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    基于熱軋流程下Cu-Ni-Si合金組織和性能演變規(guī)律

    2018-11-17 08:50:40曹光明王志國李成剛張?jiān)?/span>
    中國有色金屬學(xué)報(bào) 2018年10期
    關(guān)鍵詞:再結(jié)晶時(shí)效導(dǎo)電

    曹光明,王志國,李成剛,賈 飛,張?jiān)?/p>

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    基于熱軋流程下Cu-Ni-Si合金組織和性能演變規(guī)律

    曹光明,王志國,李成剛,賈 飛,張?jiān)?/p>

    (東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110819)

    Cu-Ni-Si合金;熱軋;再結(jié)晶;析出動(dòng)力;顯微硬度;導(dǎo)電率

    高強(qiáng)導(dǎo)電銅合金作為一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)功能材料,被廣泛應(yīng)用于IT產(chǎn)業(yè)大規(guī)模集成電路引線框架、高速軌道交通、光電子器件、微波技術(shù)、航空航天、國防軍工、電子行業(yè)及家電行業(yè)接插件等,一直是各國爭先發(fā)展的先進(jìn)材料之一[1?2]。制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料的方法是加入適量的合金元素,但是合金元素的加入將在一定地程度上降低材料的導(dǎo)電率[2]。一般的做法是采用低固溶度的合金元素加入銅中,通過高溫固溶處理,合金元素在銅基體中形成過飽和固溶體,導(dǎo)電性能惡化,強(qiáng)度提高。時(shí)效處理后,過飽和固溶體分解,大量的合金元素以沉淀相析出于銅基體中,導(dǎo)電率迅速提高,同時(shí)由于時(shí)效析出相的強(qiáng)化作用而保持較高強(qiáng)度[3?4]。

    Cu-Ni-Si合金屬于典型的時(shí)效強(qiáng)化型高強(qiáng)中導(dǎo)三元系銅合金,由于其耐熱穩(wěn)定性好且易于生產(chǎn)加工,應(yīng)用較為廣泛,越來越受到人們的青睞[1, 5]。Cu-Ni-Si合金常規(guī)制備工藝:熔鑄?均勻化?熱軋?淬火?固溶?淬火?冷軋?時(shí)效,輔助多次冷變形和多級時(shí)效,微合金化和形變熱處理相結(jié)合是改善其性能的主要策略。人們研究的重點(diǎn)在于調(diào)節(jié)合金成分和改善形變熱處理工藝,通過優(yōu)化熱軋、固溶、時(shí)效等工藝,調(diào)控析出行為,有效地平衡強(qiáng)度和導(dǎo)電率,使該成分合金獲得較佳的綜合性能??v觀整個(gè)工藝流程,熱軋、固溶、冷軋等過程的組織和性能演變都會(huì)影響最終的綜合性能,只有形成過飽和的固溶體及大量的晶體缺陷才能為時(shí)效強(qiáng)化提供良好的組織準(zhǔn)備[2?7]。所以,改善Cu-Ni-Si合金的最終性能應(yīng)該從工藝的各個(gè)階段統(tǒng)籌調(diào)控,工藝?組織?性能是一個(gè)整體,合金析出相是控制其性能的關(guān)鍵。本文作者基于熱軋流程下制備Cu-Ni-Si合金板材,依據(jù)Ni與Si質(zhì)量比為4.2:1調(diào)整Ni含量,研究合金成分對凝固組織、熱軋過程動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及性能的影響規(guī)律,并根據(jù)合金熱軋態(tài)的組織特點(diǎn)和強(qiáng)化效果,選擇典型的合金成分研究固溶、冷軋和時(shí)效工藝對合金組織和性能的影響規(guī)律,為開發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金及研發(fā)新的制備技術(shù)提供良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

    1 實(shí)驗(yàn)

    本實(shí)驗(yàn)中用Cu-Ni-Si合金在10 kg中頻真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉,成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Cu-1.0Ni-0.25Si(合金1)和Cu-3.2Ni-0.75Si(合金2),澆鑄溫度為1200~ 1250 ℃,鐵模方形鑄錠。鑄錠經(jīng)表面處理后,在900 ℃、1 h均勻化處理,熱軋到3 mm厚的板材。合金板材分別經(jīng)(800℃, 1 h)、(850 ℃, 1 h)、(900 ℃, 1 h和2 h)固溶處理,水淬。隨后冷軋至1.0、0.6、0.3和0.1 mm,經(jīng)350、400、450和500 ℃分別時(shí)效0.5、1、2、3、4、6和8 h。

