基于团簇模型的Cu-Ni-Sn系导电Cu合金成分设计与性能研究

发布时间：2017-11-11 21:37

  本文关键词：基于团簇模型的Cu-Ni-Sn系导电Cu合金成分设计与性能研究

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【摘要】：导电弹性Cu合金具有良好的导电性能、优异的力学性能及耐蚀性能等特性,被广泛应用于制作继电器、开关以及电连接器等电子元器件。铍青铜(Cu-Be)、磷青铜(Cu-Sn-P)和铜镍锡(Cu-Ni-Sn)合金是目前主要的导电弹性铜合金材料,其中铍青铜合金在保持高导电性的同时兼具高强度和优异的抗疲劳性能、耐热性及弹性性能,可满足高端弹性导电元件的要求,但合金成本较高并且有毒,故亟需寻找铍青铜替代材料；磷青铜材料虽然成本较低,但强度和弹性性能远不及铍青铜,尤其导电性能只能满足部分低端开关的要求；而Cu-Ni-Sn合金的导电性能和强度介于铍青铜和磷青铜之间,有望成为铍青铜替代材料,然而多数传统的Cu-Ni-Sn系Cu合金在满足高强的同时其导电性仍有待进一步提高(要求导电率不低于15.0%IACS)。因此,如何提升Cu-Ni-Sn系Cu合金的导电率是亟需解决的问题,也是决定这类材料应用发展的关键。Cu合金的导电性能反应了基体的净化程度,因此通过合金成分设计控制溶质元素含量与配比以实现所有溶质元素尽可能地以第二相形式全部从基体中溶出是贯穿本文的研究思路。对于Cu-Ni-Sn体系,溶质元素Ni和Sn在高温固溶处理时溶于Cu基体中,形成过饱和的FCC(面心立方)结构的α单相固溶体；进而在后续低温时效处理时, Ni和Sn以DO22型有序超结构相(Cu,Ni)3Sn尽可能从Cu基体中溶出,在净化Cu基体的同时实现第二相强化,由此同时保证了Cu合金的高强度和导电性。早期对Cu-Ni-Sn合金的研究表明,(Ni+Sn)总量和Ni/Sn比例的变化的确影响了合金导电率与强度性能。然而,对这类合金溶质元素的含量和成分比例控制仍通过大量的实验探索,还未见有合适的成分设计方法报道。因此,本文工作运用自行发展的“团簇加连接原子”合金设计方法对Cu-Ni-Sn系导电Cu合金进行了成分设计的探索。以有望代替铍铜的C72700(Cu-9Ni-6Sn, wt.%)合金为研究背景,首先根据团簇设计方法在Cu-Ni-Sn三元体系中设计两个成分系列：[Cu-Cu12](Sn1/4Ni3/4)xCu6x(系列一)和[Cu-Cu12] (Sn1/1+yNiy/1+y)2.5Cu35(系列二),以综合研究溶质元素(Ni+Sn)总量和Ni/Sn比例的变化对Cu合金导电性能和硬度的影响,从中获取最佳(Ni+Sn)总量和Ni/Sn比例；进而在此基础上添加微量合金化元素Fe、Mn和Nb(为工业中需要控制的素), 形成系列三[Cu-Cu12](Fem(Niy/(1+y)Sn1/(1+y))nMn0.044Nb0.0013Cu3.5)(m+n+0.044+0.013=2.5,y为Ni/Sn比),用于研究微量合金化元素对合金导电性降低和硬度提升的幅度,由此给出确保合金导电性的微量合金化元素添加的成分范围,并为工业合金中杂质元素Fe含量的控制范围提供理论依据,以实现Cu-Ni-Sn系Cu合金的优化目的。采用真空电弧熔炼工艺制备合金锭,为使合金铸锭中各元素尽可能均匀分布,减少铸锭中Sn的偏析,首先将合金锭在1073 K、真空度为6×10-3 Pa真空条件下保温12 h均匀化处理并水淬；随后进行1093K1 h固溶+75%变形冷轧+673 K/2 h时效处理。利用OM、XRD、SEM、TEM等设备对不同状态下的合金进行微观结构检测与分析,并采用维氏硬度计、金属导电率测量仪、MTS纳米压痕仪对合金进行硬度、导电性和弹性性能的检测。所得结论如下：(1)在Cu-Ni-Sn合金中,当溶质元素Ni/Sn比y=3,即为(Cu,Ni)3Sn成分比例时,经过时效处理的系列合金(系列一)的导电率随溶质元素(Ni+Sn)总量增加而降低(19.1→13.1%IACS),而硬度变化趋势则相反(226→300 HV)；弹性模量E随(Ni+Sn)总量变化基本保持不变。为确保Cu合金的导电率不低于15.0%IACS并具有一定的强度,溶质元素(Ni+Sn)总量范围应为10.0 at.%≤(Ni+Sn)≤16.0 at.%(12.0 wt.%≤(Ni+Sn)≤18.0 Wt.%)。(2)在Cu-Ni-Sn合金中,当(Ni+Sn)总量不变,改变Ni/Sn比例y时,发现变形时效后的系列Cu合金(系列二)的导电率随溶质元素Ni/Sn比例增加而降低(21.3→17.2%IACS),而硬度对Ni/Sn的变化不大,约为206～227 HV；且当Ni/Sn比y=2.0和2.5时,合金具有较高的导电率。(3)在Fe、Mn和Nb多元微合金化的Cu-Ni-Sn合金中,微量元素Fe对Cu-Ni-Sn合金导电性能影响很大,实验结果表明：导电率随Fe含量增多逐渐降低,故需要将Fe元素控制在0.33at.%(0.30 wt.%)以下,更易于使其导电率达到15.0%IACS的要求；合金的硬度对Fe含量的变化不敏感。最终获得的性能较好的多元Cu-Ni-Sn系合金为[Cu-Cu12](Fe0.063(Ni2/3Sn1/3)2.38Mn0.0044Nb0.013Cu3.5)(=Cu84.36Ni7.49Sn7.58Fe0.28Mn0.20Nb0.09 wt.%),时效处理后的导电率为16.7%IACS,硬度HV=296；比相同条件下制备的参比合金Cu-9Ni-6Sn (Cu85.23Ni8.36Sn5.63Fe0.49Mn0.20Nb0.10wt.%)相比(导电率为13.5%LACS, HV=303),导电率提高了23.7%。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.11;TM241

【参考文献】

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1 吴进明,吴年强,曾跃武,李志章,黄海东;机械合金化Al-8Ti合金粉的烧结成形研究[J];金属热处理;1997年12期

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3 陈乐平;周全;;铍铜合金的研究进展及应用[J];热加工工艺;2009年22期

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本文编号：1173015