某發(fā)動(dòng)機(jī)用Cu-Ni-Si生產(chǎn)工藝的確定

吳文博， 崔書輝， 鄭學(xué)清， 邢美山

（1.西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 石嘴山753000；2.寧夏中色新材料有限公司鈹銅分廠，寧夏 石嘴山753000）

隨著世界電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，引線框架用銅合金帶材取得了驚人的發(fā)展，不僅用量增加，而且產(chǎn)品品種也不斷的更新?lián)Q代[1]。引線框架材料作為關(guān)鍵體，在半導(dǎo)體元器件和集成電路中發(fā)揮了不可替代的作用。目前國際市場上的引線框架材料中，有80%以上是銅基引線框架材料[2-3]。Cu-Ni-Si合金具有很高的加工硬化特性，經(jīng)過固溶處理、強(qiáng)冷變形、時(shí)效處理后，提高了材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率[4]。

隨著汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，以及國內(nèi)汽車產(chǎn)量的大幅增加，新能源汽車市場逐漸擴(kuò)大的同時(shí)傳統(tǒng)汽車用量不減，以致于發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器用銅帶供不應(yīng)求[5-7]。目前市場所需大部分仍然依賴進(jìn)口[8]。國內(nèi)部分企業(yè)也瞄準(zhǔn)這一市場，加大科研力度，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了適用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的框架材料。這部分產(chǎn)品雖然也能滿足一部分需求，但存在著生產(chǎn)周期長、成品率偏低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，規(guī)?；a(chǎn)受到較大制約。因Cu-Ni-Si合金是目前熱門的研發(fā)方向，各企業(yè)對(duì)自己研發(fā)的工藝都嚴(yán)格保密。無法獲取更具體的情況，只能通過市場反饋得知，目前國內(nèi)企業(yè)Cu-Ni-Si合金的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能平衡點(diǎn)沒有掌握好[9]，力學(xué)性能滿足要求時(shí)導(dǎo)電性能有所欠缺，而導(dǎo)電性能達(dá)到要求時(shí)，力學(xué)性能無法滿足發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器的使用。

因此，公司通過實(shí)驗(yàn)，明確了某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流Cu-Ni-Si合金成品熱處理工藝，使得最終產(chǎn)品的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能完全滿足客戶要求。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料及客戶要求

試驗(yàn)材料為公司生產(chǎn)的Cu-Ni-Si合金，其化學(xué)成分如表1所列。

表1 Cu-Ni-Si合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of strip單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

從表1可以看出：此次實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分完全符合ASTM B888標(biāo)準(zhǔn)[10]中對(duì)于Cu-Ni-Si合金的要求。

某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流Cu-Ni-Si合金成品的力學(xué)性能及電性能要求如表2所列。

表2 性能要求Table 2 Performance Requirement

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝

根據(jù)前期公司其他用途的Cu-Ni-Si合金的生產(chǎn)工藝，將大電流連接器用Cu-Ni-Si合金的生產(chǎn)工藝初步確定如下：

鑄錠加熱→熱軋→雙面銑→粗軋→橫剪切邊→中間產(chǎn)品退火→中間產(chǎn)品清洗→預(yù)成品軋制→預(yù)成品固溶熱處理。

后續(xù)工藝按照后續(xù)制定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行。

1.3 檢測設(shè)備

拉伸試驗(yàn)：INSTRON 5582萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測；

HV硬度檢測：HMV-2T型顯微硬度計(jì)；

金相檢測：Leitz WETZLAR MM6型金相顯微鏡；導(dǎo)電率：FD-102便攜式渦流導(dǎo)電儀。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)以0.35 mm成品為例，前期鑄錠加熱、熱軋、雙面銑、粗軋、中間退火及清洗工藝均保持一致，只是對(duì)最終成品的退火工藝和最終成品的冷軋加工率進(jìn)行調(diào)整。

首先確認(rèn)最終成品的冷軋加工率，見表3。

表3 冷軋實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Cold rolling experiment programs

根據(jù)前期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及陽大云等[11]的實(shí)驗(yàn)可知，Cu-Ni-Si合金的時(shí)效時(shí)間為3 h，因此，只對(duì)不同加工率和時(shí)效溫度進(jìn)行研究。