    均勻化及固溶處理在箱式電阻爐中進(jìn)行,時(shí)效處理在氮?dú)獗Wo(hù)的管式加熱爐中進(jìn)行,PID控溫,正常工作時(shí)爐溫波動(dòng)±2 ℃。熱軋?jiān)?50可逆熱軋機(jī)進(jìn)行,終軋溫度不低于750 ℃,冷軋?jiān)谥崩剿妮伩赡胬滠垯C(jī)進(jìn)行。電阻測量使用ZY9987型數(shù)字微歐計(jì),測量試樣長度≥100 mm,測量誤差≤1 μΩ。顯微硬度測量用日本FUTURE-TECH公司產(chǎn)FM?700型顯微硬度計(jì),測試點(diǎn)不低于10個(gè),加載力為0.98 N,時(shí)間為10 s。透射試樣經(jīng)TenuPol?5型電解雙噴減薄儀減出薄區(qū)后,在Tecnai G2 F20型場發(fā)射透射電子顯微鏡上進(jìn)行析出行為觀察,電解雙噴液為HNO3與CH3OH體積比1:3。EBSD觀察在德國蔡司產(chǎn)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行,試樣經(jīng)砂紙打磨后用氬離子拋光。金相組織經(jīng)FeCl3+ HCL混合水溶液腐蝕后在蔡司金相顯微鏡上觀察。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 熔鑄?熱軋過程組織及性能演變

    圖1 Cu-Ni-Si合金的鑄態(tài)及熱軋組織

    圖2 Cu-Ni-Si合金熱軋態(tài)晶粒組織及晶界大小分布

    鑄態(tài)及熱軋后的性能變化如表1所示。熱軋后,由于形變產(chǎn)生位錯(cuò)增值,晶體缺陷增多,晶格畸變程度增大,導(dǎo)電率下降。同時(shí),動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化作用與加工硬化共同作用,硬度稍微下降[8]。高合金成分由于第二相對電子的散射作用強(qiáng)于低合金元素,其導(dǎo)電率略低于低合金成分的,但其強(qiáng)化作用明顯提高,尤其在熱軋后這種差異明顯加大,硬度相差了一倍之多。鑒于后續(xù)固溶過程回復(fù)再結(jié)晶的作用及高合金元素的強(qiáng)化效果,后續(xù)工藝研究主要針對合金2。

    表1 Cu-Ni-Si合金在鑄態(tài)和熱軋態(tài)的性能

    2.2 固溶工藝對合金組織?性能的影響

    圖3所示為Cu-3.2Ni-0.75Si合金在不同固溶條件下的金相顯微組織。由圖3可知,800 ℃固溶時(shí),基體開始發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶,很多長條狀晶粒變?yōu)榧?xì)小的等軸晶,有大量未溶的第二相;850 ℃固溶時(shí),晶粒發(fā)生完全再結(jié)晶,有大量孿晶形成,原子擴(kuò)散能力明顯增強(qiáng),第二相基本溶入基體;900 ℃固溶時(shí),原子擴(kuò)散能力進(jìn)一步增強(qiáng),第二相完全溶入基體,并出現(xiàn)大量孿晶。圖4所示為Cu-3.2Ni-0.75Si合金在不同固溶工藝的主要性能變化規(guī)律。由圖4可知,固溶處理后,由于第二相大量溶入基體中,晶格畸變程度增大,電子散射也越大,致使導(dǎo)電率下降。在低溫固溶時(shí),溶質(zhì)原子還不能完全的固溶進(jìn)合金基體當(dāng)中,隨溫度的升高固溶越充分,溶質(zhì)原子濃度升高,晶格畸變越大,電子散射越大,導(dǎo)電率下降的也較快。隨著時(shí)間的延長,由于晶粒的長大,導(dǎo)致對電子的散射作用降低,所以合金的導(dǎo)電率略有升高[9?12]。

