TP2銅合金在冷軋變形+時效處理后的組織與性能變化

畢 勝

TP2銅合金是最具代表性的高導電材料之一，隨著集成電路技術的發展，該合金被廣泛應用到封裝電路與半導體元器件的引線框架生產中。當前的集成電路具有成本低、功率大、體積小、密度高等特點，這就需要TP2銅合金引線框架具有薄、輕、小、短等特性，還要具備加工成形性好、耐蝕性強、焊接性好、導電導熱性能卓越、強度高、塑性優良等優勢。

國內相關研究表明，C194、KFC、Cu-Ni-Si系和TP2等銅合金導電率均大于88%IACS，雖然在引線框架生產中應用較廣，但該類材料強度普遍偏低（＜410MPa），很難滿足現代化集成電路的需求。經過形變熱處理之后的Cu-Ni-Si系合金板坯，在形變強化與析出強化共同作用下能夠顯著提高材料拉伸強度，同時還保留優良的導電性；經過形變熱處理后的KFC銅合金也表現出了較好的綜合性能。TP2銅合金是一種沉淀強化型材料，理論上可通過形變熱處理提高其抗拉強度，改善其組織及性能。

當前國內相關報道大多集中在TP2銅合金的熱變形行為及生產工藝上，對低溫形變（冷軋）結合熱處理的相關研究較少。因此，本文通過不同形變量冷軋工藝結合不同時效工藝來控制TP2銅合金的導電率和抗拉強度，并研究其規律，為該材料的進一步發展提供實驗參考。使用輕合金制造的渦輪葉輪可以有效提高ORC（有機朗肯循環）的效率。輕合金中鋁合金的密度只有鋼的1/3但是強度不足，使用鋁合金制造渦輪葉輪需要增加鋁合金強度以滿足工業需求。由于熔模鑄造有良好的幾何結構和尺寸精度，可以減少加工過程，所以廣泛應用熔模鑄造方法制造向心式渦輪葉片。然而滯流、宏觀微觀孔隙和熱裂紋等缺陷會嚴重影響鑄件產品質量。

通過研究不同Cu含量對熔模鑄造Al-7Si-4Mg-Cu渦輪葉輪組織及硬度的影響，以期選取最佳工藝成分，減少鑄造過程中缺陷的產生，提高鑄件產品質量。

1 實驗方法

實驗用熱軋銅坯由江西銅業集團提供，尺寸為500mm×50mm×2000mm，將熱軋銅坯加工成20mm×10mm×50mm試樣。首先，將加工后的試樣置于SX2-5-12J型電阻爐中固溶850℃×60min，然后淬火至室溫。在300mm×1000mm多輥冷軋機上進行下壓速率0.6mm/s、壓下量40%的冷軋形變。第一次時效為550℃×120min，而后對試樣分別進行形變量為0%～90%的冷軋形變；第二次時效為450℃×120min。對經過第二次時效后的試樣行550℃×10min保溫處理，分析TP2銅合金的組織及性能。將試樣拋光、打磨后采用Fe（NO3）3（20g）+C2H5OH（100mL）+H2O（200mL）進行腐蝕，得到金相試樣，在DMM-300D型光學顯微鏡下觀察試樣顯微形貌；利用HV-1000顯微硬度計測量試樣硬度（載荷0.085N，加載時間15s），測量試樣五個點取平均值得到最終硬度；采用雙噴減薄法制備TEM試樣，在JEM-2000透射電鏡下觀察試樣組織（加速電壓130kV）；在QJ44型直流雙臂電橋上利用電阻值換算得到試樣導電率；按照GB/T288-2002標準，將試樣制成標準拉伸試樣，在WEW-F系微機液壓式萬能試驗機上進行拉伸實驗，拉伸速率為2mm/min，標距20mm，取五個試樣拉伸結果的平均值得到最終結果。

澆注系統由一個澆口、一個冒口和兩個內澆道組成，在90℃～110℃使用注蠟機制造蠟模。根據澆注系統的設計進行裝配，其總高度為300mm。將蠟模浸入硅酸乙酯（液）和氧化鋯粉體組成的懸浮液中，然后使用粒徑約200μm的鋯英砂澆成一個濕的圖案。

