一種低各向異性指數(shù)高強Cu-Ni-Si系合金及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及到一種低各向異性指數(shù)高強Cu-Ni-Si系合金及其制備工藝，特別適用 于引線框架用冷社薄板材料，屬于高性能銅合金開發(fā)與加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] Cu-Ni-Si系（C7025)合金屬于典型的時效強化型高強中導(dǎo)合金，由于具有良好的 可焊性、耐蝕性、抗氧化性W及塑性而被廣泛用于引線框架、端子和連接器等電子器件。近 些年來，為了滿足市場和研發(fā)需要，不同合金體系的C7025合金相繼在實驗室研發(fā)成功，國 內(nèi)外在其微合金化機(jī)理、制備工藝和微觀組織方面作了大量研究，獲得了強度與導(dǎo)電性能 的優(yōu)良配合，然而，C7025在實際生產(chǎn)過程中成材率較低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，下游客戶異議產(chǎn) 品頻繁，產(chǎn)品的使用性能較差，具體表現(xiàn)在熱社板出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)品沖裁時易出現(xiàn)毛邊和彎曲 等問題。C7025合金的各向異性，尤其是冷社熱處理后產(chǎn)品的各向異性是影響產(chǎn)品深加工質(zhì) 量的關(guān)鍵因素。
[0003] 眾所周知，化-Ni-si系合金在加工和熱處理工藝過程中，組織結(jié)構(gòu)的差異性，W及 形變織構(gòu)和熱處理織構(gòu)的形成均會對其各向異性行為產(chǎn)生一定影響。如何進(jìn)一步降低Cu-Ni-Si 系合金的各向異性指數(shù)，提高產(chǎn)品的綜合性能，是制約引線框架用銅合金板帶進(jìn)一步 產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵問題。SNGH R K等對侶、銅合金的各向異性行為做了大量研究，并提出了平面各 向異性指數(shù)的概念I(lǐng)PA( % ) (IPA，in-plane anisohopy，= (2Xmax-Xmid-Xmin)/2Xmax， Xmax代表Ξ個方向力學(xué)性能的最大值，Xmid代表中間值，Xmin代表最小值），通過各向異性 指數(shù)可W定量化表征合金板材的各異性行為。
[0004] 從強化手段來看，專利[ZL200410036828.9]著重保護(hù)了 Ni和Si的比例對合金性能 的影響，專利[CN 102703754B]提到了增加 V來細(xì)化晶粒，可獲得高強高導(dǎo)Cu-Ni-Si系合金， 專利[CN 102021359B]提到分級社制技術(shù)，可獲得超高強Cu-Ni-Si系合金。W上專利文獻(xiàn)均 是通過成分設(shè)計和工藝創(chuàng)新來控制第二相粒子的析出熱力學(xué)與動力學(xué)條件，進(jìn)一步發(fā)揮細(xì) 晶強化和析出強化的作用。然而，強度與深加工性能往往是一對矛盾的性能指標(biāo)。盡管第二 相析出量越高，強度和導(dǎo)電性能越好，但是過量的第二相會導(dǎo)致板材各向異性行為加重，彎 曲加工性能下降。
[0005] W下專利文獻(xiàn)分別從晶界特征、晶粒形貌W及織構(gòu)角度對化-Ni-Si系合金的彎曲 性能的優(yōu)化方法進(jìn)行了保護(hù)： 專利文獻(xiàn)[1]CN 101503770A 專利文獻(xiàn)[2]CN 103781925A 專利文獻(xiàn)[3]CN 102985572A 專利文獻(xiàn)[4]CN 103429771A 專利文獻(xiàn)[1]通過控制合金銅合金板材的{420}和{220}結(jié)晶面與純銅粉的{420}與 {220}結(jié)晶面的X射線強度比和板材的晶粒大小，W改善合金的彎曲加工性能及耐應(yīng)力松弛 性能。并在該銅合金板材X射線強度比滿足下面式（1)和式(2)的晶粒取向關(guān)系，合金的平均 晶粒直徑在10-60μπι之間時，銅合金板材獲得了具有良好彎曲加工性能及耐應(yīng)力松弛性能。
