《Metals》：Effect of Sn/Ni Addition on the Microstructure and Properties of Flux-Cored Brass Filler Metal and Its Brazed Joints
Wei Liu,
Xin Huang,
Lijun Ren,
Jungang Sun and
Yongzhou Bu
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本研究针对传统黄铜药芯钎料在润湿性与力学性能间难以兼顾的瓶颈，创新性地将Sn/Ni粉末填入药芯，通过钎焊过程原位合金化，系统探究了单一及复合添加对微观结构、熔化特性、在Q235钢上的润湿性及接头拉伸强度的影响。结果表明，3 wt.% Sn + 10 wt.% Ni的复合添加使钎料形成均匀细化的网格状(α+β)双相组织，实现了润湿性（辅展面积4.51 mm2/mg，较基线提升206%）与接头强度（584 MPa，提升93%）的协同优化，为高性能铜基药芯钎料的开发提供了可行的合金化改性策略与理论依据。
在工业钎焊领域，黄铜钎料因其成本低廉、熔化温度适中、润湿性良好而成为用量最大的铜基钎焊材料。其中，药芯黄铜钎料更是实现高效、清洁、自动化与智能化钎焊工艺的理想关键材料。它无需额外添加钎剂，送丝方便，操作性稳定，相比手工钎焊优势明显。然而，一个令人尴尬的现实是，尽管前景广阔，药芯黄铜钎料在整体黄铜钎料市场中的份额仅占10-20%。这背后的主要“卡脖子”难题在于产品质量控制与生产成本之间的矛盾。其制造涉及药芯包覆、拉丝、成分均匀性控制等多个环节，技术要求比银基、铝基药芯钎料更为苛刻。更关键的是，药芯材的生产需要经历轧制、卷曲等多道塑性变形，这对黄铜外皮的变形能力提出了严苛要求。这一技术约束极大地限制了外皮合金元素的选择，导致传统黄铜钎料在外皮层可成形性与钎焊性能之间存在着难以调和的矛盾——为了好成形，性能就得妥协；为了高性能，就可能做不成丝。这成为限制其在高端制造领域应用的顽固瓶颈。
为了打破这一僵局，合金成分优化成为提升钎料性能的主流策略。以往的研究多集中于银基、铝基钎料，它们本身成形性优异，只需优化钎焊性能。但对于黄铜钎料，情况复杂得多：能改善黄铜力学性能的合金元素，往往会损害其钎焊性能，反之亦然。在环保要求下，铅、镉已被排除，而银、铟、镓等贵金属成本高昂。因此，锡(Sn)和镍(Ni)成为了优选。锡熔点低，能降低钎料固液相线温度，改善熔融金属流动性，对润湿性提升显著，但过量添加会导致脆性相产生，损害塑性。镍则是强α相稳定剂，能显著细化晶粒，产生固溶强化效果，提升强度，但过量会损害润湿性。如果直接将它们加入黄铜外皮，又会恶化其成形加工性，回到最初的原点。
有没有一种方法，既能灵活调控钎料成分以优化性能，又不影响药芯丝的可制造性呢？研究人员独辟蹊径，提出了一种创新的改性策略：将合金元素粉末填入药芯中，在钎焊过程中实现原位合金化。这避免了直接合金化对黄铜外皮成形性的不利影响，在不改变传统药芯钎料制备工艺的前提下，灵活调控了钎焊接头的成分。本研究正是基于这一思路，系统探究了Sn/Ni单一及复合添加对药芯黄铜钎料性能的影响，旨在阐明其微观结构与性能的调控机制，为开发高性能黄铜钎料提供新策略。
为开展此项研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用带材轧制法制备了不同Sn/Ni粉末添加量的药芯黄铜钎料。其次，利用差示扫描量热法(DSC)确定了钎料的固、液相线温度。通过标准润湿性试验，在Q235钢板上测试了钎料的辅展性能。采用氧乙炔火焰钎焊制备了Q235及Q345钢的对接接头，并通过电子万能试验机进行了接头拉伸强度测试。在材料表征方面，使用了X射线衍射(XRD)进行物相分析，通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)结合能谱仪(EDS)观察并分析了钎料及接头的微观形貌与微区成分。
3.1. 含Sn/Ni粉末的药芯钎料成分
化学分析表明，加入药芯的Sn和Ni粉末在熔化过程中有效溶入了钎料合金基体。通过锌当量规则计算推断，加Sn样品的主要相组成为β相，而加Ni样品的主要相组成为α相。
3.2. Sn/Ni对钎料合金微观结构和性能的影响
3.2.1. 加Sn钎料的微观结构特征
