铜、铝基材金属硬焊接合与填料合金之界面扩散研究分析

1目次壹、摘要……………………………………………p﹒02貳、前言……………………………………………p﹒02參、理論背景…………………………………………p﹒02肆、製作方法及進行步驟……………………………p﹒044.1基材試件方面…………………………………………………………p﹒044.2填料箔片方面…………………………………………………………p﹒054.3合金分配計算式………………………………………………………p﹒054.4試件堆疊方式（表一）………………………………………………p﹒064.5試件接合、拋光金相觀察過程………………………………………p﹒084.6嘗試真空封管進行接合試驗…………………………………………p﹒084.7研究設計流程圖………………………………………………………p﹒094.8研究製造流程圖………………………………………………………p﹒10伍、預計完成製作項目及成果………………………p﹒11陸、結果………………………………………………p﹒11柒、討論………………………………………………p﹒17捌、參考資料及文獻…………………………………p﹒18附錄（A）放大觀察圖…………………………………p﹒18附錄（B）試件實體圖…………………………………p﹒242銅、鋁基材金屬硬焊接合與填料合金之界面擴散研究分析李奎稷，王裕翔北台科學技術學院93年度二技機械工程系指導教授：楊子毅副教授一、摘要本研究以純鋁（Al）鋁片、純銀（Ag）箔片或者合金填料箔片（81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Sb、81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Zn、40.1Sn–40.1Ag–4.8Bi–15Sb）之箔片為填料金屬，硬焊純銅（Cu）銅片。共實驗9個失敗了4個，其它的試件皆有接合之情況，以Cu；Al；Ag；Al；Al及錫基填料接合銅片之接合成果較明顯，在其中我們可以觀看出試件間許多界面間接合狀況；對所觀察之現象做分析比例換算及探討。二、前言針對材料之不同特性進行研究，了解材料在真空焊接發生前後之不同及材料在不同溫度、時間、方式下，所產生出新的組織等反應層，了解各反應層的成長率及生成活化能並加以紀錄分析，而本實驗以目前不易接合的銅、鋁作為基材自行搭配合金來做接合或以兩兩相同之基材為前提來做接合實驗，或者使用石英玻璃管，將硬焊試件放入抽真空再放入一般高溫爐或真空爐再進行實驗，增加真空度使銅、鋁焊接性變高，藉此來了解分析銅、鋁硬焊接合為何不易之原因，其中反應組織因溫度、時間、填料不同有何改變，了解金屬間接合情況的晶粒尺寸、顯微組織可提供所需之數據、材料特性及組織關係。本專題主要探討實驗〝銅、鋁基材金屬硬焊接合填料合金之界面擴散研究分析〞，藉此試驗了解銅、鋁為何接合不易、其中組織關係、晶粒變化。簡言研究之目的：（1）試件、薄片尺寸大小設計。（2）自行計算搭配合金。（3）真空爐溫度、時間的控制。（4）石英玻璃管封管平台設計。三、理論背景在實驗前我們必須先了解，硬焊接合和填（焊）料間的關係，在此我們為了增加焊接性自行搭配合金填料成分，下列說明硬焊、填（焊）料、配置合金之原理及過程。33.1銲錫之定義目前各種形式的合金焊料，其最權威的國際規範為J-STD-006。此文獻之最新版本為1996.6的Amendment1，由於資料很新，故早已取代了先前甚為知名的美國聯邦規範QQ-S-571。IPC還有一份重要的焊接手冊IPC-HDBK-001其中之4.1，曾定義〝熔點〞在430℃以下為〝軟焊〞（Soldering），也就是錫焊。另外，〝熔點〞在430℃以上稱為〝硬焊〞（Brazing），係含銀之高溫高強度焊接。早期歐美業界，亦稱熔點600℉（315℃）以下者為〝軟質銲錫〞，800℉（427℃）以上者為〝硬質焊錫〞。原文Solder定義為錫鉛含金之焊料，故中譯從金旁為〝銲錫〞，而利用高熱能進行熔焊之Soldering（註意此一特定之單字，並非只加ing而已），則另從火旁用字眼的〝焊接〞，兩者涵義並不完全相同。焊接用合金要接合兩種金屬時，可以利用比被接合之合金的熔點較低的金屬來接合。這方法叫做焊接（brazing）。焊接用的合金有軟焊料（softsolder）和黃銅為主的硬焊合金（brazingalloy）。