[0006] 1{420}/1〇{420}>1.0 (1) 1{220}/1〇{220} <3.0 (2) 其中I是該銅合金板材結(jié)晶面的X射線衍射強，1〇是標(biāo)準(zhǔn)純銅粉結(jié)晶面的X射線衍射強 度。
[0007] 專利文獻(xiàn)[2]中，通過控制銅合金板材中不同織構(gòu)的含量，改善了銅合金的強度和 彎曲加工性能。并發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cube取向{001Κ100〉的面積率在5%W上，Brass取向{110Κ112〉 的面積率在20 % W下，Copper取向{112} <111〉的面積率在20 % W下，加工硬化指數(shù)在0.2 W 下時，銅合金板材具有優(yōu)異的強度、彎曲加工性。
[0008] 專利文獻(xiàn)[3]中，發(fā)明者通過將合金組織中晶粒的縱橫比（晶粒的短徑/晶粒的長 徑）的平均值控制在0.4-0.6之間，Goss織構(gòu)的所有晶粒中的平均值控制在1.2-1.5之間，特 殊晶界Σ6的所有晶界長度和Le與所有特殊晶界長度和L的比率化6/U控制在60-70%之間， 獲得了彈性極限值為450-600N/mm 2,在150°C下1000小時的焊料耐熱剝離性良好，深沖壓加 工性優(yōu)異。
[0009] 專利文獻(xiàn)[4]中，通過控制表層及中央部位在{200}正極圖上{001K100〉取向的X 射線強度的最大值，改善了合金板材的彎曲加工性，特別是改善了槽口加工后的彎曲加工 性。
[0010] W上專利，關(guān)注的重點主要集中在銅合金板材的強度、彎曲加工性能、耐應(yīng)力松弛 性和剝離性。從成分設(shè)計角度來看，采用Al、Fe、Sn和Mg等微合金化元素，從工藝上來看，主 要控制熱社過程中變形溫度及冷社制度和壓下率，最終對產(chǎn)品的織構(gòu)特征、晶粒形貌W及 晶界特征實施精確控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明提供了一種低各向異性指數(shù)的高強深沖化-Ni-Si系合金及其制備工藝，通 過添加微量的Y基混合RE，配合合理的冷社工藝及熱處理工藝，可有效降低高強化-Ni-Si系 合金的各向異性，尤其適合于引線框架材的沖裁工藝，顯著減少翅曲、開裂和彎曲等缺陷。
[0012] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是： 本發(fā)明所述的一種低各向異性指數(shù)高強Cu-Ni-Si系合金，各組分化學(xué)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如 下：Ni:2~3%，Si :0.5~1.0%，Sn:0.1 ~0.5%，F(xiàn)e:0.05%~0.1 %，Mg:0.1 %~0.3%，Zn: 0.05%~0.08%，RE:0.2%~0.5%，剩余為Cu和不可避免的雜質(zhì)，且Ni與Si的質(zhì)量比為4~ 5。
[0013] 優(yōu)選地，所述RE混合稀±的成分優(yōu)選錠基離子型稀±中間合金，其中Y含量占 50%，La含量占30%，Ce含量占20%。
[0014] 本發(fā)明所述的一種低各向異性指數(shù)高強Cu-Ni-Si系合金的制備工藝，包括如下步 驟： (1) 熱社工藝:根據(jù)所設(shè)計的各組分化學(xué)質(zhì)量百分比進(jìn)行烙煉，水平連鑄，再對鑄件進(jìn) 行熱社得到熱社板，熱社開社溫度為850~950°C，終社溫度為750~850°C，熱社后進(jìn)行軟化 退火； (2) -次冷社工藝:將步驟(1)中的熱社退火板進(jìn)行一次冷社； (3) 低溫退火:步驟(2)中冷社后進(jìn)行低溫退火； (4) 分級固溶處理:對步驟(3)中低溫退火板進(jìn)行快速分級固溶； (5) 二次冷社工藝:對步驟(4)固溶后的板材進(jìn)行二次冷社； (6) 低溫時效處理:最后對步驟巧)所得二次冷社板進(jìn)行時效處理，時效溫度設(shè)計在400 ~500°C，優(yōu)選430°C~460°C，時效時間為4~化。
