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。
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
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。
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。
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。