2 分析與討論

根據(jù)鄭子樵[12]編著的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中的內(nèi)容：經(jīng)過冷變形的金屬材料加熱到一定溫度之后，在原來的變形組織中重新產(chǎn)生無畸變的新晶粒，即再結(jié)晶。再結(jié)晶后，金屬材料的性能發(fā)生明顯的變化并恢復(fù)至完全軟化狀態(tài)。再結(jié)晶溫度和結(jié)晶后晶粒大小與加熱速度、冷變形程度等有關(guān)[13]。

按照表4中確定的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行逐一實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析，以確定最終的工藝流程。

2.1 不同冷軋加工率后材料力學(xué)性能

分別對(duì)加工為50%和65%軋至0.35 mm且未進(jìn)行時(shí)效前的物料進(jìn)行取樣，檢測不同加工率加工后材料的力學(xué)性能，結(jié)果如表4所列。

表4 不同加工率下的材料力學(xué)性能Table 4 Result for experiment programs

表4中，不考慮熱處理工藝，只對(duì)不同加工率下的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，從檢測結(jié)果可以看出：隨著冷軋加工率的增加，物料的HV硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等指標(biāo)明顯上升，延伸率和導(dǎo)電率下降明顯。

在冷軋過程中，晶粒被壓扁、拉長、晶粒破碎，使金屬的塑性降低、強(qiáng)度和硬度增高[14]。隨著形變量的增大，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)和各種位錯(cuò)之間，以及各種運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)之間，便會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的交互作用[15]。形變愈大，晶粒的細(xì)碎程度愈大，亞晶界的量便愈多，位錯(cuò)密度便顯著增大；同時(shí)，細(xì)碎的亞晶粒也隨著晶粒的拉長而被拉長[16]，如圖1所示。

隨著形變量的增大，由于晶粒破碎和位錯(cuò)密度的增加，金屬的塑性變形抗力將迅速增大，即硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降[17]。同時(shí)，冷變形對(duì)合金電導(dǎo)率的影響主要是通過對(duì)晶體點(diǎn)陣完整性的破壞，造成缺陷增多，電子波散射增加，從而引起電導(dǎo)率下降[18]。

2.2 不同時(shí)效工藝的分析

通過前面的分析可知，由于在變形中產(chǎn)生晶格畸變，在外力作用下通過運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)產(chǎn)生形變時(shí)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)使有序疇內(nèi)產(chǎn)生反相疇界，反相疇面積增大[19]。晶粒的拉長和細(xì)化，出現(xiàn)亞結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生不均勻變形等，使金屬的變形抗力指標(biāo)隨著程度的增加升高，塑性指標(biāo)降低。為滿足最終的力學(xué)性能指標(biāo)，需要對(duì)其配合熱處理[20]。

通過6組實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果如表5所列。

對(duì)拉力學(xué)性能和電性能統(tǒng)計(jì)，并繪制波動(dòng)圖，結(jié)果如圖2所示。

硬度值和電性能如圖3所示。

由圖2、圖3可知：冷加工的加工率為50%時(shí)，隨著時(shí)效溫度的提高，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、HV硬度均呈上升趨勢(shì)，而延伸率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)冷加工的加工率為65%時(shí)，隨著時(shí)效溫度的提高，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、HV硬度反面呈下降趨勢(shì)，而延伸率呈上升趨勢(shì)。

表5 不同實(shí)驗(yàn)方案所測得的結(jié)果Table 5 Result for experiment programs

與此同時(shí)，電性能無論是在哪個(gè)加工率下，隨著時(shí)效溫度的提高，導(dǎo)電率一直呈上升趨勢(shì)。

根據(jù)hell-pitch關(guān)系可知，晶粒度大小對(duì)材料性能的影響很大[10]，影響主要表現(xiàn)在塑性和蠕變等方面。特別是在高溫使用情況下，為了降低高溫蠕變，一般需要采用大晶粒；而在低溫下，為了提高金屬塑性和韌性，一般要求采用細(xì)晶粒[21]。

合金的電導(dǎo)率主要取決于銅基體中溶質(zhì)原子的濃度，溶質(zhì)原子濃度越低，對(duì)自由電子的散射作用越弱，電導(dǎo)率就越高[22]。冷變形對(duì)合金電導(dǎo)率的影響主要是通過對(duì)晶體點(diǎn)陣完整性的破壞，造成缺陷增多，電子波散射增加，從而引起電導(dǎo)率下降[23]。