（1）軟焊料（softsolder）軟焊料是含25～90％Sn，其餘為Pb的合金，通常使用含有40～50％Sn者。因為Pb對人體有害，所以Pb在10％以上者不能用於飲食用容器的軟焊。見表之範例。表3.1（a）常見軟焊料的成分和用途（2）硬焊合金（brazingalloy）通常所用的硬焊合金是33～67％Zn的黃銅。這種合金的熔點高，比軟焊料難於焊接，但是硬度和抗拉強度大。焊接時把硬焊合金碎成粉末，和硼砂混合後散佈在接合處表面，然後用燃氣器（gasburner）等加熱它。熔點較高的硬焊合金用於鋼鐵的接合，黃銅等熔點較低的材料，用Zn含量較多的硬焊合金來接合。硬焊合金除了黃銅以外，由接合材料之不同而另有使用銅、白銅、銀、金等者。見表之範例。表3.1（b）常見硬焊料的成分和用途而本實驗所使用之焊接填料皆為軟焊料之錫基合金，實驗之錫基合金是學生自行計算搭配，在此稍微舉例常見的軟焊料及硬焊料之間成分、溫度等的差別，以廣泛資料來舉例形容兩者間之差別。4成分（％）凝固開始溫度℃凝固完了溫度℃性質和用途SnPb3750639095635037105252213182217225182182182182182熔融溫度範圍變大，自來水管之焊接，其它白鐵皮加工一般電器用品、鋅和白鐵皮之加工、瓦斯流量計和罐頭之加工鋼管之焊接飲食器用具特殊電器零件、食品器具表3.1（a）常見軟焊料的成分和用途成分（％）凝固開始溫度℃凝固完了溫度℃焊接部抗拉強度2mmkgf能焊接的金屬CuZn33.340.050.060.066.066.760.050.040.034.080783686590491933.340.050.060.066.03.017.021.024.022.0六四黃銅六四黃銅七三黃銅銅、青銅鐵、鋼表3.1（b）常見硬焊料的成分和用途四、製作方法及進行步驟4.1基材試件方面：本研究選用的基材金屬為純度極高之純銅、純鋁，以實驗室現有提供之材料來裁切。將原本500㎜×500㎜之銅片、純鋁，利用手工粗切機進行粗切，再用切割機進行細切，試片切割裁成10×8×3㎜尺寸並將其導角，以利試件間的接合，將試片表面經400、600號砂紙研磨後然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，之後把試片清洗乾淨（清洗試片→銅：5﹪硫酸＋95％水；鋁：飽和的氫氧化鈉0.1～20g＋水100㏄），放入酒精裡浸泡等待試驗。另外我們也試用鎳鋁合金來作為基材，但它最初外表似一圓球質硬，我們將它經過放電加工機加工切成長條狀，爾後依我們設計之尺寸經過切割之步驟將試片切割裁成10×8×3㎜尺寸，剛開始鎳鋁合金的表面氧化嚴重將試片表面經400號砂紙研磨後並將其導角，然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，再來將試片清洗乾淨（清洗試片→5﹪丙酮＋10﹪硫酸＋85％水），放入酒精裡浸泡等待試驗。54.2填料箔片方面：我們使用四種箔片，鋁箔、銀箔先將試片切割裁成10×8㎜尺寸，然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，再來把試片清洗乾淨（清洗試片→鋁：飽和的氫氧化鈉0.1～20g＋水100㏄；銀：洗銀水），然後拿到超音波機裡去除表面雜質使其表面光滑，完成後放入酒精裡浸泡等待試驗。另外有3種箔片須先配置合金，以一個坩鍋20g為主以單位100來分配，其中，是經過觀察各合金相圖、參考資料經過老師及同學討論後設計分配比例（如下列計算式），81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Sb、81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Zn、40.1Sn–40.1Ag–4.8Bi–15Sb、91Sn–9（Zn–5Al），而這些配置合金之成品為一塊狀，須經點火燃燒將其軟化，當其成液滴下時以軟槌瞬間敲擊，會成一平板狀，之後大小也裁成10×8㎜尺寸，也須經過酸洗及超音波洗淨，完成後放入酒精裡浸泡等待試驗。