背景技术
伴随着人民生活品质的提升以及电子通讯和消费电子产业的发展,相对于钢铁、铝合金等传统材料而言,价格较贵的铜合金越来越多的被使用,其中以集成电路引线框架、连接器用铜材为代表,使用量逐年递增。
集成电路引线框架方面,随着电子信息产品“轻薄短小”的发展趋势,集成电路正朝着高集成化及多功能化、线路的高密度化、封装的多样化和高性能化发展,对引线框架铜材的要求也将越来越高。当前主流引线框架铜材Cu-Fe-P系列的C19210和C19400等,正逐步向高强中导Cu-Ni-Si系合金转变。
连接器方面,伴随着新能源汽车、特高压充电、智能电器等领域的发展,所用电子元器件承担着大电流、高电压、高频率等苛刻条件,对连接器用铜材的强度、导电率、抗高温软化等性能的要求越来越高。传统黄铜、Cu-Sn-P系合金已经满足不了要求,而高强中导高弹性的Cu-Ni-Si系合金正在成为首选材料。
Cu-Ni-Si系列合金是时效强化型合金,因兼具高强度和适当的导电特性而倍受瞩目。Cu-Ni-Si系合金是通过Ni2Si相析出而强化的,适当的Ni、Si元素比例才能保证合金时效后,基体中残留较少的合金元素,使合金获得较高的电导率的同时,具有较高的强度。
以C70250为代表的Cu-Ni-Si系合金产品,目前国内外的生产路线都较为成熟。国外以美国奥林黄铜、德国维兰德、日本同和金属、日本日矿金属、日本古河电工为代表,国内以洛阳铜加工、宁波兴业、博威合金为代表。大多数厂家的C70250产品性能范围如下:强度650~750MPa、导电率40~50%IACS、软化温度400~500℃。
目前以C70250为代表的Cu-Ni-Si系合金产品基本能满足引线框架和连接器用铜材的要求。然而为了满足产品升级换代的需求,对引线框架和连接器用Cu-Ni-Si系合金的性能提出了更高的要求,新型Cu-Ni-Si系合金性能要求:强度>800MPa、导电率>50%IACS、软化温度>500℃。
通过添加Co元素,开发出Cu-Ni-Co-Si系合金,即C70350合金。其强度大于900MPa,导电率约50%IACS、软化温度大于500℃,综合性能较为突出,一度认为是Cu-Ni-Si系合金的发展方向。然而,一方面Co元素作为一种战略资源,价格昂贵。另一方面,在电子产品中Co元素的回收再利用也较为困难。因此,很多种类的引线框架和连接器产品都严格限制Co元素的使用。
发明内容
针对现有技术中的问题,本发明开发一种综合性能优异的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金材料及其制备方法,为下一代高性能Cu-Ni-Si系合金的发展提供一种思路。
本发明采用以下技术方案:
一种高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金的组分及其质量百分含量为:Ni 2.1~3.2%、Si 0.5~0.8%、Mg 0.02~0.1%、M 0~0.2%、N 0~0.08%,其余为Cu和不可避免的杂质,其中M为Fe或Zn中的至少一种,N为Ti或P中的至少一种。
根据上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金中Ni的质量百分含量与Si的质量百分含量之比为3.77~4.38。
根据上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金的屈服强度为775MPa~842MPa、抗拉强度为792MPa~873MPa、显微硬度为213HV~247HV、导电率为46.0%~54.2%IACS。
根据上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金的抗高温软化温度为518℃~559℃。
根据上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金中第二相粒子Ni2Si相的尺寸为5nm~50nm的粒子占比为90%-95%、尺寸为50nm~200nm的粒子占比为5%~8%、尺寸大于200nm的粒子占比小于等于2%。
根据上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,其特征在于,所述合金中R织构的体积分数为11.2%~14.2%、Goss织构的体积分数为6.1%~8.7%、S-1织构的体积分数为11.7%~15.6%、brass织构的体积分数为11.2%~17.3%。