    對于強(qiáng)度和硬度,隨著固溶溫度的升高,會(huì)不斷的下降。一方面,隨著溶質(zhì)原子溶入量增加,晶格畸變越大,畸變所產(chǎn)生的應(yīng)力場與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場交互作用,構(gòu)成位錯(cuò)滑移的障礙,使得位錯(cuò)阻力增大,起到了固溶強(qiáng)化的作用。另一方面,隨溫度的升高及時(shí)間的延長,析出相數(shù)量變少且晶粒持續(xù)長大,對位錯(cuò)的阻礙作用減小,強(qiáng)化作用減弱[9?12]。作為典型的析出強(qiáng)化型合金,析出相的強(qiáng)化作用明顯高于晶格畸變引起的強(qiáng)化。在800~900 ℃固溶時(shí),溶質(zhì)原子不斷溶入銅基體,析出相不斷減少,在兩者不斷作用下合金的硬度和強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢。固溶時(shí)間越長,析出相溶解越充分,而且晶粒會(huì)長大,單位體積內(nèi)晶界的體積越小,因此固溶2 h后合金的硬度會(huì)略大于固溶1 h后合金的硬度。

    圖3 Cu-3.2Ni-0.75Si合金在不同固溶條件下的金相組織

    2.3 冷軋和時(shí)效工藝對合金組織和性能的影響

    冷軋作為加工硬化的主要方式,將固溶后過飽和的固溶體晶粒撕碎或拉長,細(xì)化晶粒的同時(shí)使晶體產(chǎn)生大量缺陷,為時(shí)效析出提供良好的析出動(dòng)力[7, 15]。圖7所示為冷軋不同變形量的顯微組織,在60%冷變形后,晶粒沿軋制方向被拉長呈纖維狀,但纖維粗細(xì)不均勻,且只有部分晶粒發(fā)生破碎。增大變形量時(shí),原始較大的晶粒已基本消除,晶粒已完全呈纖維狀形貌,同時(shí)出現(xiàn)一定量的剪切帶組織。當(dāng)達(dá)到95%變形量時(shí),纖維組織變得更窄更均勻,且部分纖維發(fā)生破碎,這些被破壞的晶粒處即是時(shí)效析出的動(dòng)力點(diǎn)。

    圖4 Cu-3.2Ni-0.75Si合金在不同固溶條件下的主要性能變化規(guī)律

    圖5 Cu-3.2Ni-0.75Si合金經(jīng)900 ℃、1 h固溶后的晶粒取向分布圖

    圖6 大角晶界及孿晶對電子的作用示意圖

    圖7 冷軋不同變形量的顯微組織

    冷加工產(chǎn)生的晶體缺陷為時(shí)效析出提供核心作用,促進(jìn)了析出行為的發(fā)生。圖8所示為冷軋變形量為60%和80%時(shí)450 ℃、3 h時(shí)效后的TEM像。由圖8可知,變形量不同,析出相大小及形貌明顯不同。變形量為60%時(shí),析出相大約為100 nm,呈棒狀,且大小不均勻,容易在晶界及位錯(cuò)滑移末端析出;變形量為80%時(shí),析出相大約為25 nm,大多呈橢圓狀彌散分布,由于變形量越大,晶體缺陷越多,析出動(dòng)力就越強(qiáng)且析出點(diǎn)較分散,所以析出相較60%變形時(shí)細(xì)小、彌散,合金時(shí)效后強(qiáng)化效果越明顯,硬度越高,如圖9(a)所示。同時(shí),由于溶入基體的合金元素快速脫溶,凈化基體,合金導(dǎo)電率得到有效提升,變形量越大,合金導(dǎo)電率回復(fù)越快,回復(fù)率越高,所以,變形80%合金在時(shí)效過程中導(dǎo)電率一直高于變形60%變形的合金,如圖9(b)所示。