接下來使用400μm和600μm的多鋁紅柱石將模具進行二次、三次覆蓋以提高模具強度。在9倍大氣壓力和200℃條件下進行模具脫蠟。之后在1050℃保溫1h增加強度以備后續處理。使用Al-7Si合金作為中間合金，鎂含量為4.3%和Cu含量分別為0.38%、3.82%和6%。將合金在石墨坩堝中熔化，使用氬氣進行脫氣處理，在澆注使用真空孔隙度測試儀檢測合金的氫含量。澆注溫度為750℃，陶瓷型殼的預熱溫度為730℃。凝固后將陶瓷殼模具打破。對凝固后的葉輪鑄件進行外觀檢查，尋找宏觀缺陷。在葉輪鑄件葉片處切取試樣使用氫氟酸（HF）腐蝕后使用光學顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）進行顯微組織觀察。在葉輪中心處切取試樣進行硬度測試，載荷為150kg，加載時間為10s。

2 實驗結果及討論

2.1 顯微組織及力學性能變化

不同形變量下試樣的抗拉強度及伸長率變化可見，TP2銅合金的抗拉強度隨著形變量的增大而升高，伸長率隨著形變量增大而降低。當冷軋形變量為70%時，試樣抗拉強度為425MPa，伸長率為12.3%，強度已經超過了工業實際生產的TP2銅合金強度（＜410MPa）；隨著冷軋形變量增大至90%后，雖然抗拉強度升高為436MPa，但伸長率驟降至5.8%。合金材料內部結構及組織變化會導致材料性能的變化。

試樣內的位錯增殖會隨著冷軋形變量的增大而愈發顯著，加工硬化程度就越嚴重。第二次時效后，試樣組織雖然能夠得到一定的恢復，但位錯密度仍舊存在。70%冷軋形變量試樣經過第二次時效處理后，晶粒內仍可觀察到高密度位錯區存在。高密度位錯區中位錯纏結嚴重，增大了試樣的變形抗力，為了克服位錯纏結則需要更大的外力才會形變，因此試樣抗拉強度得到了提高；30%形變量試樣經過第二次時效處理后，晶粒內位錯密度較低，導致合金變形抗力較小，抗拉強度較低，該形變量下形變強化效果不顯著。

第二相也影響是冷軋形變量對合金形變強化效果的相關因素。形變儲能隨著冷軋形變量的增大而增加，形變儲能越大第二相析出越明顯，第二相顆粒的增加，對位錯的阻礙作用越大。此外，合金在發生塑性變形過程中，嚴重的位錯纏結會產生應力集中現象，導致材料變形不均勻，降低了材料塑性。所以，隨著冷軋形變量的增大試樣伸長率逐漸降低。冷軋形變量越大，位錯纏結就越嚴重，當90%時位錯移動非常困難，伸長率會驟降。

經過測試，原始熱軋銅坯加工成20mm×10mm×50mm試樣后，硬度為80HV，電阻爐固溶+淬火后硬度為73HV，隨后的初次冷軋形變使硬度提高到75HV，變化不大。第一次時效處理后，TP2銅合金硬度增大到90HV，高于初始狀態。0%～70%冷軋形變+第二次時效處理后的硬度變化看出，隨著冷軋形變量的增加，試樣硬度逐漸增大，當形變量為70%時，硬度為135HV，高出初始狀態68%。

文獻研究表明，合金材料內部組織的變化會引起硬度的改變。經過固溶處理后，固溶強化與合金靜態再結晶軟化會對硬度產生一定的影響。TP2銅合金為低層錯能金屬，擴展位錯很寬，靜態再結晶更容易發生。電阻爐固溶+淬火后試樣發生了完全再結晶，降低了硬度。按照合金強化機理，在固溶過程中沉淀強化型合金中的強化相會固溶進基體，導致基體晶格產生強烈畸變，提高了合金的硬度和強度。但是，固溶會降低沉淀強化效果，降低了合金硬度。因此，沉淀強化型合金經過固溶后，硬度可能減小也可能增大。本實驗中，固溶+淬火后的試樣硬度降低，說明靜態再結晶軟化對硬度的影響起到了主要作用。

