Research on the Influence of Ce on the Microstructure, Precipitation and Properties of High-performance Silicon White Copper Solder

JIA Fei; ZHAO Dan; CHENG Zhan; FAN Zhibin; NING Shaochen; LI Xiaoliang

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.04

“Huaguang”Cup Excellent Thesis Recommendation | Views : 0 下载量: 910 CSCD: 0

PDF
Export
Share
Collection
Album

Research on the Influence of Ce on the Microstructure, Precipitation and Properties of High-performance Silicon White Copper Solder
Vol. 54, Issue 10, Pages: 32-41(2024)
Received：12 July 2024，

Published：25 October 2024
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.04
稿件说明：

移动端阅览

贾飞，赵丹，程战，等.稀土Ce对高性能硅白铜焊料组织、析出和性能的影响规律研究［J］.电焊机，2024，54（10）：32-41. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.04.

JIA Fei, ZHAO Dan, CHENG Zhan, et al.Research on the Influence of Ce on the Microstructure, Precipitation and Properties of High-performance Silicon White Copper Solder[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(10): 32-41. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.10.04.

摘要

为研究Ce族稀土元素对高性能硅白铜焊料的凝固组织、固溶组织、时效析出行为和性能的影响规律。采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和电子探针（EPMA）等设备，对添加不同Ce含量的Cu-Ni-Si焊料进行组织观察和性能测试。结果表明：Ce族稀土元素的添加显著细化了硅白铜焊料的凝固组织，焊料凝固组织晶粒尺寸由未添加前的200 μm减小到添加后的40 μm。添加Ce元素抑制了焊料的固溶再结晶进程，细化了再结晶晶粒尺寸，添加Ce前再结晶温度为900 ℃，添加Ce后提高至950 ℃，添加Ce前再结晶晶粒尺寸为180 μm，添加Ce后缩小为90 μm。Ce元素的添加可促进Ni、Si元素的析出和抑制过时效阶段析出相的长大，但不改变时效析出相的类型，时效析出相为圆盘状的δ-Ni

Si和棒状的β-Ni

Si。Cu-3.2Ni-0.75Si-0.06Ce硅白铜焊料焊料在450 ℃时效4 h后达到最佳性能，抗拉强度为747 MPa，剪切强度为454 MPa，相较于未添加Ce元素的Cu-3.2Ni-0.75Si焊料，抗拉强度提高了117 MPa，增幅为18.6%，剪切强度提高了91 MPa，增幅25%。

Abstract

The aim of this paper is to study the influence of Ce-group rare earth elements on the solidification structure

solid solution structure

aging precipitation behavior

and properties of high-performance silicon white copper solder. Scanning electron microscopy (SEM)

transmission electron microscopy (TEM)

and electron prob

e microanalysis (EPMA) were used to observe the microstructure and test the properties of Cu-Ni-Si solders with different Ce contents. The results show that the addition of Ce-group rare earth elements significantly refines the solidification structure of the silicon white copper solder

reducing the grain size from 200 μm to 40 μm after addition. The addition of Ce elements inhibits the solid solution recrystallization process of the solder and refines the recrystallized grain size

increasing the recrystallization temperature from 900 ℃ to 950 ℃ and reducing the recrystallized grain size from 180 μm to 90 μm. The addition of Ce elements can promote the precipitation of Ni and Si elements and inhibit the growth of precipitated phases during the over-aging stage

but it does not change the type of aging precipitated phases

which are disk-shaped δ-Ni

Si and rod-shaped β-Ni

Si. The Cu-3.2Ni-0.75Si-0.06Ce silicon white copper solder achieves the best performance after aging at 450 ℃ for 4 h

with a tensile strength of 747 MPa and a shear strength of 454 MPa. Compared to the Cu-3.2Ni-0.75Si solder without Ce elements

the tensile strength is increased by 117 MPa

an increase of 18.6%

and the shear strength is increased by 91 MPa

an increase of 25%.

关键词

Keywords

references

SUZUKI S ， SHIBUTANI N ， MIMURA K ， et al . Improvement in strength and electrical conductivity of Cu-Ni-Si alloys by ageing and cold rolling ［J］. Journal of Alloys and Compounds ， 2006 ， 417 （ 1-2 ）： 116 - 120 .

