固溶處理對Cu-Cr-Zr合金組織與性能的影響

馬玉霞， 黨淑娥， 陳慧琴

(太原科技大學 材料科學與工程學院， 山西 太原 030024)

Cu-Cr-Zr合金作為電連接器引線框架主要材料，其發展與集成電路發展密切相關。隨著集成電路向高密度、小型化、多功能化發展，市場對Cu-Cr-Zr合金的要求更高，需要具備高強高導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化，因此固溶參數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，與時效時析出強化相有著密切聯系。固溶參數不同時，合金元素溶進基體中的程度不同，會對時效后最終組織性能產生直接作用[4]。為得到高強高導的Cu-Cr-Zr銅合金組織，需研究固溶參數對其組織、強度及導電率的影響。目前對Cu-Cr-Zr合金的研究主要在化學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，對其進行不同溫度、不同時間的固溶處理，并對不同固溶參數下試樣的微觀組織、力學性能及導電率進行研究，以確定最合理的固溶參數，為后續的時效強化做好準備。

1 試驗材料及方法

試驗所用材料為熱軋態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，發現其主要為富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，采用光學顯微鏡對組織進行觀測；采用硬度計和渦流導電率檢測儀分別對硬度和導電率進行檢測，分析不同固溶條件對合金組織和性能的影響規律。

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

2 試驗結果

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

圖2 Cu-Cr-Zr合金經不同溫度固溶30 min后的顯微組織

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

圖3 Cu-Cr-Zr合金經不同溫度固溶30 min后的硬度與導電率

圖4為熱軋態Cu-Cr-Zr合金經950 ℃固溶不同時間后的顯微組織。可見，在950 ℃固溶初期，熱軋態未溶顆粒呈點狀、斷續條狀分布在基體中，并且伴隨著大量孿晶的存在，合金同時發生再結晶與未溶顆粒與第二相的回溶，且回溶明顯；當固溶時間延長到60 min時，合金的再結晶已經完成，此時平均晶粒尺寸為21.24 μm，而固溶過程仍在進行；當固溶時間進一步延長到120 min時，合金的晶粒尺寸微增至23.07 μm，且固溶基本完成；當固溶至150 min時，晶粒尺寸進一步增加至25.18 μm。

圖4 Cu-Cr-Zr合金經950 ℃固溶不同時間后的顯微組織

圖5為熱軋態Cu-Cr-Zr合金經950 ℃固溶不同時間后的的硬度與導電率。可見，隨固溶時間的延長，合金的硬度呈拋物線型上升趨勢，而導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，導電率大幅下降；當固溶時間為60～120 min時，硬度和導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，導電率為50%IACS；保溫時間繼續延長至150 min時，導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，以便后續時效析出細小彌散的第二相。熱軋態Cu-1.0Cr-0.1Zr在低于800 ℃固溶時，隨固溶溫度升高，合金發生回復與再結晶，合金中的位錯不斷運動湮滅，從而使硬度大幅度下降，而再結晶晶界增多對導電率的影響大于回復作用的影響，導致導電率下降。在800～900 ℃固溶時，再結晶程度不斷加大，對硬度和導電率的作用大于回復作用造成的影響，從而導致硬度直線上升，導電率呈直線下降。當固溶溫度升高至900 ℃時，再結晶明顯且再結晶過程仍在繼續，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，位錯運動減緩，電子散射加劇，導致硬度上升、導電率下降，且固溶造成的影響遠大于回復與再結晶。當固溶溫度從900 ℃升高至950 ℃時，基體固溶度加大，所以硬度繼續上升而導電率下降幅度大。固溶溫度繼續升至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電率的影響遠小于固溶造成的影響，使硬度與導電率變化量減少。

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，而導電率呈拋物線下降趨勢，這是因為在固溶初期，合金中同時發生回復、再結晶與未溶粒子的回溶，隨固溶時間的延長合金中回復與再結晶完成，回溶與晶粒長大則繼續進行，在固溶完成后合金中僅發生晶粒的長大。在950 ℃固溶20 min時，未溶顆粒呈點狀、斷續條狀不均勻分布在基體中；固溶時間在60 min以內時，合金中的回復、再結晶與未溶粒子的回溶同時進行且回溶速度隨固溶時間增加而減小，導致合金的硬度急劇上升、導電率急劇下降。繼續固溶至120 min時，組織中未溶粒子的回溶速度不斷減小，硬度和導電率的變化不斷減小。固溶時間進一步延長至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，晶界對硬度和導電率的影響相對較小，導致硬度和導電率基本不再變化。

綜合以上結果，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，可為后續的時效處理提供最佳的組織準備。

4 結論

1) 熱軋態Cu-Cr-Zr合金在固溶處理時，組織發生了回復、再結晶、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，導致合金的硬度和導電率不斷變化。

2) 固溶時間為30 min時，隨固溶溫度升高，Cu-Cr-Zr合金中先發生回復與再結晶，二者共同作用導致硬度大幅下降，導電率微降；溫度繼續上升，合金中再結晶不斷進行，以及后續未溶粒子的回溶與晶粒長大導致硬度不斷上升，而導電率不斷下降。

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，導電率為50%IACS。