一种利用磁场处理制备高性能Cu-Fe形变原位复合材料的方法

摘要

一种利用磁场处理制备高性能Cu-Fe形变原位复合材料的方法，其特征在于，所述方法中Cu-Fe形变原位复合材料是通过配料、熔炼、浇注或连铸、磁场控制凝固、热锻或热轧、固溶处理、冷轧、冷拔、磁场控制时效工艺流程，最后得到成型的铜材。在铸锭凝固过程中施加磁场，控制Cu-Fe形变原位复合材料凝固，极其明显细化Fe枝晶，减小Fe偏析，使材料经后续冷变形加工后在基体中弥散分布均匀细小的Fe纤维相，大幅度提高材料的强度；在时效工艺处理中施加磁场，促进Fe析出，增加Fe粒子析出数量，减小析出相尺寸，促使析出相弥散分布，从而大幅度提高材料的导电率，进一步提高材料的强度；制备工艺简单、成本低。本发明适用于高性能Cu-Fe形变原位复合材料或类似材料的制备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用磁场处理制备Cu-Fe形变原位复合材料的方法，属有色金属材料技术领域。

背景技术

高强高导电铜合金材料是是具有优良综合物理性能和力学性能的结构功能材料，广泛应用于电子、信息、交通、能源、冶金、机电等领域。随着科学技术和现代工业的发展，对铜及铜合金的性能提出了更高的要求。在制造大规模集成电路引线框架、电气化铁路接触导线、高强磁场线圈、高压开关弹簧片、微波管以及宇航飞行器的元器件等都要求材料保持优异的导电性能的同时，具有更高的强度。探索具有优良综合物理性能和力学性能的高强高导电铜合金材料已经成为当今世界铜合金材料发展的热门。

1978年哈佛学者Bevk等首次发现Cu-20wt％Nb合金铸锭经大量变形后，Nb在铜基体中会形成定向排列的纤维，材料的强度可超过2000MPa，电导率接近70％IACS。这类复合材料的纤维组织是在材料制备过程中原位形成的，故称之为形变铜基原位复合材料，其最大的特点是具有超高的强度和良好的电导率匹配。后续的研究表明，Cu与b.c.c.的过渡族金属Cr、W、Mo、V、Fe等以及f.c.c.的Ag形成的合金具有类似的组织特点和力学性能，但材料的电导率随合金元素种类的不同而存在较大差异。至今形变铜基原位复合材料的研究虽然取得了大量的研究成果，但已有的研究集中于Cu-Nb和Cu-Ag原位复合材料，原因是Cu-Fe原位复合材料的强度和电导率明显低于其它材料。然而，Nb和Ag都是贵金属，而且Nb的熔点高达2648℃，液态Cu和Nb又存在较大的不溶混间隙，因此限制了这类新材料的工业规模制备和应用。相比之下Cu-Fe的原料来源广，材料成本低，且Fe的熔点相对较低，液态Fe与Cu的不溶混间隙较小，Cu-Fe母合金制备方便。因此，如果能提高Cu-Fe材料的强度和电导率，其在工业规模制备和应用方面更具发展潜力。

大量的实验研究表明：Cu-X原位复合材料的抗拉强度与纤维间距之间满足Hall-Petch关系：σ＝kλ^-1/2，斜率k与两相的剪切模量有关，第二相的剪切模量越高，材料的强化效果越好；而材料的电阻率可根据并联电路模型计算^[3]：1/ρ_C＝f_Cu/ρ_Cu+f_X/ρ_X，式中f_Cu和f_X分别为铜基体和X相的体积百分比。Verhoeven和Karasek指出，铜基体的电阻主要由四种散射机制造成：声子散射，位错散射，相界面散射和固溶杂质的散射，其中界面散射和杂质散射是决定材料电导率的主要因素。Fe和Nb的剪切模量分别为81.6GPa和48.3GPa，纯Fe和纯Nb的电导率分别为0.093/(μΩ·cm)和0.0693/(μΩ·cm)，因而，根据上述现有的形变铜基原位复合材料的强化和导电机制可以发现，体积分数相同的Cu-Fe和Cu-Nb经等量塑性变形后，Cu-Fe的强度和电导率都应该略大于同体积的Cu-Nb。但是，研究表明，Cu-Fe的强度要低于Cu-Nb，而电导率则比形变Cu-Nb低25-30％IACS。主要原因在于：(1)Fe纤维相对粗大且在铜基体中分布不均匀；(2)低温下Fe在铜基体中的扩散速度慢，导致室温下基体中Fe含量远远超过其平衡溶解度；(3)固溶于铜基体中的Fe原子会引起电子波强烈散射，严重降低铜基体的电导率。资料显示，固溶Fe原子对铜基体电导率的影响达到9.2μΩ·cm/wt％Fe，即每溶解0.1wt％Fe，铜基体的电导率将降低35％IACS，而固溶同量的Nb对铜基体电导率的影响不足1％IACS。因此，从理论上分析，Cu-Fe原位复合材料应该具有更好的强度和导电性能，同时成本低廉，是一种很有发展潜力的材料，研究开发的关键是要解决Fe纤维的粗大、分布不均和Fe原子在铜基体中残留量过高这两个技术难题。

