随着世界电子信息技术的快速发展，引线框架用铜合金带材取得了惊人的发展，不仅用量增加，而且产品品种也不断的更新换代^[1]。引线框架材料作为关键体，在半导体元器件和集成电路中发挥了不可替代的作用。目前国际市场上的引线框架材料中，有80%以上是铜基引线框架材料^[2-3]。Cu-Ni-Si合金具有很高的加工硬化特性，经过固溶处理、强冷变形、时效处理后，提高了材料的抗拉强度和延伸率^[4]。

随着汽车产业发展迅速，以及国内汽车产量的大幅增加，新能源汽车市场逐渐扩大的同时传统汽车用量不减，以致于发动机大电流连接器用铜带供不应求^[5-7]。目前市场所需大部分仍然依赖进口^[8]。国内部分企业也瞄准这一市场，加大科研力度，在此基础上开发出了适用于汽车发动机用的框架材料。这部分产品虽然也能满足一部分需求，但存在着生产周期长、成品率偏低、质量不稳定等问题，规模化生产受到较大制约。因Cu-Ni-Si合金是目前热门的研发方向，各企业对自己研发的工艺都严格保密。无法获取更具体的情况，只能通过市场反馈得知，目前国内企业Cu-Ni-Si合金的力学性能和导电性能平衡点没有掌握好^[9]，力学性能满足要求时导电性能有所欠缺，而导电性能达到要求时，力学性能无法满足发动机大电流连接器的使用。

因此，公司通过实验，明确了某发动机大电流Cu-Ni-Si合金成品热处理工艺，使得最终产品的力学性能和导电性能完全满足客户要求。

1   试验材料和设备

1.1   试验材料及客户要求

试验材料为公司生产的Cu-Ni-Si合金，其化学成分如表 1所列。

表  1  Cu-Ni-Si合金的化学成分

Table  1.  Chemical composition of strip

下载: 导出CSV 

| 显示表格

从表 1可以看出：此次实验材料的化学成分完全符合ASTM B888标准^[10]中对于Cu-Ni-Si合金的要求。

某发动机大电流Cu-Ni-Si合金成品的力学性能及电性能要求如表 2所列。

表  2  性能要求

Table  2.  Performance Requirement

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   实验工艺

根据前期公司其他用途的Cu-Ni-Si合金的生产工艺，将大电流连接器用Cu-Ni-Si合金的生产工艺初步确定如下：

铸锭加热→热轧→双面铣→粗轧→横剪切边→中间产品退火→中间产品清洗→预成品轧制→预成品固溶热处理。

后续工艺按照后续制定的实验方案进行。

1.3   检测设备

拉伸试验：INSTRON 5582万能材料拉伸试验机检测；

HV硬度检测：HMV-2T型显微硬度计；

金相检测：Leitz WETZLAR MM6型金相显微镜；

导电率：FD-102便携式涡流导电仪。

1.4   实验方案

实验以0.35 mm成品为例，前期铸锭加热、热轧、双面铣、粗轧、中间退火及清洗工艺均保持一致，只是对最终成品的退火工艺和最终成品的冷轧加工率进行调整。

首先确认最终成品的冷轧加工率，见表 3。

表  3  冷轧实验方案

Table  3.  Cold rolling experiment programs

下载: 导出CSV 

| 显示表格

根据前期的生产经验及阳大云等^[11]的实验可知，Cu-Ni-Si合金的时效时间为3 h，因此，只对不同加工率和时效温度进行研究。

2   分析与讨论

根据郑子樵^[12]编著的《材料科学基础》中的内容：经过冷变形的金属材料加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生无畸变的新晶粒，即再结晶。再结晶后，金属材料的性能发生明显的变化并恢复至完全软化状态。再结晶温度和结晶后晶粒大小与加热速度、冷变形程度等有关^[13]。

按照表 4中确定的实验方案进行逐一实验并记录实验数据，然后进行分析，以确定最终的工艺流程。

表  4  不同加工率下的材料力学性能

Table  4.  Result for experiment programs

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.1   不同冷轧加工率后材料力学性能

分别对加工为50%和65%轧至0.35 mm且未进行时效前的物料进行取样，检测不同加工率加工后材料的力学性能，结果如表 4所列。

表 4中，不考虑热处理工艺，只对不同加工率下的力学性能进行检测，从检测结果可以看出：随着冷轧加工率的增加，物料的HV硬度、抗拉强度、屈服强度等指标明显上升，延伸率和导电率下降明显。

在冷轧过程中，晶粒被压扁、拉长、晶粒破碎，使金属的塑性降低、强度和硬度增高^[14]。随着形变量的增大，运动位错和各种位错之间，以及各种运动位错与运动位错之间，便会产生一系列复杂的交互作用^[15]。形变愈大，晶粒的细碎程度愈大，亚晶界的量便愈多，位错密度便显著增大；同时，细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长^[16]，如图 1所示。

图  1  不同加工率下物料的金相

Figure  1.  Metallographic for different processing rate

下载: 全尺寸图片 幻灯片

随着形变量的增大，由于晶粒破碎和位错密度的增加，金属的塑性变形抗力将迅速增大，即硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降^[17]。同时，冷变形对合金电导率的影响主要是通过对晶体点阵完整性的破坏，造成缺陷增多，电子波散射增加，从而引起电导率下降^[18]。

