基于團(tuán)簇模型的Cu-Ni-Sn系導(dǎo)電Cu合金成分設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、導(dǎo)電彈性Cu合金具有良好的導(dǎo)電性能、優(yōu)異的力學(xué)性能及耐蝕性能等特性，被廣泛應(yīng)用于制作繼電器、開(kāi)關(guān)以及電連接器等電子元器件。鈹青銅(Cu-Be)、磷青銅(Cu-Sn-P)和銅鎳錫(Cu-Ni-Sn)合金是目前主要的導(dǎo)電彈性銅合金材料，其中鈹青銅合金在保持高導(dǎo)電性的同時(shí)兼具高強(qiáng)度和優(yōu)異的抗疲勞性能、耐熱性及彈性性能，可滿足高端彈性導(dǎo)電元件的要求，但合金成本較高并且有毒，故亟需尋找鈹青銅替代材料;磷青銅材料雖然成本較低，但強(qiáng)度和彈性性能遠(yuǎn)不及

2、鈹青銅，尤其導(dǎo)電性能只能滿足部分低端開(kāi)關(guān)的要求;而Cu-Ni-Sn合金的導(dǎo)電性能和強(qiáng)度介于鈹青銅和磷青銅之間，有望成為鈹青銅替代材料，然而多數(shù)傳統(tǒng)的Cu-Ni-Sn系Cu合金在滿足高強(qiáng)的同時(shí)其導(dǎo)電性仍有待進(jìn)一步提高(要求導(dǎo)電率不低于15.0％IACS)。因此，如何提升Cu-Ni-Sn系Cu合金的導(dǎo)電率是亟需解決的問(wèn)題，也是決定這類材料應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵。
　　Cu合金的導(dǎo)電性能反應(yīng)了基體的凈化程度，因此通過(guò)合金成分設(shè)計(jì)控制溶質(zhì)元素含量

3、與配比以實(shí)現(xiàn)所有溶質(zhì)元素盡可能地以第二相形式全部從基體中溶出是貫穿本文的研究思路。對(duì)于Cu-Ni-Sn體系，溶質(zhì)元素Ni和Sn在高溫固溶處理時(shí)溶于Cu基體中，形成過(guò)飽和的FCC(面心立方)結(jié)構(gòu)的α單相固溶體;進(jìn)而在后續(xù)低溫時(shí)效處理時(shí)， Ni和Sn以DO22型有序超結(jié)構(gòu)相(Cu,Ni)3Sn盡可能從Cu基體中溶出，在凈化Cu基體的同時(shí)實(shí)現(xiàn)第二相強(qiáng)化，由此同時(shí)保證了Cu合金的高強(qiáng)度和導(dǎo)電性。早期對(duì)Cu-Ni-Sn合金的研究表明，(Ni+Sn

4、)總量和Ni/Sn比例的變化的確影響了合金導(dǎo)電率與強(qiáng)度性能。然而，對(duì)這類合金溶質(zhì)元素的含量和成分比例控制仍通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)探索，還未見(jiàn)有合適的成分設(shè)計(jì)方法報(bào)道。因此，本文工作運(yùn)用自行發(fā)展的“團(tuán)簇加連接原子”合金設(shè)計(jì)方法對(duì)Cu-Ni-Sn系導(dǎo)電Cu合金進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)的探索。以有望代替鈹銅的C72700(Cu-9Ni-6Sn，wt.％)合金為研究背景，首先根據(jù)團(tuán)簇設(shè)計(jì)方法在Cu-Ni-Sn三元體系中設(shè)計(jì)兩個(gè)成分系列:[Cu-Cu12](Sn1

