李　震　侯守明

(①阜阳师范学院 安徽 阜阳 236037；②河南理工大学，河南 焦作454000)



搅拌摩擦加工对Sn9Zn合金组织与性能的影响*

李震①侯守明②

(①阜阳师范学院 安徽 阜阳 236037；②河南理工大学，河南 焦作454000)

Sn-9Sn合金因其抗氧化性不理想，限制了Sn-9Sn合金的商业化应用进程。因此采用搅拌摩擦加工对Sn-9Sn铸态合金进行了改性处理，并进行了显微组织、可焊性和抗氧化性的测试与分析。研究发现：搅拌摩擦加工显著细化了合金晶粒，改善了合金的可焊性和抗氧化性。与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后合金的润湿(零交)时间减少41.8%、最大润湿力增大25.2%、165 ℃高温氧化96 h后单位面积质量增重减小67.6%。

搅拌摩擦加工；Sn-9Sn合金；抗氧化性；可焊性；钎料

在电子产品全面无铅化的过程中，商用的Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-0.7Cu无铅合金普遍存在熔点偏高的问题，导致无铅焊接时一系列问题出现[1-3]。在降低无铅合金熔点方面，人们进行了较多的研究，也取得了较多的研究成果[4-6]。Sn-9Zn合金的熔点与原用有铅合金Sn-37Pb相当，被誉为最具原用前途的新一代无铅合金。但是，Sn-9Zn合金的抗氧化性能较差，严重限制了它的商业化应用进程。搅拌摩擦加工(friction stir processing, 简称FSP)，是随搅拌摩擦焊发展起来的一种新型改性方法；它在改善合金组织，提高合金性能方面具有显著的效果[7-8]。但是，关于Sn-9Zn合金的搅拌摩擦焊加工改性研究还鲜有报道。为此，笔者尝试采用搅拌摩擦加工对铸态Sn-9Zn合金进行改性，并进行了显微组织、可焊性和抗氧化的测试与分析，研究了搅拌摩擦加工对Sn-9Zn合金组织与性能的影响，为Sn-9Zn合金的改性提供了一种新的思路。

1　试验材料与方法

1.1试验材料

以工业纯锡(Sn)和锌(Zn)，在TXZ-150型中频感应熔炼炉中进行Sn-9Zn合金的熔炼，熔炼温度为(220±5) ℃，采用铁模进行浇注，然后置于空气中冷却，获得Sn-9Zn合金铸锭。铸锭的尺寸为Φ300 mm(直径)×100 mm(长度)。车除铸锭表面氧化皮后，将铸锭加工成200 mm(长)×60 mm(宽)×5 mm(高)的Sn-9Zn合金的铸态试样。铸态试样的化学成分为：8.8～9.2%Zn、其他杂质元素<0.15%、余量为Sn。

1.2搅拌摩擦加工

在自制的搅拌摩擦加工设备上，对Sn-9Zn铸态合金进行搅拌摩擦加工改性。试样的搅拌摩擦加工工艺参数为：旋转速度700 r/min、行进速度90 mm/min、轴间直径12 mm、搅拌摩擦针长度为4.9 mm、搅拌针直径为4 mm。在搅拌摩擦加工改性前，先用电刷去除合金表面的氧化物，并用酒精清除表面污染物。

1.3测试方法

采用MY20型金相显微镜观察Sn-9Zn合金试样的显微组织。

依据IPC-TM-650标准，采用SAT-5100型可焊性测试仪对Sn-9Zn合金试样的可焊性进行测试，测试时，标准铜片浸渍深度为10 mm、Sn-9Zn合金浸渍深度为5 mm、浸渍速率为20 mm/s、浸渍时间为5 s、焊接温度为235±3 ℃。采用零交时间和最大润湿力来表征Sn-9Zn合金的可焊性。