LEE B D ， SON H T ， HAN J W . Microstructure and tensile strength on aging behavior of Zn containing Mg-2Sn-0.4Mn alloy ［J］. Intermetallics ， 2013 ， 32 ： 214 - 218 .

XIE H ， JIA L ， LU Z L . Microstructure and solidification behavior of Cu-Ni-Si alloys ［J］. Materials Characterization ， 2009 ， 60 （ 2 ）： 114 - 118 .

LEI Q ， LI Z ， WANG M P ， et al . The evolution of microstructure in Cu-8.0Ni-1.8Si-0.15Mg alloy during aging ［J］. Material Science and Engineering A ， 2010 ， 527 （ 24-25 ）： 6728 - 6733 .

刘峰，马吉苗，廖骏骏，等 . 固溶时效温度和冷变形对低含量 Cu-Ni-Si 焊料组织性能的影响［J］. 稀有金属， 2018 （ 4 ）： 356 - 361 .

LIU F ， MA J M ， LIAO J J ， et al . The influence of solid solution aging temperature and cold deformation on the microstructure and properties of low content Cu-Ni-Si alloys ［J］. Rare Metals ， 2018 （ 4 ）： 356 - 361 .

肖翔鹏，黄国杰，程磊，等 . 固溶时效工艺对 Cu-Ni-Si 焊料组织和性能的影响［J］. 稀有金属， 2011 ， 35 （ 5 ）： 673 - 678 .

XIAO X P ， HUANG G J ， CHENG L ， et al . The effect of solid solution aging process on the microstructure and properties of Cu-Ni-Si alloys ［J］. Rare Metals ， 2011 ， 35 （ 5 ）： 673 - 678 .

周清泉，帅歌旺，江炳进 . 热处理工艺对Cu-Ni-Si-Fe-P焊料组织与性能的影响［J］. 特种铸造及有色焊料， 2017 ， 37 （ 1 ）： 100 - 103 .

ZHOU Q Q ， SHUAI G W ， WANG B J . The effect of heat treatment process on the microstructure and properties of Cu-Ni-Si-Fe-P alloys ［J］. Special-cast and Non-ferrous Alloys ， 2017 ， 37 （ 1 ）： 100 - 103 .

周小中 . Cu-Ni-Zn-Al系新型高强导电弹性铜焊料组织、性能及相关基础研究［D］. 湖南：中南大学， 2010 . ZHOU X Z. Research on the Structure， Properties， and Related Fundamentals of Cu-Ni-Zn Al Series High Strength Conductive Elastic Copper Alloys［D］. Hunan：Central South University ，2010.

秦佳 . 硅元素和变形温度对Cu-20Zn焊料组织性能及退火行为的影响［D］. 湖南：中南大学， 2014 .

QIN J . The influence of silicon element and deformation temperature on the microstructure， properties， and annealing behavior of Cu-20Zn alloys ［D］. Hunan ： Central South University ， 2014 .

贾飞，赵丹，李宇佳，等 . 基于原位观察的Cu-Ni-Si 金凝固过程及机理研究［J］. 电焊机， 2021 ， 51 （ 10 ）： 119 - 125 .

JIA F ， ZHAO D ， LI Y J ， et al . Study on Solidification Process and Mechanism of Cu-Ni-Si Alloys Based on In Situ Observation ［J］. Electric Welding Machine ， 2021 ， 51 （ 10 ）： 119 - 125 .

张涛 . 稀土添加和时效处理对Cu-Ni-Si焊料组织与性能的影响［D］. 山东：山东大学， 2017 ： 39 - 45 .

ZHANG T . Effects of Rare Earth Addition and Aging Treatment on the Microstructure and Properties of Cu-Ni-Si Solder ［D］. Shandong ： Shandong University ， 2017 ： 39 - 45 .

兖利鹏，李全安，陈晓亚 . 剧烈塑性变形工艺加工超细晶镁合金的强化机理［J］. 材料热处理学报， 2019 ， 40 （ 3 ）： 20 - 26 .

