稀有金属 2012,36(05),706-710

固溶处理对Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金组织及性能的影响

柳瑞清 谢伟滨 杨胜利 邱光斌 王刚

国家铜冶炼及加工工程技术研究中心

江西理工大学材料与工程学院

摘 要：

研究了Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金时效前固溶温度和时间对该合金硬度及电导率的影响,并且分析了不同固溶条件之后时效对Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金性能的影响。结果表明:时效前固溶温度的升高,材料的电导率先较快下降,之后又回升,而硬度呈下降的趋势,当固溶温度到达925℃时,硬度下降缓慢;随着固溶温度的增加,其再结晶程度越来越高,到900℃时组织已是完全再结晶组织,温度继续升高,晶粒会发生长大;通过扫描电镜及能谱分析仪观察900℃固溶后的试样,发现只有少量析出相存在。而相对于固溶温度,固溶时间对合金性能的影响不明显。在不同固溶制度下,合金试样经冷变形和时效后,其电导率随固溶温度的升高先降后升,而抗拉强度和延伸率随固溶温度的升高会先升高后下降,固溶温度为925℃时试样的抗拉强度到达峰值,延伸率则在850℃时达到峰值。与其他固溶处理制度相比,合金在900℃×60 min固溶处理,经60%的冷变形,450℃×4 h时效处理后,可得到较好的综合性能。此时,合金抗拉强度达到762 MPa,延伸率为6.1%,电导率为32.5%IACS。

关键词：

Cu-Ni-Si合金;固溶;时效;电导率;抗拉强度;

中图分类号： TG156.94

作者简介：柳瑞清(1957-),男,广东人,博士,教授;研究方向:有色金属材料加工(E-mail:liuruiqing66@yahoo.com.cn);

收稿日期：2012-04-09

基金：江西省自然基金资助项目(2009GZC0048);江西省科学院江西省铜钨新材料重点实验室开放基金资助项目(2010-WT-03);

Effect of Solid Solution Treatment on Microstructure and Properties of Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn Alloy

Abstract：

The effects of different solution temperature and time on the hardness and electrical conductivity of Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn alloy before aging were studied.At the same time,the influence of different solution conditions on properties of Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn alloy after aging was investigated.The results showed that electrical conductivity decreased rapidly at the beginning and then increased slightly with the increase of the solution temperature,but the hardness decreased all the time,and the hardness slowly declined after 925 ℃ solid solution treatment.With the increase of solid solution temperature,the degree of recrystallization was increased,the microstructure was fully recrystallized at 900 ℃;if temperature continued to rise,grains would grow up.There were a few precipitates in the solution sample at 900 ℃ observed by SEM and EDX,and the effect of solid solution time on properties was not sensitive.The electrical conductivity of samples after cold rolling and aging treatment decreased rapidly first and then increased with the increase of the solution temperature,tensile strength and elongation increased rapidly first and then decreased,tensile strength reached the peak at 900 ℃ solid solution treatment,and elongation reached the peak at 825 ℃.Compared with other solid solution conditions,the good overall properties could be obtained at 900 ℃ and 60 min solid solution treatment,60% cold-rolled deformation,450 ℃ and 4 h aging treatment.The finished strip's tensile strength was 762 MPa,elongation was 6.1%,and electric conductivity was 32.5%IACS.

Keyword：

Cu-Ni-Si alloy;solid solution;aging;electric conductivity;tensile strength;

Received： 2012-04-09

铜基引线框架是半导体元件和集成电路封装的主要材料之一, 引线框架的作用是导电、 散热、 联接外部电路, 因此要求具有高强、 高导电、 良好的冲压及蚀刻性能 ^[1,2] 。 近年来Cu-Ni-Si系列引线框架材料得到了很快的发展, 国外已经开发出引线框架用Cu-Ni-Si铜合金系列产品, 并形成产业化能力, 而我国对Cu-Ni-Si合金的研究起步较晚。 随着电子产业的发展, 对引线框架材料的需求量越来越大, 性能上的要求也越来越高, 研究开发具有自主知识产权的Cu-Ni-Si系列引线框架材料已迫在眉睫 ^[3,4] 。

本文探讨了不同的固溶处理制度对Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金性能的影响规律, 通过实验来确定该合金的固溶处理条件, 以提高合金的性能。

1 实 验

原材料为: 电解铜、 电解镍、 硅和锌。

主要实验设备为: 箱式电阻炉、 Φ185 mm×250 mm不可逆轧机、 CMM-77Z型光学显微镜、 SIGMASCOPE SMP10型导电仪、 TPCW-2535E型电火花线切割机、 WDW3200微机控制电子万能试验机等。