5、/4Ni3/4)xCu6-x（系列一）和[Cu-Cu12](Sn1/1+yNiy/1+y)2.5Cu3.5(系列二)，以綜合研究溶質(zhì)元素(Ni+Sn)總量和Ni/Sn比例的變化對(duì)Cu合金導(dǎo)電性能和硬度的影響，從中獲取最佳(Ni+Sn)總量和Ni/Sn比例;進(jìn)而在此基礎(chǔ)上添加微量合金化元素Fe、Mn和Nb（為工業(yè)中需要控制的元素），形成系列三[Cu-Cu12](Fem(Niy/(1+y)Sn1/(1+y))nMn0.044Nb0.013C

6、u3.5）（m+n+0.044+0.013=2.5,y為Ni/Sn比），用于研究微量合金化元素對(duì)合金導(dǎo)電性降低和硬度提升的幅度，由此給出確保合金導(dǎo)電性的微量合金化元素添加的成分范圍，并為工業(yè)合金中雜質(zhì)元素Fe含量的控制范圍提供理論依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)Cu-Ni-Sn系Cu合金的優(yōu)化目的。
　　采用真空電弧熔煉工藝制備合金錠，為使合金鑄錠中各元素盡可能均勻分布，減少鑄錠中Sn的偏析，首先將合金錠在1073 K、真空度為6×10-3 Pa真空

7、條件下保溫12 h均勻化處理并水淬;隨后進(jìn)行1093K/1 h固溶+75％變形冷軋+673 K/2 h時(shí)效處理。利用OM、XRD、SEM、TEM等設(shè)備對(duì)不同狀態(tài)下的合金進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢測(cè)與分析，并采用維氏硬度計(jì)、金屬導(dǎo)電率測(cè)量?jī)x、MTS納米壓痕儀對(duì)合金進(jìn)行硬度、導(dǎo)電性和彈性性能的檢測(cè)。所得結(jié)論如下:
　　(1)在Cu-Ni-Sn合金中，當(dāng)溶質(zhì)元素Ni/Sn比y=3，即為(Cu，Ni)3Sn成分比例時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理的系列合金（系列一）

8、的導(dǎo)電率隨溶質(zhì)元素(Ni+Sn)總量增加而降低(19.1→13.1％IACS)，而硬度變化趨勢(shì)則相反(226→300 HV);彈性模量E隨(Ni+Sn)總量變化基本保持不變。為確保Cu合金的導(dǎo)電率不低于15.0％IACS并具有一定的強(qiáng)度，溶質(zhì)元素(Ni+Sn)總量范圍應(yīng)為10.0 at.％≤(Ni+Sn)≤16.0 at.％(12.0 wt.％≤(Ni+Sn)≤18.0wt.％）。
　　(2)在Cu-Ni-Sn合金中，當(dāng)(Ni+S

9、n)總量不變，改變Ni/Sn比例y時(shí)，發(fā)現(xiàn)變形時(shí)效后的系列Cu合金（系列二）的導(dǎo)電率隨溶質(zhì)元素Ni/Sn比例增加而降低(21.3→17.2％IACS)，而硬度對(duì)Ni/Sn的變化不大，約為206～227HV;且當(dāng)Ni/Sn比y=2.0和2.5時(shí)，合金具有較高的導(dǎo)電率。
　　(3)在Fe、Mn和Nb多元微合金化的Cu-Ni-Sn合金中，微量元素Fe對(duì)Cu-Ni-Sn合金導(dǎo)電性能影響很大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:導(dǎo)電率隨Fe含量增多逐漸降低，故需

10、要將Fe元素控制在0.33at.％(0.30 wt.％)以下，更易于使其導(dǎo)電率達(dá)到15.0％IACS的要求;合金的硬度對(duì)Fe含量的變化不敏感。最終獲得的性能較好的多元Cu-Ni-Sn系合金為[Cu-Cu12](Fe0.063(Ni2/3Sn1/3)2.38Mn0.044Nb0.013Cu3.5)(=Cu84.36Ni7.49Sn7.58Fe0.28Mn0.20Nb0.09wt.％)，時(shí)效處理后的導(dǎo)電率為16.7％IACS，硬度HV=29