馬玉霞， 黨淑娥， 陳慧琴

(太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

Cu-Cr-Zr合金作為電連接器引線框架主要材料，其發(fā)展與集成電路發(fā)展密切相關(guān)。隨著集成電路向高密度、小型化、多功能化發(fā)展，市場對Cu-Cr-Zr合金的要求更高，需要具備高強(qiáng)高導(dǎo)的性能來確保電路的安全可靠性[1-3]。Cu-Cr-Zr合金主要靠固溶和時效來強(qiáng)化，因此固溶參數(shù)會直接影響鑄造時未溶顆粒及熱軋過程中形成的第二相溶入基體的程度，與時效時析出強(qiáng)化相有著密切聯(lián)系。固溶參數(shù)不同時，合金元素溶進(jìn)基體中的程度不同，會對時效后最終組織性能產(chǎn)生直接作用[4]。為得到高強(qiáng)高導(dǎo)的Cu-Cr-Zr銅合金組織，需研究固溶參數(shù)對其組織、強(qiáng)度及導(dǎo)電率的影響。目前對Cu-Cr-Zr合金的研究主要在化學(xué)成分以及固溶后的時效處理對組織性能的影響，而研究固溶參數(shù)對組織性能影響的文章較少[5-12]。本文以Cu-1.0Cr-0.1Zr合金熱軋板為研究對象，對其進(jìn)行不同溫度、不同時間的固溶處理，并對不同固溶參數(shù)下試樣的微觀組織、力學(xué)性能及導(dǎo)電率進(jìn)行研究，以確定最合理的固溶參數(shù)，為后續(xù)的時效強(qiáng)化做好準(zhǔn)備。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為熱軋態(tài)Cu-1.0Cr-0.1Zr合金，顯微組織形貌如圖1所示，可見組織中存在分布不均勻的未溶粒子，利用EDS對未溶粒子檢測，發(fā)現(xiàn)其主要為富Cr相。在熱軋板上切取尺寸為12 mm×12 mm×15 mm試樣，分別加熱至750、800、850、900、950、980 ℃固溶處理20、30、60、90、120、150 min，然后出爐水淬。固溶處理后的試樣經(jīng)磨光、拋光、三氯化鐵鹽酸水溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=1∶5∶20)腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡對組織進(jìn)行觀測；采用硬度計(jì)和渦流導(dǎo)電率檢測儀分別對硬度和導(dǎo)電率進(jìn)行檢測，分析不同固溶條件對合金組織和性能的影響規(guī)律。

圖1 熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金的顯微組織(a, b)和未溶顆粒EDS分析(c)

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金經(jīng)不同溫度固溶30 min后的顯微組織?？梢?，固溶溫度在900 ℃以下時，合金主要發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，組織中的晶界不完整，富Cr相還未發(fā)生固溶。固溶溫度升高至900 ℃時，再結(jié)晶程度明顯，此時未溶顆粒及第二相開始回溶于基體中。固溶溫度繼續(xù)升高至950 ℃時，再結(jié)晶與未溶顆粒及第二相的固溶基本完成。當(dāng)溫度升高至980 ℃時，未溶顆粒雖繼續(xù)減少，但晶粒已十分粗大。

圖2 Cu-Cr-Zr合金經(jīng)不同溫度固溶30 min后的顯微組織

圖3為熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金經(jīng)不同溫度固溶30 min后的硬度和導(dǎo)電率，可見，在800 ℃ 以下固溶時，隨固溶溫度升高硬度大幅下降，而導(dǎo)電率略微降低。當(dāng)固溶溫度在800 ℃時，硬度從熱軋態(tài)的86.2 HBS降至55.3 HBS，導(dǎo)電率從98.1%IACS降至93.7%IACS；當(dāng)固溶溫度為800～900 ℃時，隨固溶溫度升高，合金的硬度回升，而導(dǎo)電率繼續(xù)下降，在900 ℃時硬度為55.8 HBS，導(dǎo)電率為78.6%IACS；當(dāng)固溶溫度為900～950 ℃ 時，硬度上升加快，導(dǎo)電率急劇下降；固溶溫度繼續(xù)升高至980 ℃時，硬度增幅減緩，導(dǎo)電率下降程度減小。

圖3 Cu-Cr-Zr合金經(jīng)不同溫度固溶30 min后的硬度與導(dǎo)電率

圖4為熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金經(jīng)950 ℃固溶不同時間后的顯微組織。可見，在950 ℃固溶初期，熱軋態(tài)未溶顆粒呈點(diǎn)狀、斷續(xù)條狀分布在基體中，并且伴隨著大量孿晶的存在，合金同時發(fā)生再結(jié)晶與未溶顆粒與第二相的回溶，且回溶明顯；當(dāng)固溶時間延長到60 min時，合金的再結(jié)晶已經(jīng)完成，此時平均晶粒尺寸為21.24 μm，而固溶過程仍在進(jìn)行；當(dāng)固溶時間進(jìn)一步延長到120 min時，合金的晶粒尺寸微增至23.07 μm，且固溶基本完成；當(dāng)固溶至150 min時，晶粒尺寸進(jìn)一步增加至25.18 μm。