试验工艺流程为: 熔炼及配制合金→铸造→铣面→热轧→固溶→冷轧→时效。

在中频感应熔炼炉中进行熔炼, 使用铁模铸造。 铸锭经过铣面后热轧成板材。 对热轧板进行固溶处理, 固溶温度取825, 850, 875, 900, 925, 950 ℃ 6个温度, 保温时间为40和60 min。 固溶处理后的试样采用60%冷变形, 450 ℃×4 h时效处理。 各工序后取样, 对试样的显微组织、 电导率、 硬度和抗拉强度进行观测。

2 结果与讨论

2.1 固溶处理

对固溶后合金进行取样, 经粗磨, 细磨, 抛光后, 用氯化铁10 g+盐酸40 ml+水120 ml溶液进行腐蚀, 通过CMM-77Z型光学显微镜对合金固溶态组织进行观察分析, 得到固溶态合金的显微组织图。 图1是合金在825～950 ℃, 经40和60 min固溶后的金相组织。

随固溶温度的升高, 固溶程度越充分。 由图1可以看出, 在825和850 ℃固溶后的金相组织中, 零星分布着粒状突起物, 而基体开始出现回复再结晶, 形成等轴晶, 说明在825和850 ℃固溶的效果并不理想。 875～950 ℃固溶, 未溶解物已基本固溶进铜基体中。 随温度升高, 晶粒会显著长大, 第二相粒子会充分溶解进铜基体当中。 固溶时间越长, 试样的晶粒度越大。 从图1(g)和图1(h)中可发现, 在相同的固溶温度下, 保温时间越长, 其试样的晶粒度越大。 试验结果表明: 温度较低时, 固溶相的扩散速度小, 固溶相在短时间内不能充分的溶进铜基体中, 如图1(a)～(d)所示。 随着固溶温度的升高, 固溶相的扩散速度增大, 当固溶温度大于875 ℃时, 可发现在一定时间内固溶较充分, 并发生完全再结晶, 而温度越高, 晶粒度会越大, 如图1(f)～(l)所示。

图1 不同温度和时间固溶处理的金相组织

Fig.1 Microstructure of alloy at different solid solution temperature and time

(a)825℃×40 min;(b)825℃×60 min;(c)850℃×40 min;(d)850℃×60 min;(e)875℃×40 min;(f)875℃×60 min;(g)900℃×40 min;(h)900℃×60 min;(i)925℃×40 min;(j)925℃×60 min;(k)950℃×40 min;(l)950℃×60 min

影响合金电导率的因素比较复杂, 基体中溶质原子的浓度是一主要因素, 溶质原子浓度越低, 对自由电子的散射作用越弱, 电导率就越高 ^[5,6,7,8,9] 。 热轧后合金在不同工艺条件下进行固溶处理, 得到的电导率和温度之间的关系如图2所示。

由图2可看出, 电导率随温度的升高, 先降低后上升, 因为在低温时固溶, 溶质原子还不能完全的固溶进合金基体当中, 随温度的升高固溶越充分, 溶质原子浓度升高, 晶格畸变越大, 致使电导率下降。 温度继续升高, 在950 ℃时, 溶质原子已经基本溶于合金基体, 由于晶粒的长大, 导致对电子的散射作用降低, 所以合金的电导率升高。 在825～875 ℃固溶, 由于溶质原子固溶还不充分, 溶质原子浓度对电导率的影响起了主要作用, 保温40 min比保温60 min溶入基体的溶质原子要少, 溶质原子的浓度较低, 因此, 电导率更高。 而 900～950 ℃固溶较为充分, 溶质原子已经基本溶于合金基体, 保温时间越长, 合金晶粒越大, 电子产生的散射相对降低, 合金的电导率越高。

图2 不同保温时间下固溶温度对合金电导率的影响

Fig.2 Effect of solid solution temperature on conductivity at different holding time

