基于團簇模型的Cu-Ni-Sn系導電Cu合金成分設計與性能研究.pdf

1、導電彈性Cu合金具有良好的導電性能、優(yōu)異的力學性能及耐蝕性能等特性，被廣泛應用于制作繼電器、開關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電彈性銅合金材料，其中鈹青銅合金在保持高導電性的同時兼具高強度和優(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，但強度和彈性性能遠不及

2、鈹青銅，尤其導電性能只能滿足部分低端開關的要求;而Cu-Ni-Sn合金的導電性能和強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合金在滿足高強的同時其導電性仍有待進一步提高(要求導電率不低于15.0％IACS)。因此，如何提升Cu-Ni-Sn系Cu合金的導電率是亟需解決的問題，也是決定這類材料應用發(fā)展的關鍵。
　　Cu合金的導電性能反應了基體的凈化程度，因此通過合金成分設計控制溶質元素含量

3、與配比以實現(xiàn)所有溶質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。對于Cu-Ni-Sn體系，溶質元素Ni和Sn在高溫固溶處理時溶于Cu基體中，形成過飽和的FCC(面心立方)結構的α單相固溶體;進而在后續(xù)低溫時效處理時， Ni和Sn以DO22型有序超結構相(Cu,Ni)3Sn盡可能從Cu基體中溶出，在凈化Cu基體的同時實現(xiàn)第二相強化，由此同時保證了Cu合金的高強度和導電性。早期對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電率與強度性能。然而，對這類合金溶質元素的含量和成分比例控制仍通過大量的實驗探索，還未見有合適的成分設計方法報道。因此，本文工作運用自行發(fā)展的“團簇加連接原子”合金設計方法對Cu-Ni-Sn系導電Cu合金進行了成分設計的探索。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)團簇設計方法在Cu-Ni-Sn三元體系中設計兩個成分系列:[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)，以綜合研究溶質元素(Ni+Sn)總量和Ni/Sn比例的變化對Cu合金導電性能和硬度的影響，從中獲取最佳(Ni+Sn)總量和Ni/Sn比例;進而在此基礎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合金導電性降低和硬度提升的幅度，由此給出確保合金導電性的微量合金化元素添加的成分范圍，并為工業(yè)合金中雜質元素Fe含量的控制范圍提供理論依據(jù)，以實現(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;隨后進行1093K/1 h固溶+75％變形冷軋+673 K/2 h時效處理。利用OM、XRD、SEM、TEM等設備對不同狀態(tài)下的合金進行微觀結構檢測與分析，并采用維氏硬度計、金屬導電率測量儀、MTS納米壓痕儀對合金進行硬度、導電性和彈性性能的檢測。所得結論如下:
　　(1)在Cu-Ni-Sn合金中，當溶質元素Ni/Sn比y=3，即為(Cu，Ni)3Sn成分比例時，經(jīng)過時效處理的系列合金（系列一）

8、的導電率隨溶質元素(Ni+Sn)總量增加而降低(19.1→13.1％IACS)，而硬度變化趨勢則相反(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合金的導電率不低于15.0％IACS并具有一定的強度，溶質元素(Ni+Sn)總量范圍應為10.0 at.％≤(Ni+Sn)≤16.0 at.％(12.0 wt.％≤(Ni+Sn)≤18.0wt.％）。
　　(2)在Cu-Ni-Sn合金中，當(Ni+S

9、n)總量不變，改變Ni/Sn比例y時，發(fā)現(xiàn)變形時效后的系列Cu合金（系列二）的導電率隨溶質元素Ni/Sn比例增加而降低(21.3→17.2％IACS)，而硬度對Ni/Sn的變化不大，約為206～227HV;且當Ni/Sn比y=2.0和2.5時，合金具有較高的導電率。
　　(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Cu-Ni-Sn合金導電性能影響很大，實驗結果表明:導電率隨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，更易于使其導電率達到15.0％IACS的要求;合金的硬度對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.％)，時效處理后的導電率為16.7％IACS，硬度HV=29