近年来，对铜合金材料采用磁场进行时效处理的研究有少量报道，其中《材料研究学报》第23卷第5期发表的论文“Cu-Fe合金的强磁场固溶时效行为”将Cu-15％Fe(质量分数)合金在强磁场中进行不同固溶时效处理，研究合金的时效行为，认为在Cu-15％Fe合金固溶时效处理中施加强磁场，可促进Fe枝晶的球化；强磁场加速Fe枝晶的球化作用和高温缓慢冷却引起Fe枝晶粗化作用，共同影响Fe枝晶的形貌。但未见铜合金在浇注或连铸凝固时采用磁场处理的报道。

发明内容

本发明的目的是，针对现有制备Cu-Fe形变原位复合材料出现的不足，提供一种利用磁场处理制备高性能Cu-Fe形变原位复合材料的方法，制备出的材料不仅强度高而且导电导热性好。

本发明的技术方案是，通过调控凝固组织、增加固溶、促进析出来获得高强高导Cu-Fe形变原位复合材料。

调控凝固组织就是通过对凝固过程的控制和外加磁场的作用解决初生Fe相粗大、偏析严重问题，使Fe相细小、均匀的分布于铜基体，经冷变形加工后，在铜基体中形成细小、均匀分布的Fe纤维，从而大幅度提高材料的强度；

增加固溶是在材料凝固过程中通过磁场的作用显著增加Fe元素在铜基体中的固溶度，使材料在后续的时效热处理过程中能析出更多细小、弥散分布的Fe强化相，以进一步增加材料的强度；

促进析出是在材料的时效处理过程中，通过磁场的作用使已经固溶的Fe有效析出，尽可能减少基体中Fe元素的残留量，达到高导电的目的。

本发明的Cu-Fe形变原位复合材料是通过配料、熔炼、浇铸或连铸、磁场控制凝固、热锻或热轧、固溶处理、冷轧、冷拔、磁场控制时效工艺流程，最后得到成型的铜材。

本发明的Cu-Fe形变原位复合材料的配方成分组成为(按质量百分比计)：

铁：5～18

银：0.01～1.00

硼：0.001～0.500

稀土或稀土混合物：0.001～1.000

铜：余量

本发明的Cu-Fe形变原位复合材料配方中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金或氧化物，稀土混合物是指含铈或钇或镧中的二种或三种元素的合金或氧化物混合物。

本发明的Cu-Fe形变原位复合材料是通过以下步骤制备，如附图所示：

1、配料：按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁或含铁合金、纯银或含银合金、含硼合金、稀土金属或稀土混合物或含稀土合金混合，得到配料；

2、熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉或其它熔炼炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化；