随着固溶温度的升高, 合金的硬度会不断的下降, 如图3所示。 Cu-Ni-Si合金的硬度主要取决于固溶度, 析出相的分布以及晶粒尺寸 ^[10,11,12] 。 首先, 在固溶处理时, 随着溶质原子溶入量增加, 晶格畸变越大, 畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 构成位错滑移的障碍, 使得位错阻力增大, 导致材料硬度升高。 再者, 析出相数量变少及晶粒的长大, 对位错的阻碍作用减小, 使得材料强硬度降低。 在825～900 ℃固溶时, 溶质原子不断溶入铜基体, 析出相不断减少, 在两者不断作用之中合金的硬度呈现下降的趋势。 随着温度的不断升高, 析出相已基本溶人铜基体当中, 晶粒的大小对合金硬度变化起主要作用, 合金硬度会继续下降, 但下降趋势会趋于平缓。 当固溶温度大于875 ℃时, 固溶时间越长, 析出相溶解越充分, 而且固溶时间越长, 晶粒会长大, 单位体积内晶界的体积越小, 因此固溶40 min后合金的硬度会略大于固溶60 min后合金的硬度。

图4为900 ℃×60 min固溶后试样扫描电镜照片及能谱结果。 由图4(b)可知, 在晶界上有零星分布的粒状突起物存在(如十字标记所示), 且此突起物内部主要包含Cu, Ni及Si元素, 其中Ni和Si元素的含量远远超过合金设计成分, 是还未溶于铜基体的过剩相。 而由图4(a)中可以发现, 粒状突起物的数量很少, 可说明在900 ℃×60 min固溶, 析出相已基本溶入铜基体当中, 固溶程度较为充分。 固溶作用主要是为了为后续时效做准备, 以得到较好的合金性能, 因此要尽可能多的使合金溶质原子溶入铜基体中, 但合金晶粒不能过分长大。 而综合固溶后组织和性能来看, 合金在 900 ℃左右固溶效果较好。

图3 不同保温时间下固溶温度对合金硬度的影响

Fig.3 Effect of solid solution temperature on hardness at different holding time

图4 900 ℃×60 min固溶后试样的扫描电镜图(a, b)及能谱图(c)

Fig.4 SEM patterns (a, b) and EDX (c) of specimen after 900 ℃×60 min solid solution

2.2 时效工艺

固溶后对合金进行冷变形, 冷变形后合金的电导率有所下降, 但经冷变形后, 合金内部位错增多, 使析出物形核变得更加容易, 合金时效初期Ni及Si元素的析出, 减弱了溶质原子对电子的散射作用, 使得电导率得以大幅度提高 ^[13,14] 。 合金经450 ℃×4 h时效后的电导率如图5所示, 时效后由于第二相粒子的析出, 使得电导率得到提高。 不同固溶温度下经过时效后电导率的变化趋势和固溶时电导率的变化趋势一致, 都是随着固溶温度的升高, 其电导率先下降而后上升。 950 ℃×60 min固溶后, 经冷变形、 时效的电导率可达到37.2%IACS。

图5 固溶后经450 ℃×4 h时效试样的电导率

Fig.5 Conductivity with aging at 450 ℃×4 h after solid solution

随固溶温度的升高, 合金的抗拉强度先升后降。 合金在不同加热温度和保温时间下固溶, 经冷变形、 时效后的抗拉强度及延伸率如图6所示。 由图可知, 随固溶温度的升高, 溶质原子的溶解度增加, 致使其晶格畸变增加及溶质原子对位错“钉扎”作用的加强, 位错的运动阻力增加, 合金的抗拉强度随之升高。 固溶温度越高, 其再结晶程度越来越高, 到900 ℃时合金组织已是完全再结晶组织, 温度继续升高, 晶粒明显长大, 合金抗拉强度有所下降 ^[15,16] 。 合金在相同固溶温度下, 保温时间不同对抗拉强度的影响并不明显。 合金经过925 ℃×60 min固溶, 冷变形, 时效后抗拉强度达到最高为774 MPa, 但延伸率却为6%, 电导率只有28.8%IACS。 根据电导率与抗拉强度等性能的综合考虑, 在900 ℃×60 min固溶, 经冷变形和时效后抗拉强度达到762 MPa, 延伸率为6.1%, 电导率为32.5%IACS, 能拥有较好的综合性能。

图6 固溶后经450 ℃×4 h时效试样的抗拉强度及延伸率

Fig.6 Tensile strength and elongation with aging at 450 ℃×4 h after solid solution

3 结 论

1. Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金经固溶、 冷变形、 时效后, 抗拉强度随固溶温度的升高先升后降; 电导率随固溶温度的升高, 先降低后升高, 硬度呈下降的趋势。

2. Cu-3.2Ni-0.75Si-0.3Zn合金经900 ℃×60 min固溶, 60%的冷变形后, 在450 ℃保温4 h时效, 合金得到良好的综合性能: 其抗拉强度达762 MPa, 延伸率为6.1%, 电导率为32.5%IACS。

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