一种基于上述的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:按照所述合金的组分及其质量百分含量取Ni、Si、Mg、M、N、Cu,作为原料;将原料依次进行熔铸、热轧、固溶、双面铣、初轧、一次时效、精轧、二次时效、终轧、清洗、包装,得到所述合金;热轧温度为890℃~940℃,热轧保温时间为2h~6h;一次时效温度为450℃~490℃,一次时效时间为4h~12h;二次时效温度为390℃~450℃,二次时效时间为0.5h~4h;终轧温度为650℃~800℃,终轧变形量为20%~50%。
本发明的有益技术效果:本发明的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金及制备方法,通过新型的成分设计、制备工艺优化、组织精准调控,性能达到了抗拉强度大于800MPa、导电率大于50%IACS、软化温度大于500℃,其优异的性能有望用于新一代高性能引线框架和连接器中。
具体实施方式
本发明的一种高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,组分及其质量百分含量为:Ni 2.1~3.2%、Si 0.5~0.8%、Mg 0.02~0.1%、M 0~0.2%、N 0~0.08%,其余为Cu和不可避免的杂质,合金中Ni的质量百分含量与Si的质量百分含量之比为3.77~4.38,其中M为Fe或Zn中的至少一种,N为Ti或P中的至少一种。Cu-Ni-Si系合金是典型的时效强化型合金,主合金元素Ni和Si以Ni2Si相析出,其析出状态直接决定了合金带材的性能,通过本发明提供的成分设计和优化,确保了主合金元素Ni的成分范围为2.1%~3.2%,Si的成分范围为0.5%~0.8%,Ni/Si比为3.77~4.38,保证Ni和Si以Ni2Si相的充分析出。Cu-Ni-Si系合金中,微合金化元素(如Mg、Fe、Zn、Ti、P等)对合金的强度、导电性和抗高温软化性能有一定的影响作用,其中Mg和P降低了合金的空位结合能,提高了Ni2Si相的高温稳定性;Fe和Ti可以提高合金的强度;Zn和Cu完全互溶,对于合金的强度和耐蚀性都有帮助。在合金成分优化的基础上,结合制备工艺的优化,尤其是时效制度的优化,保证了合金析出相的大小、分布处于较好的状态,从而保证了合金的高性能。
本发明的合金的屈服强度为775MPa~842MPa、抗拉强度为792MPa~873MPa、显微硬度为213HV~247HV、导电率为46.0%~54.2%IACS。合金具有优异的抗高温软化性能,合金的抗高温软化温度为518℃~559℃。本发明制备的Cu-Ni-Si系合金带材中,通过TEM分析,合金中第二相粒子主要为Ni2Si相,合金中第二相粒子Ni2Si相的尺寸为5nm~50nm的粒子占比为90%~95%、尺寸为50nm~200nm的粒子占比为5%~8%、尺寸大于200nm的粒子占比小于等于2%。第二相粒子和基体的取向关系会影响合金的性能,如共格关系有利于合金强度的增加,而非共格关系会降低合金的强度;通过分析Cu-Ni-Si系合金带材,表明粒子的大小直接决定了其与基体之间的取向,尺寸分布在5~50nm的粒子和基体呈共格关系;50~200nm的粒子和基体基本呈半共格关系;大于200nm的粒子和基体呈非共格关系。
本发明的合金中R织构的体积分数为11.2%~14.2%、Goss织构的体积分数为6.1%~8.7%、S-1织构的体积分数为11.7%~15.6%、brass织构的体积分数为11.2%~17.3%。织构对合金的强度、导电性和抗高温软化性能都有较大的影响,织构的控制通过制备工艺的调整来实现,通过制备工艺优化,保证R、Goss、S-1、brass织构的体积分数在上述范围内,既保证了合金的强度和导电率,对抗高温软化性能的提高也有有益效果。
本发明为了开发高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金,建立了Cu-Ni-Si系合金的“成分-性能”数据库,数据来源主要为实验数据,初始数据量大于200组。
通过“成分-性能”数据库,明确主合金元素Ni、Si的含量范围和比例关系,确定了Ni的成分范围为2.1~3.2%,Si的成分范围为0.5~0.8%,Ni/Si比为3.77~4.38。
根据微合金化元素(如Mg、Fe、Zn、Ti、P等)对合金强度、导电性、高温软化性能的影响规律,结合“成分-性能”数据库,建立微合金化元素对合金强度、导电性、高温软化性能的影响大小,以此建立Cu-Ni-Si系合金成分与性能之间的关系。以新型Cu-Ni-Si系合金性能要求:强度>800MPa、导电率>50%IACS、软化温度>500℃为目标,通过Cu-Ni-Si系合金成分与性能之间的关系确定合金成分。
完善Cu-Ni-Si系合金的“成分-性能”数据库,加入制备工艺参数,形成“成分-工艺-性能”数据库,结合实验工艺,得到了合金的实际性能。
