液態(tài)合金在固體基片上的潤濕性及其界面上的相互作用在各種材料加工應(yīng)用中非常重要，并在很大程度上決定了材料加工的可行性和產(chǎn)品的最終性能。目前，傳統(tǒng)的研究主要集中在晶態(tài)合金基板上，很少涉及非晶合金基板。

       眾所周知，非晶態(tài)合金處于亞穩(wěn)態(tài)，大量的熱輸入會導(dǎo)致晶化從而進一步惡化其性能。軟釬焊作為一種對非晶合金結(jié)構(gòu)影響較小的低溫焊接技術(shù)，可以有效避免非晶合金的晶化轉(zhuǎn)變及其導(dǎo)致的性能惡化。釬料與非晶合金良好的潤濕性及界面反應(yīng)是此過程的先決條件。因此，研究液態(tài)釬料在非晶合金基板上的潤濕行為及界面特征具有很大的理論和工程意義。

實驗材料和制備

       將非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金薄帶切成25mm×25mm×30um的基片備用。

       實驗選用熔點低于250℃的Sn、Sn-Pb、Sn-Bi和Sn-Cu作為釬料，表1為四種釬料成分及相應(yīng)的熔點。

表1:四種釬料的熔點

實驗過程

       潤濕實驗前，需要對基片和釬料進行預(yù)處理。采用砂紙打磨拋光去除非晶合金基片表面的氧化物并在酒精中超聲波清洗，確保其表面粗糙度基本一致。釬料球也進行打磨、去除氧化皮，然后在酒精中超聲波清洗。采用光學接觸角測量儀研究釬料在非晶合金基片上的潤濕行為。將預(yù)處理后的釬料球放在非晶合金基片的中央，添加少量的助焊劑覆蓋在上方，然后一起放在加熱腔內(nèi)，設(shè)置加熱腔內(nèi)的溫度使其在氮氣氣氛保護下分別加熱至250℃、300℃、350℃和400℃且保溫30min。從釬料熔化開始記錄觀察液體釬料在非晶合金基片上的潤濕狀態(tài)，獲得釬料在非晶合金基片上潤濕角隨潤濕時間變化情況。

四種釬料在非晶合金上的靜態(tài)潤濕

       通過靜態(tài)潤濕實驗可獲得四種熔融釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片上的最終平衡潤濕形貌和潤濕角。在250℃下四種釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片上的最終平衡潤濕形貌和潤濕角如圖1所示。

圖1:250℃下四種釬料在非晶合金基片上的最終平衡潤濕形貌

(a)Sn,(b)Sn-Cu,(c)Sn-Bi,(d)Sn-Pb

       由圖1可看出，四種釬料在非晶合金基片上鋪展過程很相似，但純Sn釬料在非晶合金基片上的最終平衡潤濕角最大，其次是Sn-Cu、Sn-Bi，平衡潤濕角最小的是Sn-Pb。因此，四種釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金上的潤濕效果的優(yōu)劣排序依次是：Sn-Pb，Sn-Bi，Sn-Cu。首先，釬料的熔點越低，其粘度越小，釬料內(nèi)部原子的擴散能力越強。由四種釬料的熔點可得釬料內(nèi)部原子的擴散能力從弱到強排列順序是：Sn＜Sn-Cu＜Sn-Pb＜Sn-Bi。

四種釬料與非晶合金的界面特征

圖2:250℃釬焊30min后四種釬料和非晶合金界面SEM形貌

(a)Sn,(b)Sn-Cu,(c)Sn-Bi,(d)Sn-Pb

       由圖2可知，在250℃下保溫30min，Sn/非晶合金基片以及Sn-Cu/非晶合金基片的界面上出現(xiàn)了不連續(xù)的薄層化合物。因此，綜合以上三方面因素，四種釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片上潤濕性的優(yōu)劣排序依次是：Sn-Pb，Sn-Bi，Sn-Cu，Sn。

       眾所周知，良好的潤濕性和適度的界面反應(yīng)是高可靠性釬焊的先決條件。在潤濕性方面，250℃釬焊溫度下，Sn-Pb釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金上的潤濕角最小，其次是Sn-Bi、Sn-Cu，潤濕角最大的是Sn。但由于Sn-Pb中的Pb污染環(huán)境且嚴重威脅人類的健康，考慮到環(huán)境保護和人類的可持續(xù)發(fā)展，因此首先選擇Sn-Bi和Sn-Cu作為焊接此非晶合金的釬料。從界面反應(yīng)方面考慮，在250℃下Sn-Bi釬料在非晶合金表面潤濕30min后，沒有觀察到界面化合物的析出。