4.3計算式：81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Sb36.161008.8120Sng68.01004.320Agg96.01008.420Big21001020Sbg81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Zn36.161008.8120Sng68.01004.320Agg96.01008.420Big21001020Zng40.1Sn–40.1Ag–4.8Bi–15SbgSn02.81001.4020gAg02.81001.402096.01008.420BiggZn31001520691Sn–9（Zn–5Al）gSn2.181009120gZn8.01004201100520Alg由上述計算說明得知每個填料所需之重量加以配重，計算無誤皆同等於坩鍋之重量，方可放入坩鍋進行熔煉。4.4試件堆疊方式：試件之堆疊方式，例如：先以1片銀箔片為最內處材料；其次再以2片鋁箔片上下夾住銀箔片；最後以2片銅片作為外層夾住上述兩種試片，放入真空爐時在試件上方施加一重物（如同衝擊試片之重量或同等重物），在設計之特定時間及溫度進行焊接接合箔片因溫度升高開始軟化而施加在上方之鋼片會以緩慢的速度往下壓，此動作可使兩者箔片和銅片能充分交合。（見下圖表4.1）成分溫度時間尺寸結構Cu；Ag；Al（箔片）800℃60分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（銀箔片）Cu；Al；Ag；Al；Al（箔片）850℃90分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（鋁、銀箔片）Cu；81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Sb；Cu（箔片）800℃80分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）7Al；81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Sb；Al（箔片）800℃80分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）Cu；81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Zn；Cu（箔片）860℃50分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）Al；81.8Sn–3.4Ag–4.8Bi–10Zn；Al（箔片）860℃50分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）Cu；40.1Sn–40.1Ag–4.8Bi–15Sb；Al（箔片）800℃40分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）Ni-Al；Ag；Cu（箔片）960℃90分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）Cu；Sb-Sn合金；Al（箔片）800℃70分鐘10×8×3mm（銅片）10×8mm（合金箔片）表4.184.5試件接合、拋光金相觀察過程：試件接合時，依表4.1所標定的成份、溫度及時間等完成試件接合後，即可將試件做金相處理及接合面之觀察，將完成後之試件用切割機從試件中間切斷，其是將接合試件剖切、細拋光將試件磨成平滑面可使試件站立不倒，之後做冷鑲埋將試件固定在中間，15～20分鐘完成後再細拋光一次，之後就做精拋光，精拋光時我們使用氧化鋁粉液，調配比例後分成3階段精拋光，每階段持續到觀察面為最光滑為主，而在每次精拋光時不可任意旋轉冷鑲埋試件，會造成過多的紋路及觀察面過多的痕跡，三階段精拋光完成後使用腐蝕液腐蝕，維持3～5秒即可使用光學顯微鏡做觀察。之後我們完成一個完整的試驗表格，完成後其結果顯示接合介面是否產生出新的介面，以及試件接合後之的顯微結構組織並觀察其相圖之變化，進行材料之分析及探討。（見六、結果表）4.6嘗試真空封管進行接合試驗：我們曾試著在試件在硬焊接合的同時，在此時也進行另一項試驗，此試驗可改善硬焊接合後試件氧化之情形，更可提高溫度做硬焊接合情況，我們嘗試真空封管的接合試驗，嘗試此試驗我們有兩種功用：一、我們可以配置此合金〝91Sn–9（Zn–5Al）〞，此合金可以提高銅、鋁兩種不同合金在硬焊接合時提高接合力；二、因我們要降低試件在真空硬焊接