0 引言

铜及其合金具有很高的导热、导电性能，良好的抗腐蚀性能，在工业中有着广泛的应用。科学技术和现代工业的迅速发展对铜及其合金的使用性能提出了更高的要求。例如大规模集成电路的引线框架、电焊电极、高压开关弹片、微波管及宇航飞行器的元器件等，都要求材料在保持优异的导电性能的同时，具有足够的室温强度。但纯铜和现有牌号铜合金的导电性与强度及高温性能难以兼顾，不能全面满足航天、航空、微电子等高技术迅速发展对其综合性能的要求^[1]，如大规模集成电路引线框架材料，按微电子技术发展所需指标：抗拉强度大于600 MPa, 电导率大于80%IACS, 抗高温软化温度大于800K。

在铜中添加其他元素可提高强度和硬度，但往往会使电导率降低，为此，人们开发出了强度和导电性兼优的析出强化型合金，它是通过将固溶元素形成适当的化合物产生强化，同时，通过降低其在铜基体中的固溶浓度来抑制导电率的降低.实验证明稀土是一种有益的添加元素，它在铜及其合金中的主要性能是改善导电性、力学性能和提高热加工性等，而且不同含量的稀土对铜及其合金的影响不同^{[2, 3]}。

1 实验过程 1.1 成分设计

开发高导电高强度铜合金遇到的首要问题是材料的导电性与强度难以兼顾的矛盾，即电导率高则强度低, 强度的提高是以损失电导率为代价，传统的强化手段，由于自身的局限性，在保持铜高导电性的同时，对强度的提高有一定的限制。固溶在铜基体中的原子引起的铜原子点阵畸变对电子的散射作用较第二相引起的散射作用要强得多，导致合金的导电率下降。而沉淀强化不会降低铜的导电性，且强化材料的作用还改善了其室温和高温力学性能，成为获得高强度导电铜材料的主要强化手段。其设计原理是：根据材料的性能要求，选用适当的产生沉淀强化的合金元素(一种或多种)，通过降低合金元素在铜中的固溶度来抑制电导率的降低，既保持高导电性，又充分发挥强化相的强化作用，二者协同作用，使材料的导电性达到良好的匹配。

沉淀强化的合金元素应具备以下两个条件：一是高温和低温时在铜中的固溶度相差较大, 以产生足够的弥散相；二是室温时在铜中的固溶度很小，以保持基本的导电性^[4]。

按照上述的设计原理选用Cr、Y为合金元素，由Cu -Cr相图可知：Cr在铜中的最大固溶度为0.8%，为使合金既有时效硬化效果又不使电导率下降太多，所以设计Cr的含量(质量分数)为0.8%，而Y的含量(质量分数)设计为0.05%~0.4%。

1.2 实验进行

按实验的要求进行成分设计，按成分要求配制了四种试样以备熔炼，其化学成分分别为Cu0.8Cr、Cu0.8Cr0.05Y、Cu0.8Cr0.1Y和Cu0.8Cr0.4 Y，其中Y和Cr均以中间合金的形式加入，利用真空中频感应炉进行熔炼，金属模中浇铸，对所得到的铸态铜锭作金相观察；将部分铜锭锯成片状进行淬火处理(1 000℃和950℃固溶处理)，然后在480℃温度下进行1h、3h、5h、6h等不同时间的时效处理；对固溶处理试样和时效处理试样分别进行金相分析, 硬度和电导率的测量。

2 实验结果 2.1 硬度和电导率

利用HXS-1000AK显微硬度计和7501涡流电导仪分别测定了不同时效时间下的Cu0.8Cr、Cu0.8Cr0.05Y、Cu0.8Cr0.1Y和Cu0.8Cr0.4 Y的硬度和电导率，得到的硬度和电导率随时效时间变化的关系曲线如图 1~图 4所示。

2.2 金相组织

利用电解抛光装置在电流密度为1A/cm²，浸蚀时间为20 s的条件下对研究试样进行电解浸蚀，经电解浸蚀所得的金相试样衬度分明，轮廓清晰，显微组织在MeF3型金相显微镜下观察，如图 5~图 8所示。

3 分析与讨论 3.1 硬度随合金成分和时效时间的变化

由图 1和图 2可见：在铸态和淬火态下，Cu0.8Cr0.4Y的硬度均为最大。各个合金的硬度均随时效时间出现波动，无论固溶温度在1 000℃还是在950℃，合金的硬度均在时效2h达到最大。另外从图中还可见，尽管Cu0.8Cr0.4Y的硬度较高，但当时效时间达6h后，它的硬度下降幅度最大，说明这种合金容易过时效^[5]。

3.2 电导率随合金成分和时效时间的变化

由图 3和图 4可见：与铸态和淬火态比较，经过时效处理后各合金的电导率均明显上升，其中Cu0.8Cr0.1Y合金经时效后的电导率最好，但总体上电导率随成分和时效时间的变化不明显。

就本实验而言，综合考虑硬度和电导率，笔者认为合适的Y添加量为0.4%，固溶温度为950℃，时效温度为480℃，时效时间为2h。

3.3 显微组织分析

实验只观察了Cu0.8Cr0.05Y和Cu0.8Cr0.1Y二种合金的显微组织：

在铸态下，比较图 5a和图 5b可见，Y含量的增加对晶粒尺寸的影响不大，但由图 7可见，经过时效2h后，Cu0.8Cr0.1Y合金的晶粒有明显的细化，伴随着硬度升高，导电率升高；时效6h后，Cu0.8Cr0.1Y合金的晶粒仍然比Cu0.8Cr0.05Y合金的更为细小，且Cu0.8Cr0.1Y合金中析出相的颗粒也增多，但硬度的测量值却变小。

4 结论

(1) 经不同固溶处理和时效后，各合金的硬度均随时效时间的变化而变化，且在时效2h后都出现一个极大值。

(2) 就电导率而言, 经过时效处理后的各合金电导率明显上升，但总体上电导率随成分的变化不明显。

(3) Y含量的增加对晶粒尺寸的影响不大，但是经过时效处理后，Cu0.8Cr0.1Y合金的晶粒被明显的细化。