高强导电Cu-Ni-Si合金的成分与性能关联研究

论文摘要

高强导电Cu-Ni-Si合金广泛用于电子元器件,特别适合于引线框架和连接器接头。该合金的强度和导电率等性能对成分特别敏感,而工业标准往往给出非常宽泛的成分范围,如应用最为广泛的C7025合金,其合金化元素质量百分数分别为:2.2～4.2 Ni,0.25～1.2 Si,0.05～0.3 Mg,各元素给定的成分范围远大于该元素的绝对含量。但是,在满足上述宽泛成分区间的前提下,工业界往往采用更加严格的成分配比,导致成分配方和产品性能各异,鉴于此迫切需要找到适用于Cu-Ni-Si合金的定量成分设计方法。固溶体Cu-Ni-Si合金的热处理工艺均为固溶加时效,而固溶体以化学近程序为结构特征,本文利用描述固溶体的团簇加连接原子模型理解和设计合金成分。该模型将固溶体合金的化学近程序结构简化为一个覆盖第一近邻和次近邻的结构单元,由第一近邻配位多面体团簇和若干个位于次近邻的连接原子构成,表示为[团簇]（连接原子）x。依据此模型设计系列Cu-Ni-Si合金的成分,研究其与性能的关系,并研发了系列四、五组元Cu-Ni-Si基合金,确定成分设计时在不同的成分区间Ni、Si原子比应如何设定,实现了合金成分的精确定量设计,将成分、结构和性能关联起来。主要结论如下:在at.%Cu含量小于95的浓溶质区,采用单团簇式模型[M-Cu12]（Cu）～6设计合金成分,在at.%Cu含量大于或等于95的稀溶质区,采用含有溶质的结构单元{[M-Cu12]（Cu）3}和基体纯Cu结构单元{[Cu-Cu12]（Cu）3}混合的双团簇模型设计合金成分。在Cu-Ni-Si三元体系合金中M代表Ni和Si,依据团簇选取准则选定δ-Ni2Si析出相的团簇式为[Ni-Ni8Si5]Ni,其中方括号内的团簇为该相的主团簇,因此M=Ni10/15Si5/15。在三元Cu-Ni-Si合金基础上,通过添加与Si的混合焓的绝对值均大于Cu与Si的混合焓、易形成析出相的类Ni元素Fe、Cr、Mo和Zr进行微合金化,这些微合金化元素替代Ni10/15Si5/15团簇成分式中的Ni原子后,M可表示为（Ni,Fe,Cr,Mo,Zr）10/15Si5/15。团簇加连接原子模型设计的简化成分式为（Ni10/15Si5/15）mCun的Cu-Ni-Si系列三元合金,其中溶质总量为m个原子。样品通过铜模铸造制备,并经过950℃/1h固溶加450℃/4h时效处理。通过组织、硬度、导电率的表征,揭示出一个at.%Cu在95～95.8的成分敏感区,该区间内硬度和导电率与成分之间呈不规则性关联,难以通过工艺精确控制性能,合金成分要尽量避免落在此成分区内。这种敏感区的不可控性和在成分敏感区以外的合金规律性变化呈现鲜明对比,即溶质浓度高于和低于成分敏感区的浓、稀溶质区内,维氏硬度与 at.%Cu 分别满足HV=-12.6 ×（at.%Cu）+1362.7 和HV=-26.2 ×（at.%Cu）+2722.3的关系,导电率与at.%Cu的关系则分别为σ=0.2 ×（at.%Cu）+28.6和σ=5.2 ×（at.%Cu）-466。为进一步提高强度,在三元Cu-Ni-Si合金的基础上,添加元素Cr、Fe、Mo和Zr,设计了系列浓溶质区内基础团簇式为[M-Cu12]Cu3 的 Cu93.75[（Ni,Zr）3..75（Cr,Fe,Mo）0.42]Si2.08合金。经过950℃/1h固溶水淬和450℃/4h时效水淬热处理后,合金的维氏硬度均超过了 250 kgf/mm2（抗拉强度相当于825 MPa）,同时保持导电率不低于35%IACS。特别是五元合金 Cu93.75Ni3.54Si2.08Fe0.42Zr0.21,硬度达 272 kgf/mm2（抗拉强度相当于 900 MPa）,可与KLFA85相媲美,导电率保持在35%IACS水平。在进行Cu-Ni-Si合金成分设计时,当合金的导电性成为成分设计的主因时,在90<at.%Cu<95.63这一成分区间,Ni、Si原子比值按2设计;在95.63≤at.%Cu<97.5这一成分区间,Ni、Si原子比值按2.5设计;at.%Cu ≥ 97.5,Ni、Si原子比值按2、2.5或3中任一值设计均可,性能上几乎无差别。如果合金的强度成为成分设计的主因,在90<at.%Cu<93.93 时,Ni、Si 原子比值按 2 设计;93.93 ≤at.%Cu<94.34 时,Ni、Si原子比值按2.5设计;94.34≤at.%Cu<95.63时,Ni、Si原子比值按3设计;95.63 ≤at.%Cu<96.12 时,Ni、Si 原子比值按 2.5 设计;96.12≤at.%Cu<97.5 时,Ni、Si 原子比值按2设计;at.%Cu ≥ 97.5时,Ni、Si原子比值按2、2.5或3中任一值设计皆可。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 合金化元素对铜合金性能的影响
•   1.2 高强导电铜合金的强化机制、导电原理和应用
•   1.3 固溶体合金结构模型
•   1.4 本文主要研究思路与内容
• 2 Cu-Ni-Si系铜合金的成分设计
•   2.1 Cu-Ni-Si系铜合金相团簇的选取
• 2Si相团簇式的选取'>    2.1.1 δ-Ni₂Si相团簇式的选取
• 3Si相团簇式的选取'>    2.1.2 β-Ni₃Si相团簇式的选取
•   2.2 Cu-Ni-Si三元合金成分设计
•   2.3 多组元Cu-Ni-Si系铜合金成分设计方法
•   2.4 本章小结
• 3 实验方法
•   3.1 实验原料
•   3.2 样品制备
•     3.2.1 合金锭熔炼
•     3.2.2 热处理
•     3.2.3 材料表征与性能测试
• 4 Cu-Ni-Si系铜合金成分规律
•   4.1 微结构
•   4.2 合金性能随Cu含量变化规律
•   4.3 单团簇模型连接原子分别为1和3的Cu-Ni-Si-M合金性能
•     4.3.1 微结构
•     4.3.2 合金的性能
•   4.4 本章小结
• 5 多组元Cu-Ni-Si系铜合金成分及性能研究
• 93.75[（Ni,Zr）_3.75（Cr,Fe,Mo）_0.42]合金实验结果分析'>  5.1 系列Cu_93.75[（Ni,Zr）_3.75（Cr,Fe,Mo）_0.42]合金实验结果分析
•     5.1.1 微结构
•     5.1.2 维氏硬度和导电性
•   5.2 设计的其它多元合金
•   5.3 本章小结
• 6 成分设计时Ni、Si比值的设定
•   6.1 实验结果与讨论
•     6.1.1 微观形貌
•     6.1.2 导电性和维氏硬度
•   6.2 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 创新点摘要
•   7.3 展望
• 参考文献
• 附录A 混合焓表
• 附录B 原子和离子半径
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李冬梅

导师: 董闯

关键词: 合金,团簇加连接原子模型,成分设计,硬度,导电率

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,金属学及金属工艺

单位: 大连理工大学

分类号: O469;TG146.11

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003510

总页数: 122

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