高强高导Cu-Cr-Zr合金亚快速凝固工艺-组织-性能研究

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Cu-Cr-Zr合金作为一种典型的时效-析出强化型铜合金,是目前研制出的唯一能满足超大规模集成电路引线框架材料的高强高导铜合金,要求抗拉强度≥600MPa,导电率≥ 80%IACS,已然成为第三代高性能铜合金材料的代表。传统热轧工艺流程生产Cu-Cr-Zr合金主要存在偏析严重、固溶度低以及工艺繁琐的问题,生产效率低且成本高。国内外相关研究已经表明,增加合金凝固时的速率不仅可以有效提高Cr和Zr在铜基体中的固溶度,配合较大的过冷度和非匀质形核还可以有效抑制元素偏析和细化晶粒,从而达到增强固溶强化和细晶强化的效果。鉴于此,本课题将双辊薄带连铸工艺引入到高强高导Cu-Cr-Zr合金的制备过程中,通过系统研究Cu-Cr-Zr合金在亚快速凝固条件下凝固组织特点、元素偏析行为以及固溶效果,根据全流程中的组织性能演变特点,分析合金在不同工艺状态的强化机理和导电机理,得出了最佳性能的工艺路线和组织、析出特点,为实现合金高效制备提供理论基础。本文主要研究结果如下:(1)薄带连铸亚快速凝固可以有效细化晶粒,抑制Cr元素的偏析,极大提高Cr和Zr在铜基体中的固溶度,为后续时效过程创造了有利条件。实验结果表明,铸带组织中存在大量位错和亚结构等晶体缺陷,经DSC分析,在975℃有微小热流峰值。铸带组织相当于传统工艺热轧+部分固溶效果的组织,所以在该工艺中可以省去繁琐的均匀化和热轧过程,在975℃需要固溶一定时间。(2)铸带在975℃固溶时,随着固溶时间的延长,铸带中不同类型的晶粒开始长大,逐渐融合、交织,在溶入基体的合金元素造成的弹性应变场和界面能的驱动作用下晶界进一步迁移,逐渐趋向于等轴晶。Cr元素伴随着晶界的迁移,偏析得到抑制。在2h时,达到最佳固溶效果,此时,合金硬度为68.7HV,导电率为34.6%IACS。(3)一次时效过程中,随着时效温度的提高和时间的延长,合金抗拉强度和硬度都呈先上升后下降的趋势;导电率先快速上升达到峰值后,再缓慢上升。Cu-0.8Cr-0.1Zr合金经95%冷轧变形和450℃×2h时效后,达到一次时效的最佳综合性能,抗拉强度、硬度和导电率分别为563MPa、227.1HV和85.6%IACS。(4)一次冷轧变形量对最终二次时效后的性能影响最大,一次变形量越大,二次冷轧时析出粒子引起的弹性应变就越小,合金均匀变形,引发较多的位错,极大增强二次时效析出动力。一次冷轧90%+450℃×3h时效+二次冷轧80%的合金,在300℃×0.5h二次时效后,达到最终的最佳综合性能,抗拉强度为669MPa,硬度为238.2HV,导电率为84.3%IACS。此时,合金强化机制主要是共格强化,位错切割强化粒子提高表面能,强化基体,同时起主强化作用的体心立方结构Cr相和面心立方结构的Cu基体保持着显著的N-W位相关系,基体贫化加剧是保持高导电率的主要原因。
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