圖4 Cu-Cr-Zr合金經(jīng)950 ℃固溶不同時間后的顯微組織

圖5為熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金經(jīng)950 ℃固溶不同時間后的的硬度與導(dǎo)電率?？梢姡S固溶時間的延長，合金的硬度呈拋物線型上升趨勢，而導(dǎo)電率呈拋物線型下降趨勢。固溶時間低于60 min時，隨固溶時間的延長，合金的硬度大幅上升，導(dǎo)電率大幅下降；當(dāng)固溶時間為60～120 min時，硬度和導(dǎo)電率的改變幅度不斷減緩；在固溶時間為120 min時，合金的硬度為58.9 HBS，導(dǎo)電率為50%IACS；保溫時間繼續(xù)延長至150 min時，導(dǎo)電率和硬度基本不變。

3 分析與討論

合金固溶的目的是為了讓鑄造過程中未溶顆粒及熱軋過程中析出的第二相盡可能回溶于基體中，以便后續(xù)時效析出細(xì)小彌散的第二相。熱軋態(tài)Cu-1.0Cr-0.1Zr在低于800 ℃固溶時，隨固溶溫度升高，合金發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，合金中的位錯不斷運(yùn)動湮滅，從而使硬度大幅度下降，而再結(jié)晶晶界增多對導(dǎo)電率的影響大于回復(fù)作用的影響，導(dǎo)致導(dǎo)電率下降。在800～900 ℃固溶時，再結(jié)晶程度不斷加大，對硬度和導(dǎo)電率的作用大于回復(fù)作用造成的影響，從而導(dǎo)致硬度直線上升，導(dǎo)電率呈直線下降。當(dāng)固溶溫度升高至900 ℃時，再結(jié)晶明顯且再結(jié)晶過程仍在繼續(xù)，未溶粒子開始回溶于基體中。由于合金元素固溶于基體中會造成晶格畸變，位錯運(yùn)動減緩，電子散射加劇，導(dǎo)致硬度上升、導(dǎo)電率下降，且固溶造成的影響遠(yuǎn)大于回復(fù)與再結(jié)晶。當(dāng)固溶溫度從900 ℃升高至950 ℃時，基體固溶度加大，所以硬度繼續(xù)上升而導(dǎo)電率下降幅度大。固溶溫度繼續(xù)升至980 ℃時，未溶粒子回溶速度減小且晶粒長大，由于晶界對硬度和導(dǎo)電率的影響遠(yuǎn)小于固溶造成的影響，使硬度與導(dǎo)電率變化量減少。

Cu-Cr-Zr合金在950 ℃固溶時，隨保溫時間延長，合金的硬度呈拋物線上升趨勢，而導(dǎo)電率呈拋物線下降趨勢，這是因?yàn)樵诠倘艹跗?，合金中同時發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶與未溶粒子的回溶，隨固溶時間的延長合金中回復(fù)與再結(jié)晶完成，回溶與晶粒長大則繼續(xù)進(jìn)行，在固溶完成后合金中僅發(fā)生晶粒的長大。在950 ℃固溶20 min時，未溶顆粒呈點(diǎn)狀、斷續(xù)條狀不均勻分布在基體中；固溶時間在60 min以內(nèi)時，合金中的回復(fù)、再結(jié)晶與未溶粒子的回溶同時進(jìn)行且回溶速度隨固溶時間增加而減小，導(dǎo)致合金的硬度急劇上升、導(dǎo)電率急劇下降。繼續(xù)固溶至120 min時，組織中未溶粒子的回溶速度不斷減小，硬度和導(dǎo)電率的變化不斷減小。固溶時間進(jìn)一步延長至150 min時，固溶完成，晶界長大，平均晶粒尺寸從120 min 的23.07 μm增至25.18 μm，晶界對硬度和導(dǎo)電率的影響相對較小，導(dǎo)致硬度和導(dǎo)電率基本不再變化。

綜合以上結(jié)果，確定最合理的固溶溫度為950 ℃，固溶時間為120 min，此工藝下合金Cu-Cr-Zr基本完成固溶，可為后續(xù)的時效處理提供最佳的組織準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

1) 熱軋態(tài)Cu-Cr-Zr合金在固溶處理時，組織發(fā)生了回復(fù)、再結(jié)晶、未溶粒子回溶與晶粒長大過程，這4個過程會綜合影響組織，導(dǎo)致合金的硬度和導(dǎo)電率不斷變化。

2) 固溶時間為30 min時，隨固溶溫度升高，Cu-Cr-Zr合金中先發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，二者共同作用導(dǎo)致硬度大幅下降，導(dǎo)電率微降；溫度繼續(xù)上升，合金中再結(jié)晶不斷進(jìn)行，以及后續(xù)未溶粒子的回溶與晶粒長大導(dǎo)致硬度不斷上升，而導(dǎo)電率不斷下降。

3) 固溶溫度為950 ℃時，隨固溶時間的延長，合金的硬度呈拋物線型升高并趨于平緩，導(dǎo)電率與之相反，呈拋物線型下降并趨于平緩。

4) 在固溶溫度為950 ℃，固溶時間為120 min時，固溶基本完成，此時合金的硬度為58.9 HBS，導(dǎo)電率為50%IACS。