金相观察显示，随着Sn含量增加，钎料中β相比例持续增加，α相逐渐减少。当Sn添加量达15~20 wt.%时，微观结构由(α+β)双相组织转变为以块状β单相为主。XRD和SEM-EDS分析证实了这一趋势，并发现Sn在β相中显著富集。这是由于Sn在α相中溶解度低，在凝固过程中被排向固液界面，促进了β相的形成与生长。
3.2.2. 加Ni钎料的微观结构特征
Ni的添加则呈现出与Sn完全不同的改性效果。随着Ni含量增加，α相体积分数持续增大，并形成连续互连的基体结构，而(α+β)双相组成逐渐减少。在50 wt.% Ni的样品中，微观结构演变为以α相为基体、晶界处分布着不连续的β单相。XRD显示α相衍射峰明显右移，这是由于Ni原子置换Cu原子引起晶格收缩所致。Ni显著细化了晶粒。
3.2.3. 加Sn/Ni钎料的性能
性能测试表明，Sn的添加能持续降低钎料固相线温度，并显著改善其在Q235钢上的润湿性，单位辅展面积在20 wt.% Sn时达到最大值4.22 mm2/mg，是未添加Sn基线样品的2.85倍。这得益于Sn的低熔点及其与基体的互扩散行为改善了熔融合金流动性。然而，Sn的添加对钎焊接头拉伸强度几乎没有增强作用，强度保持在300 MPa左右，这与粗大的β相晶粒及其在室温下向脆性β‘相转变有关。
Ni的添加则使钎料的熔化温度区间变窄，在20 wt.%时润湿性最佳（单位辅展面积2.46 mm2/mg），但过量添加（≥40 wt.%）会因熔融过热度过低而损害润湿性。Ni的添加显著提高了接头拉伸强度，在20 wt.%时达到峰值501 MPa，比基线样品（302 MPa）提高了65%。这归因于Ni的晶粒细化和对α相基体的固溶强化作用。然而，当Ni添加量达到50 wt.%时，由于α相过度固溶强化脆化及Sn富集的脆性β相边界相存在，接头强度骤降至214 MPa。
3.3. Sn/Ni复合添加对黄铜钎料微观结构和性能的影响
基于单一元素添加的结果，研究人员进行了3 wt.% Sn + 10 wt.% Ni的复合合金化实验。
3.3.1. Sn/Ni复合添加钎料的微观结构特征
微观结构分析表明，复合添加的样品完全消除了基线样品的定向枝晶形貌和单一元素添加的粗大相分布，形成了均匀的网格状(α+β)双相 microstructure（微观结构）。XRD证实Sn/Ni的单一或复合添加并未向黄铜基体中引入新相。
3.3.2. Sn/Ni复合添加钎料的性能
性能测试显示，3 wt.% Sn + 10 wt.% Ni复合添加的样品实现了综合性能的协同优化：其单位辅展面积达到4.51 mm2/mg，是基线样品的306%，也高于单一加Sn样品；其对应钎焊接头的平均拉伸强度达到584 MPa，是基线样品的193%，也显著高于单一加Ni样品。
3.3.3. Sn/Ni复合添加协同提升性能的机制
其协同提升机制源于微观结构优化与双元素功能互补的耦合：网格状(α+β)双相结构实现了应力的均匀分散和裂纹扩展的抑制；Sn发挥其改善钎料润湿性并强化β相的优势，Ni则发挥细化晶粒、强化α相基体的优势；双元素的协同固溶强化增强了基体的整体性能，形成了“软基体-硬网络”的结构体系，从而实现了钎料塑韧性与强度的协同提升。
本研究系统研究了Sn/Ni单一及复合添加对药芯黄铜钎料微观结构、熔化特性、润湿性及Q235钢钎焊接头拉伸强度的影响，并阐明了相应的合金化机制。
(1) Sn的添加通过降低熔化温度、改善熔融流动性，显著提升了钎料的润湿性，但诱导了粗大β相晶粒及室温下的脆性β‘相转变，导致钎焊接头拉伸强度未有改善。
(2) Ni的添加扩大了α相区，细化了晶粒，实现了对钎料的固溶强化。接头拉伸强度在20 wt.% Ni时达到峰值501 MPa。高Ni添加（≥40 wt.%）会损害润湿性；50 wt.% Ni导致α相基体过度固溶强化脆化，使拉伸强度骤降。
(3) 3 wt.% Sn + 10 wt.% Ni的复合添加重构了钎料微观结构，形成了细化均匀的网格状(α+β)双相组织，弥补了单一元素添加的缺陷，实现了综合性能的协同优化。其优化性能表现为单位辅展面积达到4.51 mm2/mg，接头拉伸强度高达584 MPa。
这种协同改善归因于双元素功能互补与微观结构优化的耦合：Sn改善了润湿性并强化了β相，而Ni细化了晶粒并强化了α相基体，形成了“软基体-硬网络”结构。这种网格状(α+β)结构分散了应力并阻碍了裂纹扩展，实现了强度与韧性的平衡。
这项研究为高性能黄铜药芯钎料提供了一种可行的合金化策略，所揭示的微观结构-性能调控机制为发展先进铜基钎料提供了理论支持与有价值的参考。该成果发表在期刊《Metals》上。
