简介概要

固溶时效条件对C194合金性能的影响

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：柳瑞清王晓娟谢水生蔡薇

关键词：铜合金; 引线框架; 固溶; 时效; C194合金;

摘要：研究了固溶处理温度和时间、时效处理温度和时间、形变热处理前后的冷加工率对C194铜合金带材的抗拉强度和电导率的影响.试验研究表明:在固溶处理温度和保温时间为850℃和60min,时效前的冷加工率为71%,时效处理温度和时间为500℃和3.5 h,时效后材料的冷加工率为70%的条件下生产的C194带材具有良好的综合性能.合金带材的抗拉强度为538.5MPa,电导率达到81.8%IACS.

稀有金属 2006,(02),251-254 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.028

固溶时效条件对C194合金性能的影响

谢水生柳瑞清王晓娟

江西理工大学材料与化学工程学院,北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室,江西理工大学材料与化学工程学院,江西理工大学材料与化学工程学院江西赣州341000,北京100088,江西赣州341000,江西赣州341000

摘要：

研究了固溶处理温度和时间、时效处理温度和时间、形变热处理前后的冷加工率对C194铜合金带材的抗拉强度和电导率的影响。试验研究表明:在固溶处理温度和保温时间为850℃和60min, 时效前的冷加工率为71%, 时效处理温度和时间为500℃和3.5h, 时效后材料的冷加工率为70%的条件下生产的C194带材具有良好的综合性能。合金带材的抗拉强度为538.5MPa, 电导率达到81.8%IACS。

关键词：

铜合金;引线框架;固溶;时效;C194合金;

中图分类号： TG113.2

作者简介：柳瑞清 (E-mail:liuruiqing66@yahoo.com.cn) ;

收稿日期：2005-11-10

基金：国家863计划资助项目 (2002AA3Z1410);江西省自然基金资助项目 (550033);

Effect of Solution and Aging Technology on Characteristics of C194 Alloy

Abstract：

The influence patterns of temperature and time of solid solution treatment, temperature and time of aging treatment, cold rolling rate before and after aging treatment on the tensile strength and electric conductivity of strip of C194 alloy were studied. The results show that good synthesize properties can be obtained at 850 ℃ and 60 min solid solution treatment, 71% pre-cold rolling rate, 500 ℃ and 3.5 h aging treatment, 70% post cold rolling rate conditions. The finish strip′s tensile strength is 538.5 MPa, and electric conductivity is 81.8%IACS.

Keyword：

copper alloy; lead frame; solution; aging; C194 alloy;

Received： 2005-11-10

铜引线框架材料中, Cu-Fe系列合金用量最大, 占到全部引线框架材料用量的65%以上。 C194型合金 (Cu-2.35Fe-0.03P-0.1Zn) 是由美国奥林公司开发的最有代表性的一种中强度、中导电型时效析出强化铜合金。 C194合金具有高的导热性和优良的机械性能, 因此, 应用十分广泛。理想的引线框架材料的性能应为: 拉伸强度>500 MPa, 电导率>80%IACS ^{[1,2,3,4,5,6,7]} 。本文通过固溶处理与时效强化, 结合冷变形强化提高了C194合金的抗拉强度和电导率。

1 实验

1.1 实验用材

实验材料厚度为3.5 mm的C194 (Cu-2.35Fe-0.03P-0.1Zn) 热轧板坯。

1.2 试验设备及试验过程

SX-4-10型箱式电阻退火炉, WDW3200电子万能试验机, Φ 185 mm×250 mm轧机, Miniflex型X射线衍射仪, XL30W/TWP扫描电镜及EDAX能谱仪, SIGMASCOPE SMP10电导率测试仪等。铸锭经热轧成为厚度为3.5 mm的板坯, 固溶处理后冷轧, 冷轧分两步进行, 时效前进行第一次冷轧, 轧后厚度为1 mm, 变形程度为71%, 时效后进行第二次冷轧, 轧后厚度为0.3 mm, 变形程度为70%。

2 结果与讨论

2.1 固溶合金的组织性能分析

试验中选取850, 900, 950 ℃ 3个固溶温度和20, 40, 60 min 3个固溶时间。

图1为3个温度下固溶、保温1 h的SEM照片。由图1可知: 随温度升高, 固溶程度增大, 固溶更充分, 但是, 晶粒明显变得粗大。而晶粒粗大会影响到合金的各项性能, 特别是强度。在图1 (a) 中, 晶粒较细小, 固溶也较充分。抗拉强度及电导率较高, 固溶温度选择850 ℃比较合理。

图2为固溶温度850 ℃, 保温20和60 min的SEM照片。由图2可知, 在固溶态合金中, 都存在着加工组织, 晶粒内可以看到位错组织。不同的是: 图2 (a) 中存在少量的粒状突起物 (EDS扫描显示为Cu和P; XRD检测结果显示P和Fe以Fe₃P形式存在) , 这些粒状突起物是还没有溶入铜基体中的合金元素, 说明在850 ℃保温20 min的合金固溶不完全。从图2 (b) 可以看出: 几乎没有粒状突起物, 说明在此固溶条件下合金元素已经溶入铜基体中。

