中国有色金属学报 2003,(03),717-721 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.037
Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金时效过程的动力学分析
洛阳工学院材料科学与工程系,洛阳工学院材料科学与工程系,洛阳工学院材料科学与工程系,洛阳工学院材料科学与工程系,洛阳工学院材料科学与工程系,洛阳工学院材料科学与工程系 洛阳471039 ,洛阳471039 ,洛阳471039 ,洛阳471039 ,洛阳471039 ,洛阳471039
摘 要:
通过研究时效过程中电阻率的变化规律 ,分析了Cu 3.2Ni 0 .75Si 0 .30Zn合金的时效析出特性及其动力学过程。结果表明 :低温时效时扩散作用是合金析出过程的主要控制因素 ,时效早期通过调幅分解形成溶质原子的富集区 ,然后在溶质富集区发生失稳有序化 ,最后生成δ Ni2 Si相 ;高温时效时相变驱动力成为主要控制因素 ,由于生成δ Ni2 Si相的驱动力较大 ,所以直接析出δ Ni2 Si相。结合透射电镜研究了合金时效过程中显微组织的变化 ,并得出了合金的时间—温度—转变曲线 (即TTT曲线 )。
关键词:
中图分类号: TG156.92
作者简介:张凌峰(1974),男,硕士研究生.;刘 平,教授;电话:03793219449;Email:liuping@mail.haust.edu.cn;
收稿日期:2002-07-20
基金:河南省重大科技攻关项目 (0 12 2 0 2 130 0 );
Kinetics of aging process of Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn alloy
Abstract:
By studying the change of the resistivity in aging process, the kinetics of the aging process of Cu-3.2Ni- 0.75Si-0.30Zn alloy was analysed. The results show that the diffusion is the main factor in the deposition of alloy, so in the early stage the enriched area is formed through spinodal decomposition, then the process of ordering is happened in those fields, and finally the phase of δ-Ni 2Si is deposited. During aging at higher temperature the driving force of phase transformation becomes the main factor. For the driving force of δ-Ni 2Si is higher, it can be deposited directly. The transformation of microstructure was studied with TEM, the time-temperature-transformation curve(T-T-T curve) was obtained.
Keyword:
copper alloy; aging; kinetics; resistivity; spinodal decomposition;
Received: 2002-07-20
集成电路的发展已进入特大规模阶段, 随着集成度的不断提高, 引线框架的线宽逐渐减小, 对其封装材料的要求也越来越高
本文作者通过研究Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金在时效过程中电阻率的变化规律, 分析了该合金的时效析出过程, 并结合时效过程中的显微组织变化, 绘制了时间—温度—转变曲线, 最后通过其时效过程中自由能的变化, 探讨了Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金在时效析出过程中的主要控制因素及析出特性。
1 实验
实验用Cu-Ni-Si合金是由中频感应炉炼制且经过轧制后的板材, 其成分(质量分数, %)为Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn。
合金的固溶处理在RJX-2.5-10型箱式电阻炉中进行, 工艺为在900 ℃保温1 h, 然后水淬, 固溶处理后Ni、 Si元素基本可以溶入Cu基体中
2 结果与分析
图1所示为Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn固溶合金在低温下(250~450 ℃)时效时电阻率随时间变化的曲线。 由图1可见: 随着时效温度的升高、 时效时间的延长, 电阻率不断下降, 但在下降的过程中, 电阻率在某一时间阶段会出现短暂的上升。 如图1所示, 这种变化的开始时间在 250 ℃时效时为600 s , 在300 ℃时效时为300 s, 在400 ℃时效时为60 s, 在450 ℃时效时为120 s。 过饱和固溶体时效早期出现的这种现象是由于溶质原子在基体上某一区域内偏聚造成的, 这个过程是由调幅分解形成的
在调幅分解过程中, 基体与溶质富集区始终保持共格关系, 由于溶剂原子与溶质原子半径的差异, 为降低弹性能, 溶质原子总是沿着变形抗力小的晶向富集, 这就形成了格子布一样的调幅组织。 图2(a)所示是Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金在450 ℃时效15 min的调幅组织, 其衍射斑点如图2(b)所示, 表现为典型调幅组织的卫星斑点
图3(a)所示是450 ℃时效2 h的微观组织: 图3(b)所示是450 ℃时效4 h的微观组织。
在调幅分解的过程中, 成分按正弦曲线周期变化, 随着时间的延长, 正弦曲线波长增大, 溶质富化区与贫化区的浓度梯度增加, 这时可明显觉察到组织的粗化, 表现为格子布越来越粗
Ni2Si相, 如图3(b)所示。
为分析合金高温时的析出过程, 分别在500、 550、 600和650 ℃温度下进行时效, 测出合金的电阻率随时效时间变化的曲线, 如图4所示。 由图4可见: 与低温相比, 高温时效不出现电阻率上升的情况, 即不发生调幅分解过程。 与各时效温度对应的曲线分别在14 400、 150、 10和30 s处出现电阻率急剧下降的现象, 此后均趋于平稳。 这种情况出现是由于温度较高时合金相应具有较高的相变能, 所以合金可以不经过调幅分解而直接以形核长大的方式析出δ-Ni2Si相, 这说明在上述各时间处即有δ-Ni2Si相的析出。
影响铜合金导电性能的主要因素是溶质原子对电子的散射作用, 基体中固溶元素含量越多, 对电子的散射作用就越强
随着析出过程的不断进行, 第二相开始聚集长大。 图5(a)所示为500 ℃时效8 h的微观组织, 图5(b)所示为550 ℃时效2 h的微观组织。 从图5可见到已长大的析出相。 图5(b)所示是由晶界偏析形成的第二相, 这也从另一个方面说明了高温时是不经过调幅分解, 而是直接以形核长大的方式析出δ-Ni2Si相的。
根据上述分析, 低温时效时(见图1), 电阻率出现上升的点即为调幅分解的开始点, 而其后电阻率突然下降的点则为有序化的发生点
时效转变具有以上特征, 可由图7所示的自由
能与浓度曲线予以说明。 在低温时效条件下, 溶质原子的浓度差较大, 析出动力较大, 但Ni, Si原子的活动能力小, 溶质原子通过调幅分解形成溶质富集区, 随着时效时间的延长, 溶质浓度到达X点, 有序化可以使自由能降低, 因此出现有序化过程。 此过程中溶质原子的浓度将进一步富集, 当富集程度可以为δ-Ni2Si的生成提供足够多的Ni、 Si原子时, 便析出δ-Ni2Si相。 在高温条件下, 溶质原子的过饱和度虽然减小, 析出动力不足, 但生成δ-Ni2Si相的自由能差较大, 此时Ni, Si原子的提供不再是主要控制因素, 而相变能量的大小便成为主要控制因素。
在研究了动力学过程的基础上, 我们还对该合金的冷变形及热处理工艺进行了研究。 在合适的工艺处理后, Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金可以达到极高的硬度和较高的电导率, 作为一种引线框架材料有着优异的使用性能, 再加上价格低廉等优点, 该合金将会引起大家越来越多的关注。
3 结论
1) Cu-3.2Ni-0.75Si-0.30Zn合金过饱和固溶体的时效分解过程中, 在低温条件下, 扩散因素是析出过程的主要控制因素; 高温时, 相变驱动力是主要控制因素。
2) 低温下合金在时效早期通过调幅分解形成溶质原子的富集区, 然后发生失稳有序化, 最后生成δ-Ni2Si相。
3) 高温时效时由于生成δ-Ni2Si相的驱动力较大, 所以直接析出δ-Ni2Si相。
参考文献