择为T_B，可以看出开始时，无论哪一种情况都是母材B向液态钎料中溶解。液体钎料的组成因溶入母材而沿虚线向右移动；当分别达到L_a、L_b、L_c、L_d组成点时，母材的溶入便告饱和。

第一种情况（见图1-10a），由于母材B在熔态钎料F中溶解度很小，钎缝实际上是由纯F构成的，近似的例子是用纯银或纯铜钎料钎焊铁。

第二种情况（见图1-10b），母材B在熔态的钎料中的溶解度很大，这时B以很快的速度溶入液态钎料F，直至组成达到L_b点。钎缝的结构与钎焊时加热的时间有关，如果钎焊的时间很短，液体钎料的组成还处在F-e之间，冷凝后的钎缝将是一种亚共晶结构，即在F′-B′共晶的背景上有从液相中析出的、孤立的、常呈云朵状的F′初晶（以下F′和B′表示以F或B为主的固溶体）。如果钎焊加热的时间较长，液态钎料的成分介于e′-L_b之间，冷却时呈过共晶结构。这种结构由F′-B′共晶和B′的初晶构成，但B′初晶析出时总以母材B的晶粒为晶核生长，因此B′初晶常和母材连在一起呈圆滑的一排峰峦状。图1-11所示为1000℃时纯银钎料钎焊铜的钎缝，钎缝的组成显然介于e′-L_b之间，但靠近e点。

如果钎焊加热时间更长，钎缝的组成将沿L_b→S_b移动，到达S_b点时，钎缝中便不再看得见有共晶的组织。事实上要达到S_b点很难，需要极长的时间。通常若干小时的钎焊保温，钎缝的组成也只会停留在L_b～S_b之间的某个位置上，这时钎缝的结构表现为钎料向母材的晶间渗透，母材的晶粒之间充斥着少量共晶组织。加热时间越长，共晶组织渗透的范围越大，共晶渐呈清晰的线条勾画出母材的晶界。在此范围之内的晶粒不会是纯B的晶粒，而是组成为S_b的固溶体。在金相磨片上常可看到它们比纯B晶粒的硬度大得多。

以上所谓时间的长短是相对的，由于钎缝中的反应远非平衡的，几种反应常会在钎缝中同时发生。

第三种情况（见图1-10c），钎料与母材作用生成固液同分化合物c，这时化合物c的熔点显然高于钎焊温度T_B，c往往是由熔态的F原子向母材中迅速扩散而形成^[19]，因此在母材的边界上常可看到这个化合物是致密的一层（见图1-11和图1-12），这是液态的Sb和固态的Ni反应时在界面上形成一层化合物NiSb。固液同分化合物经常具有独立的晶格，具有通常无机化合物的某些属性，即比较稳定、不易分解、性脆、电导率和热导率都比较低等。这种情况对一个钎焊接头来说是不利的。类似的例子还有用Cu-P钎料钎焊铁，Cd基钎料钎焊铜。

图1-10 钎料与母材之间相的关系 Fig.1-10 Basic phase relationships between filler metal and base metal F—钎料 B—母材 T_B —钎焊温度

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图1-11 1000℃时纯银钎料钎焊铜的钎缝 Fig.1-11 Fillet of copper brazed by pure silver at 1000℃

图1-12 熔态Sb与固态Ni作用时界面上有层状固液同分化合物NiSb生成（700℃浸渍1s） Fig.1-12 Lamellar congruent intermetallic NiSb formed from solid Ni with liquid Sb（at 700℃for 1s dipping）

第四种情况（见图1-10d），钎料与母材间生成固液异分化合物d。虽然从热力学平衡的观点来看，化合物d和c的性质应该相似（见图1-10d），但由于d的生成反应是l+B′=d′，这种反应在钎焊条件下不可能是平衡的，即钎缝中同时会存在l、d′和B′多相，在T_B温度下还会含有F存在。其中d的生长方式相当独特，在钎焊快速反应的条件下往往呈笋状生长。图1-13所示为熔态Sn与固态Cu作用时界面上有笋状固液异分化合物Cu₆Sn₅生成^[19，22]。

图1-13 熔态Sn与固态Cu作用时界面上有笋状固液异分化合物Cu₆Sn₅生成（350℃浸渍2s） Fig.1-13 Bamboo shoot-like incongruent intermetallic Cu₆Sn₅ formed from solid Cu with liquid Sn （at 350℃for 2s dipping）

液态Sn与Cu反应温度低于415℃时，有一固液异分化合物η相生成[14]965，其组成接近Cu₆Sn₅。图中笋状化合物的上部富Sn，下部富Cu，实际上是一片以Cu₆Sn₅为主体，但组成不严格确定的固溶体。在350℃时，其长高可达3～10μm，降低温度可减小化合物的生长高度。这种钉状嵌入式的结构和层状的固液同分化合物结构不同，在某种程度上有利于钎焊接头的牢固性。液态锡和银、铁、钴、镍等过渡金属与母材作用时，在一定的温度下，其金属间化合物的类型和生长方式均相似[19]，仅仅快速生长时的温度有所不同。

实际工作中很少用纯金属来做钎料，而多用合金。熔态钎料和母材的反应虽较复杂，但仍可用类似的图解来分析他们之间的冶金过程。例如，用Al-Si共晶钎料来钎焊Al，就相当于图1-10b中将F换成Al，B换成Si，而钎料的位置则是e，钎焊的温度当然不能再是T_B，而只能是低于F（Al）的熔点的某个温度。这时的冶金反应就可用图1-10b的类似过程来进行分析。