图3 (a) 和 (b) 分别是不同固溶温度下处理, 冷变形后抗拉强度和电导率随时效温度 (时效时间均为3.5 h) 的变化曲线。在图3 (a) 中, 500 ℃左右合金的抗拉强度均达到最大值, 随温度升高, 合金的强度降低。因为温度越高, 越利于晶粒长大, 这对合金的强度产生了消极的影响; 在图3 (b) 中950 ℃固溶处理后的试样随时效温度的升高, 电导率增加稍快; 而850 ℃固溶处理后的试样随时效温度的升高, 电导率增加稍缓, 在500 ℃时达到了峰值。 950 ℃固溶后进行时效处理的试样电导率为83%IACS, 比850 ℃固溶后进行时效的试样电导率 (81.8%IACS) 略高。这是因为固溶温度高, 合金元素固溶度就大, 随着时效温度的升高, 溶解在铜基体中的元素充分析出。综合考虑强度和电导率两个性能, 选择固溶温度850 ℃, 保温时间60 min进行固溶处理更合理。

2.2 C194合金的时效处理

时效前对合金进行冷变形处理, 目的是增加合金内部的位错、空位等缺陷的数量和密度, 而这些高能量的缺陷将会在随后的时效过程中为第二相提供析出核心, 从而有利于第二相的析出, 使合金的电导率和强度提高 ^[8] 。

合金在850 ℃固溶处理并经第一次冷轧后, 分别在400, 450, 500, 550, 600 ℃温度下进行时效。图4 (a) 是合金在不同保温时间 (2, 3.5, 5 h) 下, 抗拉强度随时效温度的变化曲线。由图4 (a) 可知: 保温时间为3.5 h的合金的抗拉强度明显高于其他两组, 并在500 ℃时抗拉强度达到峰值538 MPa; 合金在400～500 ℃范围内, 随温度的升高, 第二相析出速度加快, 相对原子活动能力小, 析出的第二相虽然比较少, 但第二相粒子长大的倾向也比较小, 所以在这个温度范围, 合金的抗拉强度是增加的。而超过了500 ℃时效时, 溶质原子析出动力减弱了, 后一因素起了主导作用, 即随着时效温度继续升高, 第二相粒子长大的趋势增加, 所以合金的抗拉强度呈现下降趋势 ^[9] 。

图1 不同温度下固溶、保温1 h的SEM照片 (a) 850 ℃; (b) 900 ℃; (c) 900 ℃

Fig.1 SEM photos of solution samples at different temperature and holding 1 h

图2 固溶温度850 ℃, 保温20 min (a) 和60 min (b) 的SEM照片

Fig.2 SEM photos of samples at 850 ℃ solution and holding 20 min (a) and 60 min (b)

图3 不同温度固溶处理, 合金的抗拉强度 (a) 和电导率 (b) 随时效温度的变化曲线

Fig.3 Tensile strength (a) and conductivity (b) against aging temperature at different temperature

图4 不同保温时间下, 时效温度对C194合金抗拉强度 (a) 和电导率 (b) 的影响

Fig.4 Tensile strength (a) and conductivity (b) against aging temperature for different holding time

图4 (b) 是850 ℃固溶处理后的合金在时效过程中不同保温时间条件下, 电导率随时效温度的变化曲线。由图4 (b) 可知: 时效时间越长, 合金的电导率越高, 且在500 ℃左右达到峰值。影响合金电导率的主要因素是基体中固溶元素的含量, 含量越高, 对电子的散射作用就越大, 合金电导率越低, 反之越高。随时效温度的增高, 溶质原子的扩散能力增强, 第二相析出速度加快, 同时合金元素在基体中的溶解度增大, 合金的过饱和度及自由焓差减小 ^{[10,11,12,13]} 。合金在400～500 ℃范围内时效时, 第二相析出随温度的升高速度加快, 电导率呈上升趋势。但是随着温度的继续升高, 溶质原子析出动力变弱, 电导率开始下降。因此, 综合考虑时效温度和保温时间对合金的抗拉强度和电导率的影响, 时效温度选在500 ℃, 时间控制在3.5 h最合理。

图5是合金的抗拉强度和电导率随时效时间的变化曲线 (850 ℃固溶处理并经第一次冷轧后, 在时效温度500 ℃条件下进行时效) 。从图5可以看出: 当时效时间达到3.5 h, 合金的电导率可以达到81.8%IACS, 且随着时效时间的延长, 合金的电导率增加。时效初期, 电导率上升的幅度较大, 但时效后期增长缓慢, 趋于稳定。这是因为在时效初期, 固溶于铜基体中的合金元素大量析出, 从而带来电导率的迅速提高, 而随着时间延长, 可以从基体中析出的合金元素越来越少, 因此电导率上升趋势变缓, 逐渐趋于水平。

当时效时间为3.5 h时, 合金的抗拉强度达到峰值538.5 MPa, 随后, 合金的抗拉强度就开始下降。这是因为在时效初期第二相粒子大量析出, 同时, 第二相粒子的长大趋势很小, 所以合金的抗拉强度是增大的。超过3.5 h后, 第二相粒子长大的趋势增大, 合金抗拉强度下降。