圖3:Sn-Bi釬料和非晶合金界面SEM形貌:(a)300℃，(b)350℃

       由圖3可以看出，Sn-Bi釬料/非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金在300℃和350℃釬焊30min后界面上均沒有觀察到化合物的形成。因此，綜合良好的潤濕性、適度的界面反應(yīng)及環(huán)境保護三個方面考慮，最終選擇Sn-Cu釬料作為非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金焊接的優(yōu)選釬料。

不同溫度下Sn-Cu在非晶合金上的潤濕性

圖4:不同溫度下Sn-0.7Cu釬料在非晶合金基片表面上的動態(tài)潤濕曲線

       圖4為不同潤濕溫度下Sn-Cu釬料在非晶合金基片上的潤濕角隨時間變化的曲線（動態(tài)潤濕曲線），可以看出在所有的潤濕溫度下，Sn-Cu釬料在非晶合金基片上的潤濕角均隨著時間的延長先減小最后趨于穩(wěn)定。圖4還可看出，隨著潤濕溫度的升高，釬料熔體在非晶合金基片上的最終平衡潤濕角減小，且到達平衡潤濕的時間縮短。其原因可能是：一般情況下，隨著溫度的升高，潤濕性越好，且潤濕性可通過固液相中原子之間的鍵合作用來提高，如在界面上形成化合物可以有效提高其潤濕性。因此，Sn-Cu釬料在非晶合金基片上的潤濕性隨著潤濕溫度的升高而改善。

不同溫度下Sn-Cu與非晶合金的界面特征

圖5:釬焊:30min后Sn-0.7Cu釬料與非晶合金界面SEM形貌

(a)250℃,(b)300℃,(c) 350℃,(d)400℃

       從圖5中可以看出：在250℃和300℃釬焊30min后薄層化合物在Sn-Cu與非晶合金基片的界面上間斷分布；在350℃和400℃釬焊30min后薄層化合物在Sn-Cu與非晶合金基片的界面上連續(xù)分布，其厚度隨著溫度的升高而增加，同時大塊狀金屬間化合物在界面上方附近釬料內(nèi)部形成。這是由于隨著釬焊溫度的升高，非晶合金基片中Fe原子以及Sn-Cu釬料熔體中Sn原子的擴散能力大大提高，從而導(dǎo)致界面反應(yīng)增強。

表2:圖5中各點的EDS分析結(jié)果（原子分數(shù)/％）

       表2為圖5中標出各點的能譜成分結(jié)果。由表2可知在350℃、400℃釬焊30min后界面上方附近釬料內(nèi)部的大塊狀化合物和界面處薄層連續(xù)化合物的主要成分是Sn和Fe，其原子含量比例約是2:1。根據(jù)Fe－Sn二元合金相圖，在513℃以下，盡管Sn和Fe可形成FeSn和FeSn2兩種化合物，但Fe原子在液態(tài)Sn中的溶解度非常小以至于釬焊溫度為513℃時在界面上迅速形成FeSn2化合物，前期研究發(fā)現(xiàn)釬焊溫度低于513℃時FeSn2化合物是Sn/Fe、Sn/鋼及Sn基釬料/Fe界面上形成的主要化合物。因此，綜合上述分析可確定350℃、400℃保溫30min后Sn-Cu與非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片的界面處連續(xù)的化合物和界面上方附近釬料內(nèi)部的大塊狀化合物是FeSn2。

       釬焊過程中液態(tài)Sn-Cu釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片上潤濕鋪展發(fā)生物理化學相互作用，這種作用可分為兩個過程：①液態(tài)Sn-Cu釬料中的活性Sn原子向非晶合金中擴散；②非晶合金中的活性Fe原子向液態(tài)釬料溶解擴散，導(dǎo)致釬料充分合金化。

      （1）綜合良好的潤濕性、適度的界面反應(yīng)及環(huán)境保護三個方面考慮，選擇Sn-0.7Cu釬料作為非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金焊接的優(yōu)選釬料。

     （2）在250℃、300℃、350℃和400℃釬焊溫度下，隨著溫度的升高，Sn-0.7Cu釬料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金上的最終平衡潤濕角越來越小，潤濕性越來越好。

     （3）隨著釬焊溫度的升高，薄層化合物在Sn-Cu與非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金基片的界面處由間斷分布變?yōu)檫B續(xù)分布，其厚度也逐漸增加，同時大塊狀金屬間化合物FeSn2在界面上方附近釬料內(nèi)部形成，界面反應(yīng)逐漸增強。

來源：材料導(dǎo)報 2018年第32卷第9期 侯斌 劉鳳美 王宏芹 李琪 萬娣 張宇鵬《不同溫度下Sn-0.7Cu釬料在鐵基非晶合金上的潤濕行為及界面特征》