經過形變+第二次時效后試樣硬度大幅度增加，這是因為冷軋形變+時效處理增加了試樣位錯密度，細化了晶粒。在70%冷軋形變+第二次時效后第二相容易在缺陷處形核，較大的位錯密度使得第二相在基體中均勻、彌散析出，且呈棒狀，起到了強化基體的作用。70%冷軋形變+第二次時效后試樣，經550℃×10min保溫處理后硬度為128HV，比未經保溫試樣僅降低了5.1%。可推斷，經冷軋形變+時效處理后的試樣熱穩定性較好，滿足了引線框架的使用需求。筆者推測，第二次時效處理后組織中的第二相存在耐熱相，對位錯和晶界產生了釘扎作用所致。

2.2 導電率變化

0%～90%冷軋形變+第二次時效處理后形變量與導電率變化的曲線看出，形變量由0%增加至30%過程中，試樣導電率變化不大（83.6%IACS～84.8%IACS）；形變量30%～50%過程中，導電率隨著冷軋形變量的增大而迅速增加；形變量50%～70%過程中，導電率增速緩慢。形變量為70%時導電率達到最大值（94.6%IACS），隨后降低。

一般情況下，對多組元合金來說合金元素析出后的電導率要高于合金元素固溶于基體中的。溶劑點陣受到溶質原子溶入的影響而發生畸變，增大了電子散射程度，電阻增大、電導率降低。而合金元素析出形成的第二相具有較大的尺寸，對電子散射作用較小，電阻降低、電導率增大。在形變量30%～50%過程中，試樣內部缺陷密度隨著形變量的增大而增高，空位和位錯為第二相形核體提供了驅動能和位置，也為溶質原子的擴散提供了便利條件，降低了基體中溶質含量、增加了第二相析出，使得晶格畸變程度降低，電導率增速較快；在形變量50%～90%過程中，試樣電導率增至最大值后降低。因為，合金基體中溶質含量并不是導致電導率變化的單一因素。

一方面，基體中溶質原子的固溶度隨著形變量的增大而降低，導致電導率提高。另一方面，隨著第二相析出量的增大以及析出所導致的缺陷，阻礙了自由電子的運動，導致電導率會降低。TP2銅合金導電性能是在上述兩方面共同作用下的表現。冷軋形變量為70%電導率最大，高出實際工業生產的TP2銅合金電導率。當冷軋形變量超過70%時，溶質原子固溶對電導率的影響降低，析出相及缺陷影響起主要作用，所以導電率降低。

2.3 應用分析

熔模鑄造Al-7Si-4Mg-0.38Cu合金渦輪葉輪的外觀形貌和截面形貌。可以看出葉輪表面沒有發現宏觀缺陷例如：澆注不足、宏觀孔隙、收縮和其他表面缺陷，在鑄件的截面處也沒有發現宏觀缺陷。澆注系統和陶瓷型殼的正確設計，鑄造參數的正確選用等因素保證了獲得表面無明顯缺陷的鑄件。澆注系統的設計是熔模鑄造中最重要的部分，如果設計不合理，會產生較多的縮孔縮松缺陷。

本實驗獲得表面光滑的鑄件，說明金屬液與型殼第一層沒有發生反應，同時，陶瓷型殼的良好的透氣性也是保證不發生滯流和收縮缺陷的重要因素。鑄造參數（澆注溫度和型殼預熱溫度）的選擇對鑄件也有重要影響，其中型殼預熱溫度的影響最為明顯。較高的型殼預熱溫度不僅能促進金屬液的流動性，而且可以減小熱梯度和冷卻速率。然而預熱溫度不是越高越好，過高的預熱溫度會導致金屬液與模具之間發生反應，導致鑄件表面出現孔洞。所以選擇最佳的預熱溫度是保證鑄件良好性能的又一重要因素。不同Cu含量葉輪葉片的顯微組織，Al-7Si-4Mg-0.38Cu合金的顯微組織。可以看到較細的樹枝狀組織和共晶Si組織，由于Mg和Fe元素的存在，生成了漢字形狀的AlMgFeSi相。