YAN L P ， LI Q A ， CHEN X Y . Strengthening mechanism of ultrafine-grained magnesium alloys processed by severe plastic deformation ［J］. Transactions of Materials and Heat Treatment ， 2019 ， 40 （ 3 ）： 20 - 26 .

王波，徐海强，董中奇，等 . Ce对AH36船板钢凝固组织和硬度的影响［J］. 铸造技术， 2018 ， 39 （ 7 ）： 1424 - 1426 .

WANG B ， XU H Q ， DONG Z Q ， et al . Effect of Ce on the solidification microstructure and hardness of AH36 shipbuilding steel ［J］. Foundry Technology ， 2018 ， 39 （ 7 ）： 1424 - 1426 .

Gadman T . Precipitation hardening in metals ［J］. Materials Science and Technology ， 1999 ， 15 （ 1 ）： 30 - 36 .

潘志勇，汪明朴，李周，等 . 添加微量元素对Cu-Ni-Si合金性能的影响［J］. 材料导报， 2007 ， 21 （ 5 ）： 86 - 89 .

PAN Z Y ， WANG M P ， LI Z ， et al . Effect of adding trace elements on the properties of Cu-Ni-Si alloys ［J］. Materials Review ， 2007 ， 21 （ 5 ）： 86 - 89 .

贾飞，赵丹，田希晨，等 . 固溶温度对双辊铸轧Cu-3.2Ni-0.75Si合金组织与性能的影响［J］. 特种铸造及有色合金， 2022 （ 04 ）： 500 - 504 .

JIA F ， ZHAO D ， TIAN X C ， et al . Effect of solution temperature on the microstructure and properties of Cu-3.2Ni-0.75Si alloy cast by twin-roll casting ［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys ， 2022 （ 04 ）： 500 - 504 .

王晓娟，谢春晓，柳瑞清 . Ce对Cu-Ni-Si合金显微组织及性能的影响［J］. 上海有色金属， 2009 ， 30 （ 4 ）： 150 - 152 .

WANG X J ， XIE C X ， LIU R Q . Effect of Ce on the microstructure and properties of Cu-Ni-Si alloys ［J］. Shanghai Nonferrous Metals ， 2009 ， 30 （ 4 ）： 150 - 152 .

王家敏 . 混合稀土对Cu-Ni-Si铸态合金组织和电性能的影响［J］. 中国稀土学报， 1997 ， 15 （ 1 ）： 36 - 40 .

WANG J M . Effect of mixed rare earth on the microstructure and electrical properties of Cu-Ni-Si cast alloys ［J］. Chinese Journal of Rare Earths ， 1997 ， 15 （ 1 ）： 36 - 40 .

毛向阳，方峰，谈荣生，等 . 稀土对铜及铜合金组织和性能影响的研究进展［J］. 稀土， 2008 ， 29 （ 3 ）： 78 - 83 .

MAO X Y ， FANG F ， TAN R S ， et al . Research progress on the effect of rare earth on the microstructure and properties of copper and copper alloys ［J］. Rare Earths ， 2008 ， 29 （ 3 ）： 78 - 83 .

袁孚胜，钟海燕，金平，等 . 微量稀土Ce对Cu-Si-Ni合金性能的影响［J］. 上海有色金属， 2010 ， 31 （ 3 ）： 118 - 120 .

YUAN F S ， ZHONG H Y ， JIN P ， et al . Effect of trace rare earth Ce on the properties of Cu-Si-Ni alloys ［J］. Shanghai Nonferrous Metals ， 2010 ， 31 （ 3 ）： 118 - 120 .

Alert me when the article has been cited

提交

Laser Powder Bed Fusion Forming Process and Properties of Inconel 625 Nickel-Based Alloy

Study on Microstructure and Properties of Brazed Joint of High-entropy Alloy Composite Solders

Failure Analysis and Performance Comparison of Brazing Filler Metals for Induction Brazing Motor Rotor

Study on the Porosity and Heat Treatment of GH3230 Nickel-based Superalloy Prepared by SLM

Optimization on MIG Welding Processing Parameters of 7A52 Aluminum Alloy Medium-Thickness Plate