[0015] 優(yōu)選地，步驟(2)中熱社退火板的一次冷社壓下率要大于60%，步驟(5)中施加二 次冷社壓下率在25~35%之間，優(yōu)選30%左右，兩次總壓下率超過85%。
[0016] 優(yōu)選地，步驟（3)中低溫退火條件為退火溫度在100~300°C，保溫時間為3~6小 時，隨爐冷卻，所述低溫退火在氮氣或氣氣的氣體保護(hù)爐中進(jìn)行，且溫度優(yōu)選200°C，保溫時 間優(yōu)選4小時。
[0017] 優(yōu)選地，步驟(4)中固溶溫度設(shè)計在850~900°C，固溶時間60~80s，固溶加熱制度 設(shè)計先快后慢，快速加熱速率優(yōu)選30~50°C/s，慢速加熱優(yōu)選1~5°C/s，臨界點優(yōu)選750°C 至化00°C。
[0018] 優(yōu)選地，合金組織特征為Wa-Cu為基體相，平均晶粒直徑為40-60皿，基體彌散分 布納米級S-Ni2Si析出相，且沿橫向（垂直于社向）存在均勻分布的剪切帶，基體織構(gòu)組份滿 足： 0. 6<V(a+g+b)/V(c+s)<1.0 其中 V(A+G+B)是該合金板材 A({012}<100〉）、G(Goss:{011}<100〉）、B(Brass:{011}<211 〉）織構(gòu)組份所占體積分?jǐn)?shù)之和，V(G刮是該合金板材C(Copper: {112} < 111〉）和S({123} <634 〉)織構(gòu)組份所占體積分?jǐn)?shù)之和。
[0019] 本發(fā)明的有益效果在于： 1. 本發(fā)明通過對化-Ni-Si系合金進(jìn)行成分設(shè)計和工藝優(yōu)化，充分利用錠基離子型RE對 烙體的凈化及細(xì)化晶粒作用，配合合理的冷社及熱處理工藝，促進(jìn)了第二相的時效析出和 關(guān)鍵織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)比，可獲得組織結(jié)構(gòu)Wa-Cu為基體，平均晶粒尺寸在40皿~60μπι，時效 后的板材具有橫向均勻分布的剪切帶，其抗拉強度在650~750MPa之間，伸長率在13~18% 之間，強度和伸長率的各向異性指數(shù)(IPA)分別小于6%和8%的性能。
[0020] 2.本發(fā)明采用先快后慢的固溶加熱制度，通過快速加熱細(xì)化基體晶粒尺寸，降低 再結(jié)晶溫度，有利于少量的AI012K100〉織構(gòu)、Copper織構(gòu)的形成，同時在慢速加熱過程中， 此時晶?；景l(fā)生再結(jié)晶，再結(jié)晶織構(gòu)基本形成，Ni2Si析出相可W慢慢回溶到基體中，為 后續(xù)時效奠定基礎(chǔ)。
[0021] 3.為了縮小化-Ni-Si系合金板帶的各向異性，本專利通過控制一次冷社和二次冷 社的壓下率，使得最終銅合金板獲得沿橫向均勻分布的剪切帶。剪切帶的形成不僅能通過 位錯強化提高橫向強度，同時還促使Copper取向和S取向的晶粒通過非正?；坪头蔷w 學(xué)切變轉(zhuǎn)向Goss取向，再由Goss取向轉(zhuǎn)變成化ass取向，盡管化ass取向和Goss取向的存在 可縮小各向異性，但是如果橫向剪切比例增加，Brass組份W及Goss組份相應(yīng)增大，會嚴(yán)重 影響化-Ni-Si系合金的伸長率，因此，要將最終織構(gòu)組份的體積比控制在一定范圍內(nèi)。
[0022] 4.該工藝制備的Cu-Ni-Si系合金板材最終晶粒關(guān)鍵取向的體積分?jǐn)?shù)比例滿足式 (1)0.6<V(A+G+B)/V(C+S)