高强高导铜合金的成分与制备工艺优化

论文摘要

随着电子工业的发展,满足超大规模集成电路引线框架材料的理想性能要求为：抗拉强度σb>600MPa,显微硬度HV>180,导电率>80%IACS,软化温度>500℃,研究人员从形变强化、固溶强化、析出强化、细晶强化、复合强化等方面研制高强高导铜基材料。为获得上述理想性能指标,建立一套我国自主的高强高导铜合金材料体系势在必行。本文针对高强高导铜合金成分设计、熔炼工艺和热处理制度对显微组织结构及性能关系等方面进行了系统研究,并在此基础上实现合金成分和工艺的优化,最终得到优良综合性能的合金。结果如下：（1）铜合金液凝固时采用更大的冷却速度,可以降低合金的成分偏析,获得更均匀的组织和性能。浇注前降低合金液的温度后进行带电浇注,浇注速度应缓慢,在整个过程中采用先缓后稍快最后再减缓的速度进行浇注,可以得到质地更均匀,更致密和缩孔较浅的铜合金铸棒。（2）对合金的成分研究表明：添加稀土Y比加入稀土Nd可以得到更高的硬度,更稳定的性能和更均匀的组织,起到更好的添加效果；析出强化合金Cr元素的加入量应适当,其添加量为0.8wt%时可以得到优良的力学与电学综合性能；Zr元素的加入,可以显著改善合金的显微组织,细化晶界,减少Cu-Cr共晶组织的产生,提高合金的显微硬度并提高合金的热稳定性,其加入量在0.2wt%时可以获得优良的硬度与导电率匹配的综合性能；综上得到两种较优性能的合金成分配比,一种是不加入Zr合金元素,硬度略低,但导电率较高的Cu-0.8Cr-0.05Y（wt%）合金成分,另一种是加入Zr元素,硬度值较高但导电率略低的Cu-0.8Cr-0.2Zr-0.05Y（wt%）合金成分。（3）合金经过70%形变,形变量不足；当形变量增加到90%时,晶粒明显被拉长,能产生较多的空位及位错等缺陷,为固溶原子提供更多的析出通道,利于后期时效的析出,其形变强化效果显著。（4）研究合金热处理中的固溶工艺、时效温度和时效时间对试样的组织及性能的影响后,得到较好的制备工艺：Cu-0.8Cr-0.05Y合金采用90%形变+480℃×12min时效处理,可以获得硬度为176HV,抗拉强度540MPa,导电率达84.8%IACS,软化温度为525±5℃的优良综合性能；Cu-0.8Cr-0.2Zr-0.05Y合金采用90%形变+500℃×60min时效处理,其硬度为194HV,抗拉强度552MPa,导电率可达83.3%IACS,软化温度高达580±5℃的优良性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高强高导铜合金研究现状
• 1.2.1 高强高导铜合金强化机制
• 1.2.2 高强高导铜合金的制备工艺及方法
• 1.2.2.1 冷变形时效热处理法
• 1.2.2.2 固溶时效热处理法
• 1.2.2.3 快速凝固法（RS法）
• 1.2.2.4 机械合金化法（MA法）
• 1.2.2.5 复合材料法
• 1.2.3 高强高导铜合金种类及性能
• 1.3 稀土在铜基合金中的作用
• 1.4 课题来源及意义
• 1.5 本文研究的技术路线及主要内容
• 第2章 材料制备工艺与实验方法
• 2.1 实验用原材料及所用设备
• 2.2 材料制备
• 2.2.1 合金成分设计
• 2.2.2 合金的熔炼与铸造
• 2.2.3 合金铸锭加工
• 2.2.4 热处理工艺过程
• 2.3 材料性能测试
• 2.3.1 导电性能测试
• 2.3.2 力学性能测试
• 2.4 显微组织结构及物相分析
• 2.4.1 金相观察
• 2.4.2 XRD物相分析
• 2.4.3 能谱成分分析
• 2.4.4 扫描电子显微镜观察
• 第3章 铜合金液不同冷却速度对铸锭的影响
• 3.1 冷却速度对金属结构与性能的影响
• 3.2 不同浇注模具对Cu-0.8Cr-0.05Y铸锭的影响
• 3.2.1 铁模和紫铜模浇注的合金铸锭性能
• 3.2.2 不同模具浇注的合金性能比对分析
• 3.3 不同的浇注速度对铜基合金铸锭的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 合金成分对铜基合金的影响
• 4.1 分别添加稀土Nd和Y对铜合金的影响
• 4.2 不同Cr含量对试样组织及性能的影响
• 4.3 不同Zr含量对试样组织及性能的影响
• 4.4 较优性能的合金成分
• 第5章 铜基合金形变与热处理工艺的研究
• 5.1 不同形变量对合金组织及性能的影响
• 5.2 不同热处理对合金的影响
• 5.2.1 固溶工艺对Cu-Fe-RE和Cu-Cr-Y性能的影响
• 5.2.2 不同时效温度对试样的影响
• 5.2.3 不同时效时间对试样的影响
• 5.3 合金的软化温度
• 5.4 合金的抗拉强度及延伸率
• 5.5 较优性能的合金形变与热处理工艺
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况