大電流連接器用Cu-Ni-Si合金經(jīng)不同的冷變形和時(shí)效工藝后的力學(xué)性能和電性能的這種變化，是由于在時(shí)效初期，冷加工過程中儲(chǔ)存的能量較大，使得Ni、Si原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，因此第2相的析出速度較快[24]。后續(xù)隨著時(shí)效溫度的提高，并配合較大的冷加工的加工率，第2相開始長大，所以拉伸性能和硬度值也開始降低。

2.3 不同工藝下的物料金相

分析不同工藝下的金相，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：合金經(jīng)冷加工變形后，在時(shí)效過程中會(huì)發(fā)生析出相變。經(jīng)冷變形再時(shí)效可加速第2相析出過程[25]。在冷加工后的時(shí)效過程中，析出的彌散相能有效地阻止位錯(cuò)與晶界的移動(dòng)，從而提高合金的強(qiáng)度。隨時(shí)效時(shí)間的延長，基體中固溶元素不斷析出，電導(dǎo)率持續(xù)上升，但隨著時(shí)間的推移，基體中固溶元素含量減少，析出動(dòng)力減小，析出速度減慢，故電導(dǎo)率上升趨勢(shì)變慢[26]。因此，冷加工率為50%后在500℃下時(shí)效3 h，材料的力學(xué)性能和電性能可達(dá)到：HV（0.3kg）為 205±10，抗拉強(qiáng)度為（650±45） MPa、屈服強(qiáng)度為（540±70）MPa，延伸率大于 13%，導(dǎo)電率大于42%IACS，完全滿足某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器用Cu-Ni-Si合金的使用要求。

對(duì)照客戶需求的力學(xué)性能和電性能，冷加工率為50%、時(shí)效工藝為500℃×3 h和冷加工率為65%、時(shí)效工藝為460℃×3 h時(shí)產(chǎn)品的力學(xué)性能和電性能完全滿足客戶要求。但考慮到公司的設(shè)備能力，在冷加工率超過50%時(shí)，容易出現(xiàn)板型不良等質(zhì)量問題，同時(shí)結(jié)合公司的生產(chǎn)效率等因素綜合考慮，適用于公司生產(chǎn)某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器用Cu-Ni-Si合金帶材的較優(yōu)工藝應(yīng)為冷加工率為50%、時(shí)效工藝為500℃×3 h。

2.4 生產(chǎn)工藝驗(yàn)證

經(jīng)過攻關(guān)，確定了某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器用Cu-Ni-Si合金帶材的較優(yōu)工藝。公司在此工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行量產(chǎn)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年1～6月份，共計(jì)發(fā)貨215.3 t，月均發(fā)貨近35.9 t，為公司創(chuàng)造了良好的效益。

統(tǒng)計(jì)6月份發(fā)貨的產(chǎn)品，共計(jì)45.2 t，以卷數(shù)計(jì)，為22卷，其力學(xué)性能波動(dòng)范圍如表6所列。

表6 客戶要求與實(shí)際檢測結(jié)果對(duì)照Table 6 Customer requirements and measured results

表6可以看出：通過該工藝生產(chǎn)的物料，其力學(xué)性能，包括導(dǎo)電率均完全滿足客戶要求，且形成規(guī)模銷售，成為公司主要產(chǎn)品之一。

3 結(jié) 論

1）在相同的前提下，隨著冷軋加工率的增加，物料的HV硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等指標(biāo)明顯上升，延伸率和導(dǎo)電率下降明顯。

2）冷加工的加工率為50%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、HV硬度隨著時(shí)效溫度的提高，呈上升趨勢(shì)，而延伸率呈下降趨勢(shì)，而電性能呈上升趨勢(shì)。

3）冷加工的加工率為65%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、HV硬度隨著時(shí)效溫度的提高，反面呈下降趨勢(shì)，延伸率呈上升趨勢(shì)；但電性能仍呈上升趨勢(shì)。

4）結(jié)合公司的設(shè)備能力及生產(chǎn)效率，客戶對(duì)于產(chǎn)品的力學(xué)性能要求等因素綜合考慮，將某發(fā)動(dòng)機(jī)大電流連接器用Cu-Ni-Si合金帶材的較優(yōu)工藝確定為：冷加工率為50%、時(shí)效工藝為500℃×3 h。在此工藝下，可獲得 HV（0.3kg）在 195～215之間、抗拉強(qiáng)度在630～710 MPa之間，屈服強(qiáng)度在470～600 MPa之間延伸率大于13.5%、導(dǎo)電率大于40%IACS的合格材料。