3、浇注或连铸：将熔化了的金属液浇入水冷钢模、石墨模或其它模内得到浇注铸锭(如附图2)；或在连铸机上得到连铸铸锭；

4、磁场控制凝固：在铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0.01-10T的交流磁场；

5、热锻或热轧：将上述铸锭放入热处理炉中，加热至500℃～1000℃区间的某一温度，保温1～5小时，然后热锻或在常规热轧机上热轧，使其达到20％以上的变形；

6、固溶处理：将热锻或热轧后的合金装入热处理炉中，加热至900℃～1050℃区间的某一温度，保温0.2～5小时，然后进行淬火处理；

7、冷轧：将淬火后的合金进行20％以上的变形处理；

8、退火：将冷轧后的合金在200℃～700℃之间的某一温度，保温0.1～3小时，随炉冷；

9、冷拔：将退火处理后的合金进行多道次20％以上的变形处理。

10、磁场控制时效处理：将合金放入磁场强度为0.1-10T均匀磁场中进行时效处理，温度为200℃～600℃某一区间，保温1～24小时。

本发明适用于高性能Cu-Fe形变原位复合材料或类似材料的制备。

附图说明

图1为本发明高性能Cu-Fe形变原位复合材料的制备工艺流程

图2为在磁场中的模具

图中图号为：(1)磁场线圈；(2)浇注或连铸模具；B：磁场方向

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

实施例1

(1)配料：材料化学成分(质量百分比)取：铁：8、银0.05、硼0.05、铈0.01、剩余为铜，原材料使用纯铁、纯银、硼铜合金、金属铈、电解铜，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；

(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；

(3)浇注：将熔化了的金属液浇入石墨模内；

(4)磁场控制凝固：在铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0.2T的交流磁场；

(5)热轧：将上述浇注铸锭放入热处理炉中，加热至880℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到50％的变形；

(6)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至950℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；

(7)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；

(8)退火：将冷轧后的合金，加热至300℃，保温0.5小时，随炉冷；

(9)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；

(10)磁场控制时效处理：将合金放入磁场强度为0.5T的均匀磁场中进行时效处理，温度为450℃，保温1小时；

最后制得的铜合金材料。

抗拉强度≥710MPa

电导率：≥60％IACS

实施例2

(1)配料：材料化学成分(质量百分比)取：铁：10、银0.08、硼0.05、钇0.05、剩余为铜，原材料使用纯铁、含银合金、硼铜合金、金属钇、电解铜，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；

(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；

(3)浇注：将熔化了的金属液浇入水冷钢模内；

(4)磁场控制凝固：在铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0.5T的交流磁场；

(5)热锻：将上述浇注铸件放入热处理炉中，加热至900℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；

(6)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至980℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；

(7)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；

(8)退火：将冷轧后的合金，加热至350℃，保温0.5小时，随炉冷；

(9)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；

(10)磁场控制时效处理：将合金放入磁场强度为1T的均匀磁场中进行时效处理，温度为470℃，保温1小时；

最后制得的铜合金材料。

抗拉强度：≥815MPa

电导率：≥58％IACS

实施例3

(1)配料：材料化学成分(质量百分比)取：铁：12、银0.1、硼0.1、镧0.08、剩余为铜，原材料使用含铁合金、含银合金、硼铜合金、金属钇、电解铜，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；

(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；

(3)浇注：将熔化了的金属液浇入石墨模内；

(4)磁场控制凝固：在铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0.8T的交流磁场；

(5)热锻：将上述浇注铸件放入热处理炉中，加热至930℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；

(6)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至1000℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；

(7)冷轧：将淬火后的合金进行80％的变形处理；

(8)退火：将冷轧后的合金，加热至490℃，保温0.5小时，随炉冷；

(9)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；

(10)磁场控制时效处理：将合金放入磁场强度为0.1T的均匀磁场中进行时效处理，温度为490℃，保温1.5小时；

最后制得的铜合金材料。

抗拉强度：≥920MPa

电导率：≥56％IACS

实施例4

(1)配料：材料化学成分(质量百分比)取：铁：15、银0.1、硼0.12、含钇和铈的二种元素的合金0.12、剩余为铜，原材料使用纯铁、纯银、硼铜合金、含钇和铈的二种元素的合金、电解铜，按常规合金配料方法计算各种原材料的加入量，得到配料；

(2)熔炼：将配好的配料放入中频电磁感应炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化25分钟；

(3)连铸：在水平连铸机上连铸；

(4)磁场控制凝固：在连铸铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0.5T的交流磁场；

(5)热锻：将上述浇注铸件放入热处理炉中，加热至950℃，保温3小时，然后在常规热轧机上热轧，使其达到40％的变形；

(6)固溶处理：将热轧后的合金装入热处理炉中，加热至1000℃，保温1小时，然后淬入冷水中快速冷却；

(7)冷轧：将淬火后的合金进行85％的变形处理；

(8)退火：将冷轧后的合金，加热至500℃，保温0.5小时，随炉冷；

(9)冷拔：将处理后的合金进行多道次80％的变形处理；

(10)磁场控制时效处理：将合金放入磁场强度为1T的均匀磁场中进行时效处理，温度为500℃，保温2小时；

最后制得的铜合金材料。

抗拉强度：≥950MPa

电导率：≥54％IACS