拉拔变形量对Cu-4_ma...g合金线材组织和性能的影响_谷继华.pdf

第44卷第7期2 0 2 3 年 7 月材 料 热 处 理 学 报TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENTVol.44 No.7July2023DOI:10.13289/j.issn.1009-6264.2022-0602拉拔变形量对 Cu-4 mass%Ag 合金线材组织和性能的影响谷继华1,张学宾1,周延军1,宋克兴1,2,李韶林1,曹 军3,张朝民1,张朋飞1,李 鑫1,吴捍疆1(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023;2.河南省科学院,河南 郑州 450002;3.河南理工大学机械与动力工程学院,河南 焦作 454000)摘 要:采用三室真空冷型竖引连铸设备制备了线径为 7.821 mm 的铸态 Cu-4 mass%Ag 合金杆,并利用多道次连续拉拔工艺制备了变形量分别为 53.38%、93.14%和 98.37%的线材;分别对铸态和拉拔态的 Cu-4 mass%Ag 合金线材进行力学性能、电学性能测试以及微观组织分析。结果表明:铸态 Cu-4 mass%Ag 合金杆的抗拉强度为 236 MPa、导电率为 88.50%IACS,当拉拔变形量达到 98.37%时,抗拉强度升高到 674 MPa,提升了 185.59%,而导电率下降到 81.00%IACS,仅下降了 8.47%;铸态 Cu-4 mass%Ag合金杆的横截面组织为典型的“纺布”状枝晶、纵截面为“鱼骨”状枝晶,随着拉拔变形量的增加,线材在纵截面上整体结构呈现出纤维状组织,边缘部分的变形程度要比心部剧烈;当拉拔变形量达到 98.37%时,产生了形变孪晶。加工硬化和细晶强化是Cu-4 mass%Ag 合金线材拉拔过程中的主要强化机制。关键词:Cu-4 mass%Ag 合金;连续拉拔;力学性能;电学性能;微观组织中图分类号:TG146.1 文献标志码:A 文章编号:1009-6264(2023)07-0065-09收稿日期:2022-11-24 修订日期:2023-02-27基金项目:国家自然科学基金(U21A2051);中原学者工作站资助项目(214400510028);河南省重点研发与推广专项(212102210441);中国工程科技发展战略河南研究院战略咨询研究项目(2021HENZDA02)作者简介:谷继华(1996),男,硕士研究生,主要从事高性能铜合金工艺开发与研究,E-mail:2545055142 。通信作者:张学宾(1973),男,副教授,博士,主要从事材料成形数值模拟研究,E-mail:zhangxb317 。引用格式:谷继华,张学宾,周延军,等.拉拔变形量对 Cu-4 mass%Ag 合金线材组织和性能的影响J.材料热处理学报,2023,44(7):65-73.GU Ji-hua,ZHANG Xue-bin,ZHOU Yan-jun,et al.Effect of drawing deformation on microstructure and properties of Cu-4 mass%Ag alloy wireJ.Transactions of Materials and Heat Treatment,2023,44(7):65-73.Effect of drawing deformation on microstructure and properties of Cu-4 mass%Ag alloy wire GU Ji-hua1,ZHANG Xue-bin1,ZHOU Yan-jun1,SONG Ke-xing1,2,LI Shao-lin1,CAO Jun3,ZHANG Chao-min1,ZHANG Peng-fei1,LI Xin1,WU Han-jiang1(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471023,China;2.Henan Academy of Sciences,Henan Province,Zhengzhou 450002,China;3.School of Mechanical and Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)Abstract:As-cast Cu-4 mass%Ag alloy rod with a wire diameter of 7.821 mm was prepared by using a three-chamber vacuum-cooled vertical continuous casting equipment,and the wire rods with deformation of 53.38%,93.14%and 98.37%were prepared by multi-pass continuous drawing process.Mechanical properties,electrical properties and microstructure of the as-cast and as-drawn Cu-4 mass%Ag alloy wires were tested respectively.The results show that the tensile strength of the as-cast Cu-4 mass%Ag alloy rod is 236 MPa,and the electrical conductivity is 88.50%IACS.When the drawing deformation reaches 98.37%,the tensile strength