    圖8 冷軋60%和80%經(jīng)450 ℃、3 h時(shí)效后TEM像

    圖9 Cu-3.2Ni-0.75Si合金硬度和導(dǎo)電率隨冷軋和時(shí)效工藝的變化曲線

    時(shí)效工藝是平衡合金力學(xué)性能和導(dǎo)電率的最直接因素之一。在350~450 ℃時(shí)效過程中,對于同一變形量,時(shí)效溫度越高,析出動(dòng)力就越強(qiáng),硬度和導(dǎo)電率達(dá)到到峰值的時(shí)間越短,如圖9(c)和(d)所示。但是,當(dāng)溫度高于450 ℃時(shí),合金處于過時(shí)效狀態(tài),其硬度反而降低,合金開始軟化。對于同一溫度,在時(shí)效早期,合金硬度上升較快,從2 h開始上升速率逐漸減緩,峰值過后硬度開始逐漸下降。這主要因?yàn)樵跁r(shí)效早期,基體與析出相保持一定的共格,基體中有很多點(diǎn)陣畸變的區(qū)域,基體過飽和度比較大,第二相析出驅(qū)動(dòng)力比較大,析出速度較快,析出相此時(shí)比較細(xì)小,呈現(xiàn)彌散分布的狀態(tài),并與位錯(cuò)交互作用,使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈受阻,合金的力學(xué)性能得到了很大的提高[16]。峰值過后時(shí)效時(shí)間繼續(xù)延長,析出相開始長大和聚集粗化,導(dǎo)致其與基體共格關(guān)系受到一定程度破壞,晶粒持續(xù)長大,惡化了其力學(xué)性能。但由于合金元素持續(xù)脫溶,基體趨于純凈,電子在基體中流動(dòng)能力增強(qiáng),合金導(dǎo)電率逐漸回復(fù),待析出全部完成后,導(dǎo)電率趨于平穩(wěn)[17?20]。所以,合金在經(jīng)過80%冷軋變形和450 ℃、3 h時(shí)效后,可以有效平衡力學(xué)性能和導(dǎo)電率的關(guān)系,獲得最佳的綜合性能。

    3 結(jié)論

    1) 合金成分是影響鑄態(tài)偏析、熱軋組織再結(jié)晶程度和晶粒取向的關(guān)鍵因素。合金元素含量越高,枝晶偏析越明顯,且熱軋后再結(jié)晶程度越低,晶粒越小,呈明顯變形組織,反之亦然;熱軋后晶粒擇優(yōu)取向明顯,發(fā)生部分再結(jié)晶,形變產(chǎn)生位錯(cuò)增值,晶格畸變程度增大,導(dǎo)電率明顯下降。

    3) 冷軋后,晶粒被撕碎、拉長,基體產(chǎn)生大量缺陷,為時(shí)效析出提供核心作用;變形量越大,時(shí)效析出動(dòng)力越強(qiáng),析出相越細(xì)小、彌散分布。時(shí)效時(shí),合金元素持續(xù)脫溶,凈化基體,導(dǎo)電率開始回升;同時(shí)析出相阻礙了位錯(cuò)移動(dòng),與基體形成共格關(guān)系,合金的力學(xué)性能得到了很大的提高。

    4) Cu-3.2Ni-0.75Si合金經(jīng)過80%冷軋后,450 ℃、3 h時(shí)效較為有效地平衡了力學(xué)性能和導(dǎo)電率,此時(shí)合金硬度為259HV,導(dǎo)電率為36.5%IACS。

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    Evolution of structure and property for Cu-Ni-Si alloy based on hot-rolling process

    CAO Guang-ming, WANG Zhi-guo, LI Cheng-gang, JIA Fei, ZHANG Yuan-xiang

    (State Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

    Cu-Ni-Si alloy; hot rolling; recrystallization; precipitating force; microhardness; electrical conductivity

    Project(2017YFB0305002) supported by the National Key Research and Development Program; Project(U1660117) supported by the Joint Foundation of the National Natural Science Foundation of China

    2017-03-27;

    2018-07-25

    CAO Guang-ming; Tel: +86-24-83683530; E-mail: caogm@ral.neu.edu.cn

    國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB0305002);國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1660117)

    2017-03-27;

    2018-07-25

    曹光明,副教授,博士;電話:024-83683530;E-mail: caogm@ral.neu.edu.cn

    10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.10.09

    1004-0609(2018)-10-2024-09

    TG146.1

    A

    (編輯 龍懷中)

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