添加Sn对Cu-Ni-Si系合金组织与性能的影响

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Cu-Ni-Si系合金具有良好的强度、导电性和导热性可广泛应用于集成电路引线框架及其他电子元器件。本课题以Cu-2.89wt%Ni-0.61wt%Si-0.14wt%Mg为母合金,在此基础上添加0.1、0.2、0.3wt%Sn元素,并采用相同的形变热处理工艺,研究了添加Sn对Cu-Ni-Si系合金电学、力学性能和微区组织的影响,并分析了合金的相变析出过程。添加Sn元素可以提高Cu-Ni-Si-Mg合金的硬度、强度、耐磨性等力学性能指标,但是会降低合金的导电率。随着时效过程中保温时间的增加,不同Sn含量合金的硬度均呈现出先迅速上升,直到达到硬度峰值后再缓慢降低的趋势,而导电率的变化趋势都是先快速增大,而后趋于缓慢增加。在460℃二次时效处理120min时,Sn含量为0.2wt%的合金拥有最好的性能匹配度:导电率为43.6%IACS、硬度为248.1HV、抗拉强度为746MPa、屈服强度为714 MPa、断后伸长率为6.6%、软化温度为558℃、磨损率为5.4×10-7mm~3/(N·m)。同样的工艺处理条件下,未添加Sn的母合金导电率为46.5%IACS、硬度为241.8HV、软化温度为550℃、抗拉强度716MPa、屈服强度675MPa、断后伸长率为7.4%,磨损率为6.3×10-7mm~3/(N·m)。从微观组织来看,未添加Sn合金的晶粒尺寸均匀性较差,晶粒在1~17μm分布,平均晶粒尺寸为6μm;添加0.2wt%Sn后,合金晶粒得到细化,晶粒在1~9μm分布,平均晶粒尺寸为4μm。时效后合金的强化主要来源于纳米δ-Ni2Si颗粒的析出,添加Sn可以抑制析出颗粒的长大,析出颗粒相对细小且弥散分布;而未添加Sn的合金,析出相较为粗大,部分析出相颗粒尺寸超过200nm,析出强化效果弱化。对不同Sn含量的Cu-Ni-Si-Mg合金在不同时效温度(390~495℃)和时间(1~960min)进行析出相变行为分析,得到一系列析出动力学参数和方程、“S”曲线、“TTT”曲线以及阶段析出激活能。添加0.2wt%Sn后,可以降低合金析出前期和后期的析出激活能,即减小析出相形成所需的能垒,有助于促进δ-Ni2Si从铜基体中析出。不同Sn含量合金时效处理的析出反映机理受三维扩散控制,主要为位错线上的沉淀和大片状沉淀增厚两种相变类型。添加0.2wt%Sn时,合金在460℃的相转变方程为1)=1-0)(-0.225000.37075)。
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