采用HG19型恒温箱式电阻炉进行Sn-9Zn合金试样的抗氧化试验。试验前，将各试样置于90 ℃烘箱中烘至恒重并准确记录试样重量，然后将各试样同时置于165 ℃箱式电阻炉中，进行为期96 h的高温氧化试验。每次试验，每隔12 h取出试样并称重记录。最后绘制各试样的单位面积质量增重-时间曲线。为了减小试验误差，每个试样进行3个平行样的测试，取其算术平均值作为各试样的实际质量。

2　结果与分析

2.1显微组织

Sn-9Zn铸态合金在搅拌摩擦加工前后的显微组织，如图1所示。从图1可以看出，与搅拌摩擦加工前(未进行搅拌摩擦加工)相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn铸态合金的晶粒明显细化，搅拌摩擦加工后合金平均晶粒尺寸从23.6 μm减小至15.8 μm，减小了33%。这主要是因为搅拌摩擦加工过程中，在搅拌针与Sn-9Zn合金以及轴肩与Sn-9Zn合金之间的摩擦作用产生热量，并在搅拌针的旋转带动下，Sn-9Zn合金内部发生明显的动态再结晶，合金晶粒被细化成颗粒状[9]。

2.2可焊性

为了准确测试Sn-9Zn合金的可焊性，每组试样准备了5个试片进行测试。搅拌摩擦加工前(未进行搅拌摩擦加工)及搅拌摩擦加工后的Sn-9Zn合金可焊性测试结果，如图2所示。从图2a可以看出，与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的润湿(零交)时间明显减少，5个试片的平均润湿(零交)时间从0.502 s减少至0.292 s，减少了41.8%。此外，从图2a还可以看出，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的5个试片润湿(零交)时间差异性较小，5个试片的润湿(零交)时间均匀性较搅拌摩擦加工前合金得到明显改善。从图2b可以看出，与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的最大润湿力明显增大，5个试片的平均最大润湿力从3.114 mN增大至3.898 mN，增大了25.2%。此外，从图2b还可以看出，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的5个试片最大润湿力差异性较小，5个试片的最大润湿力均匀性较搅拌摩擦加工前合金得到明显改善。我们都知道，在可焊性测试中，合金的润湿(零交)时间越短、最大润湿力越大，合金的可焊性越好；反之，润湿(零交)时间越长、最大润湿力越小，合金的可焊性越差。由此可以看出，与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的可焊性得到明显提高。也就是说，搅拌摩擦加工显著改善了Sn-9Zn合金的可焊性。这主要归功于搅拌摩擦加工带来的晶粒细化作用。

2.3抗氧化性

搅拌摩擦加工前(未进行搅拌摩擦加工改性)及搅拌摩擦加工改性后的Sn-9Zn合金抗氧化性测试结果，如图3所示。从图3可以看出，与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的单位面积质量增重明显减小，合金的抗氧化性得到显著改善。其中，当165 ℃高温氧化24 h后，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的单位面积质量增重较搅拌摩擦加工前从0.35 μg/mm2减小至0.15 μg/mm2，减小了57.1%；当165℃高温氧化96 h后，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的单位面积质量增重较搅拌摩擦加工前从1.11 μg/mm2减小至0.36 μg/mm2，减小了67.6%。在抗氧化试验过程中，合金的单位面积质量增重越小，合金的抗氧化性越好；反之，合金的单位面积质量增重越大，合金的抗氧化性越差。由此可以看出，与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的抗氧化性得到明显提高。也就是说，搅拌摩擦加工显著改善了Sn-9Zn合金的抗氧化性。图4是搅拌摩擦加工前后Sn-9Zn合金96 h抗氧化试验后的表面形貌SEM照片。从图4可以看出，搅拌摩擦加工前Sn-9Zn合金96 h抗氧化试验后表面出现较多大小不一的氧化腐蚀坑和较多的氧化皮，合金的高温氧化严重；搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金96 h抗氧化试验后表面无明显的氧化腐蚀坑，合金的高温氧化较搅拌摩擦加工前合金显著减轻。这主要是因为在搅拌摩擦加工过程中，Sn-9Zn铸态合金内部晶粒得到明显细化，并且搅拌摩擦加工使得合金内部的孔洞、气孔缺陷被压紧，明显减少了合金内部存在的孔洞、气孔等缺陷，所以搅拌摩擦加工显著改善了Sn-9Zn合金的抗氧化性。