然而，由于Al-7Si-4Mg-0.38Cu合金中Cu含量較低，沒有觀察到CuAl2相。Al-7Si-4Mg-3.82Cu合金的顯微組織與Al-7Si-4Mg-0.38Cu合金組織較類似，均存在共晶Si和漢字形狀的AlMgFeSi相。不同的是由于此合金含Cu量較高，生成了的CuAl2相。Al-7Si-4Mg-6.0Cu合金的顯微組織可以明顯看出晶粒要比含銅量0.38%和3.82%的合金粗大，這是因為該合金的凝固速率比其他兩種合金的凝固速率低。同時也發現共晶Si和漢字形狀的AlMgFeSi相的存在，由于Cu含量比Al-7Si-4Mg-3.82Cu合金多，生成的CuAl2相也更多。CuAl2相對合金的力學性能有重要影響，將在下文具體介紹。

Al-7Si-4Mg-6.0Cu合金背散射掃描電鏡圖譜和SEM圖譜中各點的元素組成可知。-Al矩陣，灰色相是Al-Si共晶組織白色相CuAl2和Al5Cu2Mg8Si6相，黑色相可能是AlFeMgSi相或者漢字形狀的相。應用EDS很難檢測Fe元素的含量，因為Fe的含量極少（少于0.5%）。然而，盡管含量較少，但是在漢字狀的相中Fe元素是一定存在的。

對比三種合金的組織可以發現，含銅量為0.38%和3.82%的合金組織中相組成較類似，只是在數量上有一定差異。Cu含量對Al-7Si-4Mg合金硬度的影響。合金中Cu含量的增加可以顯著提高合金硬度值。當Cu含量為6.0%時，Al-7Si-4Mg-6Cu的硬度值最高達到54.85HRB。盡管含Cu量為6.0%的合金的晶粒要比含Cu量分別為0.38%和3.82%的合金粗大，但是含Cu量越高會產生更多的硬質相CuAl2相，可以顯著提升硬度。同時，共晶Si和漢字形狀的AlFeMgSi相也有助于提高硬度值。

3 結論

TP2銅合金在550℃時效+形變量70%+450℃時效后，材料具有最佳的綜合性能。其伸長率達到12.3%、抗拉強度425MPa、硬度135HV、導電率94.6%IACS；TP2銅合金在冷軋形變+第二次時效后，第二相析出量和組織位錯增殖隨著形變量的增大而顯著。經過550℃×10min保溫處理后，硬度變化較小，具有很好的穩定性，滿足引線框架的實際生產需求。

通過光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM），硬度測試等方法研究了Cu含量對熔模鑄造Al-7Si-4Mg-Cu渦輪葉輪組織及硬度的影響。研究結果表明：Cu含量分別為0.38%、3.82%和6.0%的Al-7Si-4Mg-Cu渦輪葉輪，表面沒有發現宏觀缺陷和澆注不滿等缺陷。顯微組織由-Al、共晶Si、AlMgSi、AlMgFeSi和CuAl2構成。

隨著Cu含量的增加，硬度值從43.20增加至54.85HRB，Cu含量增加會形成硬質相CuAl2提高合金整體硬度。使用熔模鑄造方法制造的渦輪葉片，通過外觀檢查沒有發現宏觀缺陷例如：澆注不足、宏觀孔隙、收縮和其他表面缺陷。熔模鑄造的Al-7Si-4Mg-Cu合金渦輪葉片的組織構成主要有-Al，共晶Si，CuAl2，Al5Cu2Mg8Si和AlSiFeMg。Cu含量越高硬度值也越高，當Cu含量為6.0%時硬度值達到最高值，為54.85洛氏硬度，因為Cu含量增加會形成硬質相CuAl2提高整體的硬度。