将实验数据输入数据库,按照上述步骤验证合金成分,提高合金成分及制备工艺的精度,强度精度大于90%,导电率精度大于93%,软化性能精度大于90%。最终确定的合金成分有3组,对应的制备工艺有3组。
在上述合金的制备工艺的基础上,通过实验制备合金进行验证,并在实验过程中,对制备工艺进行合理的优化。
本发明的高强导电抗高温软化Cu-Ni-Si系合金的制备方法,包括以下步骤:按照所述合金的组分及其质量百分含量取Ni、Si、Mg、M、N、Cu,作为原料;将原料依次进行熔铸、热轧、固溶、双面铣、初轧、一次时效、精轧、二次时效、终轧、清洗、包装,得到所述合金;热轧温度为890℃~940℃,热轧保温时间为2h~6h;一次时效温度为450℃~490℃,一次时效时间为4h~12h;二次时效温度为390℃~450℃,二次时效时间为0.5h~4h;终轧温度为650℃~800℃,终轧变形量为20%~50%。固溶通过控制热轧余温和快速淬水实现。
为了更好地理解本发明,下面将结合实施例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例中的拉伸性能测试按照国家标准《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》规定的测试方法进行测试;导电率测试按照国家标准《GB/T 32791-2016铜及铜合金导电率涡流测试方法》规定的方法测试合金的导电率;显微硬度测试按照国家标准《GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》规定的测试方法进行测量;软化温度测试按照国家标准《GB/T 33370-2016铜及铜合金软化温度的测定方法》规定的测试方法进行测量;第二相粒子的尺寸和结果根据样品TEM图谱进行统计,其中TEM图谱不少于10张,第二相粒子总数量不少于1000个;织构,即定量极图,测试根据行业标准《YB/T 5360-2020金属材料定量极图的测定X射线衍射法》规定的测试进行测量。
实施例1
合金的成分如表1所示,合金的加工制备工艺依次为熔铸、热轧、固溶、双面铣、初轧、一次时效、精轧、二次时效、终轧、清洗、包装。
熔铸:熔铸在中频炉中进行,按表1中实施例1所示的成分进行配料,其中Ni、Si、Mg、Fe、Ti以纯金属或者中间合金的形式加入,Cu以阴极铜的形式加入,全部熔化后保温温度为1250℃,浇铸温度为1200℃。
热轧和固溶:在步进式加热炉中对得到的铸锭进行处理,加热温度为920℃,保温时间为2h,采用9道次热轧,终轧温度为700℃,厚度为14mm~15mm,随后水冷,收卷。
双面铣:对热轧和固溶后的合金进行铣面,除去其氧化皮,铣完后厚度为13mm~14mm。
初轧:对双面铣后的合金进行初轧处理,总变形量为85%。
一次时效:合金初轧后,在钟罩炉中进行一次时效处理,时效温度为470℃,时效时间为8h。
精轧:对一次时效处理后的合金进行精轧处理,变形量为50%。
二次时效:在钟罩炉中进行二次时效处理,时效温度为420℃,时效时间为2h。
终轧:对二次时效处理后的合金进行终轧处理,变形量为37%,获得最终态板材,其加工制备参数如表2所示,主要性能和组织特征如表3所示。合金的SEM图谱(二次电子像)见图1。
实施例2
本实施例提供的Cu-Ni-Si系合金成分配比如表1所示,加工制备参数如表2所示,除此之外,其他工艺参数与实施例1相同,本实施例制备的合金的主要性能和组织特征如表3所示。
实施例3
本实施例提供的Cu-Ni-Si系合金成分配比如表1所示,加工制备参数如表2所示,除此之外,其他工艺参数与实施例1相同,本实施例制备的合金的主要性能和组织特征如表3所示。合金的SEM图谱(背散射电子像)见图2。
实施例4
本实施例提供的Cu-Ni-Si系合金成分配比如表1所示,加工制备参数如表2所示,除此之外,其他工艺参数与实施例1相同,本实施例制备的合金的主要性能和组织特征如表3所示。
实施例5
本实施例提供的Cu-Ni-Si系合金成分配比如表1所示,加工制备参数如表2所示,除此之外,其他工艺参数与实施例1相同,本实施例制备的合金的主要性能和组织特征如表3所示。
实施例6
本实施例提供的Cu-Ni-Si系合金成分配比如表1所示,加工制备参数如表2所示,除此之外,其他工艺参数与实施例1相同,本实施例制备的合金的主要性能和组织特征如表3所示。
表1实施例中合金的成分
表2实施例中合金的加工制备参数
表3实施例中合金的性能及组织特征
以上仅为本发明的实施例,但并不用于限制本发明的技术方案,凡在本发明的原则和思路之内所做的任何修改、替换、改进等,均包含在本发明的权利要求范围之内。