3　结论

Sn-9Zn合金因其抗氧化性不理想，限制了Sn-9Zn合金的商业化应用进程。本文采用搅拌摩擦加工对Sn-9Zn铸态合金进行了改性处理，并进行了显微组织、可焊性和抗氧化性的测试与分析，得到了如下主要结论：

(1)搅拌摩擦加工显著细化了Sn-9Zn铸态合金的晶粒，改善了合金的可焊性和抗氧化性。与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn铸态合金的平均晶粒尺寸从23.6 μm减小至15.8 μm，减小了33%。

(2)与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金的平均润湿(零交)时间从0.502 s减少至0.292 s，减少了41.8%；平均最大润湿力从3.114 mN增大至3.898 mN，增大了25.2%。

(3)与搅拌摩擦加工前相比，搅拌摩擦加工后Sn-9Zn合金在165 ℃高温氧化24 h后的单位面积质量增重从0.35 μg/mm2减小至0.15 μg/mm2，减小了57.1%；当165 ℃高温氧化96 h后的单位面积质量增重从1.11 μg/mm2减小至0.36 μg/mm2，减小了67.6%。

[1]赵柏森,傅田,马睿,等.微量银对Sn-9Zn合金电化学腐蚀行为的影响[J].机械工程材料,2015,39(4):68-70,80.

[2]赵柏森,赵国际.Sn-9Zn/Cu界面金属间化合物高温时效过程中生长与演变[J].有色金属工程,2014,4(6):8-10.

[3]刘正林,杨凯珍,尹登峰,等.铝铜钎焊用Zn-Al钎料的研究[J].热加工工艺,2009,38(11):123-125,128.

[4]韩若冰,沙桂英,黄高仁.搅拌摩擦加工处理对 AZ31镁合金高应变率变形行为的影响[J].轻合金加工技术,2016,44(1):58-63.

[5]夏天东,张倩,俞伟元,等.几种典型Cu-P及Ag-Cu-Zn钎料性能的模糊综合评价[J].热加工工艺,2013,42(19):212-214.

[6]吴敏,刘政军.磁场对Sn-9Zn钎料组织、显微硬度及电化学腐蚀的影响[J].中国有色金属学报,2012,22(2):485-489.

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[8]马小黎,游国强,李阳,等.镁合金机械连接技术综述[J].兵器材料科学与工程, 2015,38(8):143-148.

[9]胡玉华,薛松柏,柳敏,等.稀土元素Nd对Sn-9Zn无铅钎料性能的影响[J].焊接学报,2012,33(1):85-88.

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Effects of friction stir processing on microstructure and properties of Sn9Zn alloy

LI Zhen①, HOU Shouming②

(①Fuyang Normal University, Fuyang 236037,CHN; ②Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, CHN)

The unsatisfied oxidation resistance of Sn-9Sn alloy has limited the commercial application process of Sn-9Sn alloy. In this paper, Sn-9Sn cast alloy was modified by friction stir processing, and the testing and analysis of the microstructure, weldability and oxidation resistance were carried out. The study found FSP was capable of significantly refining grain and improving weldability and oxidation resistance of Sn-9Sn alloy. Compared to the unmodified alloy samples, wetting(zero cross) time of friction stir processed alloy reduced by 41.8%, the maximum wetting force increased by 25.2%, and at high-temperature of 165 ℃ for 96h the weight gain of mass per unit area decreased by 67.6%.

friction stir processing; Sn-9Sn alloy; oxidation resistance; weldability; solder

TG454

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.004

李震，男，1979年生，硕士，副教授，高级技师，从事机械制造及新型材料应用研究。

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2016-05-10)

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*河南省高等教育教学改革研究项目(2012SJGLX332)；河南省高等学校青年骨干教师资助计划(2012GGJS-298);河南省高等学校专业综合改革试点项目(H2013613)