2.2   不同时效工艺的分析

通过前面的分析可知，由于在变形中产生晶格畸变，在外力作用下通过运动位错产生形变时，位错的运动使有序畴内产生反相畴界，反相畴面积增大^[19]。晶粒的拉长和细化，出现亚结构以及产生不均匀变形等，使金属的变形抗力指标随着程度的增加升高，塑性指标降低。为满足最终的力学性能指标，需要对其配合热处理^[20]。

通过6组实验，得出的结果如表 5所列。

表  5  不同实验方案所测得的结果

Table  5.  Result for experiment programs

下载: 导出CSV 

| 显示表格

对拉力学性能和电性能统计，并绘制波动图，结果如图 2所示。

图  2  不同时效工艺下的拉伸性能

Figure  2.  Tensile property for different aging processing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

硬度值和电性能如图 3所示。

图  3  不同时效工艺下的硬度和电性能

Figure  3.  HV and electrical property for different aging processing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

由图 2、图 3可知：冷加工的加工率为50%时，随着时效温度的提高，其抗拉强度、屈服强度、HV硬度均呈上升趋势，而延伸率呈下降趋势。当冷加工的加工率为65%时，随着时效温度的提高，其抗拉强度、屈服强度、HV硬度反面呈下降趋势，而延伸率呈上升趋势。

与此同时，电性能无论是在哪个加工率下，随着时效温度的提高，导电率一直呈上升趋势。

根据hell-pitch关系可知，晶粒度大小对材料性能的影响很大^[10]，影响主要表现在塑性和蠕变等方面。特别是在高温使用情况下，为了降低高温蠕变，一般需要采用大晶粒；而在低温下，为了提高金属塑性和韧性，一般要求采用细晶粒^[21]。

合金的电导率主要取决于铜基体中溶质原子的浓度，溶质原子浓度越低，对自由电子的散射作用越弱，电导率就越高^[22]。冷变形对合金电导率的影响主要是通过对晶体点阵完整性的破坏，造成缺陷增多，电子波散射增加，从而引起电导率下降^[23]。

大电流连接器用Cu-Ni-Si合金经不同的冷变形和时效工艺后的力学性能和电性能的这种变化，是由于在时效初期，冷加工过程中储存的能量较大，使得Ni、Si原子活动能力增强，因此第2相的析出速度较快^[24]。后续随着时效温度的提高，并配合较大的冷加工的加工率，第2相开始长大，所以拉伸性能和硬度值也开始降低。

2.3   不同工艺下的物料金相

分析不同工艺下的金相，结果如图 4所示。

图  4  不同工艺下的物料金相

Figure  4.  Metallography for different processing

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图 4可以看出：合金经冷加工变形后，在时效过程中会发生析出相变。经冷变形再时效可加速第2相析出过程^[25]。在冷加工后的时效过程中，析出的弥散相能有效地阻止位错与晶界的移动，从而提高合金的强度。随时效时间的延长，基体中固溶元素不断析出，电导率持续上升，但随着时间的推移，基体中固溶元素含量减少，析出动力减小，析出速度减慢，故电导率上升趋势变慢^[26]。因此，冷加工率为50%后在500 ℃下时效3 h，材料的力学性能和电性能可达到：HV_{（0.3 kg）}为205±10，抗拉强度为（650±45）MPa、屈服强度为（540±70）MPa，延伸率大于13%，导电率大于42%IACS，完全满足某发动机大电流连接器用Cu-Ni-Si合金的使用要求。

对照客户需求的力学性能和电性能，冷加工率为50%、时效工艺为500 ℃×3 h和冷加工率为65%、时效工艺为460 ℃×3 h时产品的力学性能和电性能完全满足客户要求。但考虑到公司的设备能力，在冷加工率超过50%时，容易出现板型不良等质量问题，同时结合公司的生产效率等因素综合考虑，适用于公司生产某发动机大电流连接器用Cu-Ni-Si合金带材的较优工艺应为冷加工率为50%、时效工艺为500 ℃×3 h。

2.4   生产工艺验证

经过攻关，确定了某发动机大电流连接器用Cu-Ni-Si合金带材的较优工艺。公司在此工艺的基础上进行量产，根据统计，2019年1~6月份，共计发货215.3 t，月均发货近35.9 t，为公司创造了良好的效益。

统计6月份发货的产品，共计45.2 t，以卷数计，为22卷，其力学性能波动范围如表 6所列。

表  6  客户要求与实际检测结果对照

Table  6.  Customer requirements and measured results

下载: 导出CSV 

| 显示表格

表 6可以看出：通过该工艺生产的物料，其力学性能，包括导电率均完全满足客户要求，且形成规模销售，成为公司主要产品之一。

3   结论

1）在相同的前提下，随着冷轧加工率的增加，物料的HV硬度、抗拉强度、屈服强度等指标明显上升，延伸率和导电率下降明显。

2）冷加工的加工率为50%时，其抗拉强度、屈服强度、HV硬度随着时效温度的提高，呈上升趋势，而延伸率呈下降趋势，而电性能呈上升趋势。

3）冷加工的加工率为65%时，其抗拉强度、屈服强度、HV硬度随着时效温度的提高，反面呈下降趋势，延伸率呈上升趋势；但电性能仍呈上升趋势。

4）结合公司的设备能力及生产效率，客户对于产品的力学性能要求等因素综合考虑，将某发动机大电流连接器用Cu-Ni-Si合金带材的较优工艺确定为：冷加工率为50%、时效工艺为500 ℃×3 h。在此工艺下，可获得HV_{（0.3 kg）}在195~215之间、抗拉强度在630~710 MPa之间，屈服强度在470~600 MPa之间延伸率大于13.5%、导电率大于40%IACS的合格材料。