元素混合烧结制备Cu-Ni-Si合金及其薄板快速成形工艺

摘要

由于具有高强度、高导电性和无磁致热效应等优点，Cu-Ni-Si合金被认为是最有希望取代Cu-Be合金、成为新型引线框架的主要候选材料。然而，传统熔铸法制备Cu-Ni-Si合金时极易在铜晶界上形成网状不导电金属间化合物相，从而影响合金的强度和导电性，且从铸锭到薄板的加工工艺繁琐，生产成本高、效率低。本文以Cu、Ni和Si单质粉末为原料，结合热压烧结制备Cu-Ni-Si合金块体，通过对烧结体的密度、硬度、导电率和晶粒尺度等进行测量，探索了烧结温度和烧结时间对混合粉末压坯致密化行为的影响，确定了最佳的烧结工艺并对烧结体的显微结构进行了表征。随后，通过实验研究确定了Ni/Si质量比对Cu-Ni-Si合金强度和导电率的影响规律，考察了固溶和时效处理对烧结态Cu-Ni-Si合金的强度和导电率的影响。最后，积极探索了一种Cu-Ni-Si合金薄板的快速成形工艺，即利用直接粉末轧制技术通过对Cu、Ni和Si单质混合粉末体系进行轧制成形和气氛烧结，制备出了厚度在0.3mm左右的Cu-Ni-Si合金薄板，并对其强度和导电性进行了测试分析。本文得到主要结论如下：
　　1.烧结态Cu-Ni-Si合金组织主要为：基体相α-Cu（Ni，Si）、晶界相Ni31Si12及晶内相δ-Ni2Si组成，其中Ni31Si12相为直径3-5μm的颗粒，主要分布于Cu基体粉末的边界处，δ-Ni2Si相的直径小于1μm，弥散分布于铜基体晶粒内部。与普通溶铸态Cu-Ni-Si合金相比发现，粉末烧结法制备确能抑制晶界上网状Ni31Si12结构的出现。
　　2.随着烧结温度的升高或烧结时间的延长，烧结体的密度从8.13g/cm3上升到8.71g/cm3，烧结体的硬度从99.1HV增大到134.7HV，烧结体的导电率从23.67％IACS提高到28.78%IACS；铜粉末基体的晶粒尺寸逐渐变大，进而致使合金导电率略微下降。因此，确定了最佳的Cu-Ni-Si合金块体的烧结工艺参数为：烧结温度为900℃、烧结时间1h；当Cu含量为90wt.%、Ni、Si质量比为5.4：1时，烧结态Cu-Ni-Si合金的导电率和硬度均达到较高的数值，即29.8%IACS和134HV。
　　3.经固溶和时效处理后，Ni、Si固溶原子从Cu基体中析出形成弥散分布的δ-Ni2Si析出相，由于δ-Ni2Si相对合金导电率影响较小，而且对Cu-Ni-Si合金还存在时效强化的作用，其导电率和硬度较烧结态分别提高了18.72%和73.13%。
　　4.相比气雾化Cu单质粉末，电解Cu单质粉末更易于轧制成形。一道次轧制后Cu-Ni-Si生坯板材韧性好且不易断裂，其长度可达到170mm；Cu-Ni-Si生坯板材经二道次轧制后其致密度和厚度分别可达到81%和0.38mm；而经三道次轧制后，Cu-Ni-Si生坯板材边缘出现卷曲和开裂现象，且表面发黑，严重影响到Cu-Ni-Si合金薄板的抗拉强度和美观程度。
　　5.初次烧结（烧结温度900℃、烧结时间1h）后Cu-Ni-Si合金板材的致密度从73%逐渐增大至92%，但Cu基体表面存在较多空洞或缺陷，合金板材并未实现完全烧结，因此对Cu-Ni-Si板材进行二次烧结（烧结温度950℃、烧结时间1h），获得的板材组织中颗粒间结合紧密，同时Cu-Ni-Si合金板材的导电率、致密度、抗拉强度和延伸率分别为31%IACS、93%、609.74MPa和6.04%。

目录

1 前言

1.1 引线框架材料的应用背景与现状

1.2 Cu-Ni-Si合金的研究概述

1.3 存在问题与解决对策

1.4 研究的目的及内容

2 研究内容与试验方法

2.1 研究内容与目的

2.2 试验设备

2.3 试验技术路线

2.4 Cu-Ni-Si合金工艺研究

2.5 组织及粉末特性分析

2.6 性能测试

3 Cu-Ni-Si合金烧结工艺研究与性能调控

3.1 元素混合烧结制备Cu-Ni-Si合金的工艺研究

3.2 元素混合烧结Cu-Ni-Si合金的组织分析

3.3 烧结态Cu-Ni-Si合金的Ni/Si比研究

3.4 热处理对Cu-Ni-Si合金组织及性能的影响

3.5 本章小结

4 Cu-Ni-Si合金轧制工艺与性能的研究

4.1 纯铜粉轧制工艺研究

4.2 Cu-Ni-Si单质混合粉末轧制研究

4.3 Cu-Ni-Si生坯板材烧结试验

4.4 烧结态Cu-Ni-Si板材性能分析

4.5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献