increases to 674 MPa,which increases by 185.59%,while the electrical conductivity decreases to 81.00%IACS,which decreases by 8.47%.The cross section microstructure of the as-cast Cu-4 mass%Ag alloy rod is typical“spinning cloth”dendrite,and the longitudinal section microstructure is“fishbone”dendrite.With the increase of drawing deformation,the overall microstructure of the wire rod in the longitudinal section presents fibrous structure,and the deformation degree of the edge part is more severe than that of the core part.When the drawing deformation reaches 98.37%,deformation twins are formed.Work hardening and fine grain strengthening are the main strengthening mechanisms in the drawing process of the Cu-4 mass%Ag alloy wire rod.Keywords:Cu-4 mass%Ag alloy;continuous drawing;mechanical property;electrical property;microstructure 材 料 热 处 理 学 报第 44 卷 随着第五代移动通信网络(5G)的快速普及,无人驾驶、工业自动化、移动通讯等人工智能产业领域飞速发展,对于集成电路的性能有了更高的要求1-2。键合线作为连接引线框架引脚和集成电路硅片、传达电信号的关键零部件材料,要求在保持较高导电率的情况下,兼具较高的抗拉强度。由于键合金丝成本太过昂贵,键合铜丝的抗拉强度较低,同时考虑到铜丝线材具有较好的电学性能和热力学性能,因此以铜为基体加入其他合金元素的铜基丝线材的研究成为了国内外学者较为关注的问题3-4。银与铜属于同一族元素,晶体结构均为面心立方,两者的物理化学性质相接近,所以在铜基体中引入第二相银元素进行合金化处理能够达到较少降低导电率的同时,极大地提高材料的抗拉强度5。针对于铜银合金,随着 Ag 元素的加入,合金中的共晶体开始出现并逐渐增多,形成的银纤维相增多且趋于均匀分布,合金强度显著提高而导电率下降6-7。秦芳莉等8研究发现 Cu-2Ag 合金在冷拉拔过程中,柱状晶组织逐步演变为纤维状组织,并形成了强化银纤维;漏卫娟等9研究发现随着应变程度的增加,Cu-6Ag 合金原始组织中的基体晶粒、不平衡共晶体及次生相粒子最终演变成细密的纤维结构,使得合金强度与电阻率上升;宁远涛等10研究发现,Cu-10Ag 合金中的 Ag 纤维平均尺寸会随着真应变的增大而以负指数函数的形式减小,极限强度会以指数函数的形式增大;Song 等11研究发现,Cu-20Ag 合金应变速率的增加会增加流动应力和临界应变,降低材料的的绝热剪切敏感性;Xie 等12研究发现位错强化和边界强化是冷轧 Cu-15Ag 合金稳态强化的主要强化机制,添加 Ag 元素增加了 Cu 固溶体中位错和亚晶界的极限浓度,使冷轧 Cu-15Ag 合金具有更高的稳态强度。本文采用三室真空冷型竖引连铸设备,制备了线径为 7.821 mm 的铸态 Cu-4 mass%Ag 合金杆,并利用多道次连续拉拔工艺制备了不同变形量的线材;分别研究了铸态和拉拔态的 Cu-4 mass%Ag 合金线材的微观组织、力学性能以及电学性能,以期为铜银合金丝线材的研发与应用提供基础数据和理论依据。1 试验材料与方法采用三室真空冷型竖引连铸设备,制备了7.821 mm 的铸态 Cu-4 mass%Ag 合金杆坯。原材料选 用 1 号 电 解 铜(99.95%)和 高 纯 银 颗 粒(99.99%),其质量比例为 96 4,试验时的拉拔连铸速度为 120 mm/min。在室温下经过多个道次的连续拉拔获得了 5.340、2.049 和 0.999 mm 的 Cu-4 mass%Ag 合金线材,相对应的拉拔变形量分别为53.38%、93.14%和 98.37%。分别对铸态和拉拔态的 Cu-4 mass%Ag 合金线材试样进行电学性能和力学性能测试,并观察分析其显微组织:选用 TX-300 型智能金属导体电阻率仪对试样进行导电率测量,导电率的单位选用国际退火铜标准(%IACS);选 用300 kN 材料试验机(INSTRON5587)对试样进行拉伸试验,拉伸试样的长度为 160 mm,试验温度为 25,拉伸试验标准采用 GB/T 228.12021金属材料拉伸试验 第 1 部分:室温试验方法;选用 ICX41M型倒 置 金 相 显 微 镜 对 打 磨、抛 光 和 腐 蚀 后 的Cu-4 mass%Ag 合金试样进行微观组织观测,观测界面包括横截面和纵截面,如图 1 所示,腐蚀液由硝酸铁、盐酸、温蒸馏水以 1 5 4的比例配制而成;选用FEI Talos F200X 型透射电镜(TEM)对拉拔态的Cu-4 mass%Ag 合金线材试样进行微观组织观测。图 1 取样位置(a)横截面;(b)纵截面Fig.1 Sampling location(a)cross section;(b)longitudinal section2 试验结果与分析2.1 显微组织分析 图2 为不同变形量的 Cu-4 ma