CN109628781A - 高铁含量的Cu-Fe系合金材料及其制备方法 - Google Patents

高铁含量的Cu-Fe系合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高铁含量的Cu‑Fe系合金材料，该合金材料中含有Fe、FeS、Mn、Sr和Cu，本发明还提供了上述合金材料的制备方法。在制备方法中，将FeS用铜皮包裹后加入铜液中，FeS的熔化可显著降低液态铁的表面张力，促进铁在铜中的均匀分布，避免了铁在铜中的分层现象。合金材料在具有高强度的同时具有较高的导电率。

Description

高铁含量的Cu-Fe系合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属复合材料技术领域，具体涉及高铁含量的Cu-Fe系合金材料及其制备方法。
背景技术
铜具有优异的导电导热性能以及抗磁性能，而铁为典型的铁磁材料。高含量的铁与铜制备成的铜铁复合材料，除了具有较高的强度、弹性和耐磨性，良好的塑性、热传导性以外，还具有优良的导电性以及巨大的磁阻效应和特殊的物理性能，被广泛应用于制备大规模集成电路引线框架、高速电气化铁路列车架空导线、电器工程开关电桥和电阻焊电极等。
高铁含量的Cu-Fe系合金材料与其它铜合金的不同之处有两点：一是具有吸收电波的功能；二是具有屏蔽电磁波的效果。上述两点区别赋予了这种合金在电磁兼容领域具有更加广阔的应用前景。
现有技术中，高铁含量的铜铁合金，通常是通过强拉拔，将铁相变成纳米纤维状，从而实现超高强高导电的目的，然而这种制备工艺的装备要求高，制备的产品以丝材为主，较为单一，生产效率低。高铁含量的铜铁系合金，在制备过程中的，特别是在熔炼铸造的过程中，铁与铜在熔融状态下不混溶，高铁含量的铜铁合金凝固时，一次凝固组织铁存在团聚、偏聚以及由于比重和铜的比重存在一定的差别而产生的分层的问题，最终会导致成分的分布极其不均匀，进而造成合金后续加工困难，以及最终产品的组织和性能不均匀。
因此，仍需通过新的方法来制备高铁含量的铜铁合金。
发明内容
为解决现有技术中，高铁含量的铜铁合金及其在制备中所存在的问题，本发明的目的之一是提供一种高铁含量的Cu-Fe系合金材料。
本发明的目的之二是提供上述合金材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
高铁含量的Cu-Fe系合金材料，包括以下质量百分比计的组分：
Fe 5.0～20.0％，
FeS 0.02～0.1％，
Mn 0.05～0.1％，
Sr 0.03～0.10％，
余量为Cu。
上述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取Fe、FeS、Mn、Sr与Cu，将Fe与Cu按照Fe含量为0.3～0.5wt％、余量为Cu的配比进行第一次熔炼；
(2)将FeS用铜皮包裹后，加入步骤(1)的合金液中，再依次加入剩余Fe、Cu-Mn和Cu-Sr合金和覆盖剂，在氮气保护下进行第二次熔炼，得到Cu-Fe合金液；
(3)将步骤(2)得到的Cu-Fe合金液在外加磁场的条件下进行半连铸，得到铜合金铸锭；
(4)将步骤(3)得到的铜合金铸锭均匀化退火、热轧后固溶处理，再进行组合形变热处理后即得所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料。
其中，Cu-Mn和Cu-Sr合金可以直接从市场购得。
优选地，所述第一次熔炼的温度为1200～1300℃。
进一步优选地，所述第一次熔炼的温度为1250～1270℃。
优选地，所述覆盖剂包括以下质量百分比计的组分：
冰晶石5％，
碳酸钠20％，
碳酸钙20％，
萤石5％，
焦性硼砂50％。
优选地，所述第二次熔炼的温度为1400～1550℃。
进一步优选地，所述第二次熔炼的温度为1420～1500℃。
优选地，所述半连铸的温度为1350～1430℃。
优选地，所述均匀化退火的温度为950～980℃，时间为2～8h。
优选地，所述热轧的温度为880～920℃，变形量为50～90％，设备为二辊轧机。
优选地，所述固溶处理的温度为880～940℃，时间为3～5h。
优选地，所述组合形变热处理的方法为：将材料预时效、冷变形后在保护气氛下进行主时效、冷轧后进行二级时效处理。
进一步优选地，所述预时效的温度为300～350℃，时间为1～2h；所述主时效的温度为400～420℃，时间为1～3h；所述二级时效的温度为380～410℃，时间为1～2h。
进一步优选地，所述冷变形的道次变形量大于35％，冷变形的总变形量大于75％。
进一步优选地，所述冷轧的总变形量大于60％。
本发明的有益效果
高铁含量的Cu-Fe系合金材料，在现有的制备技术中，由于铁与铜在熔融状态不混溶，高铁含量的铜铁合金凝固时，一次凝固组织铁存在团聚、偏聚等分布及不均匀的现象，同时由于密度的差异，导致铁和铜分层，不但导致了合金后续的加工困难，而且最终产品的组织和性能不均匀。锶作为表面活性元素，微量锶的添加，能够有效促进铁在铜液中的均匀分布。
通过微量FeS的加入，其熔化可显著降低液态铁的表面张力，促进铁在铜中的均匀分布，避免了铁在铜中的分层现象。
微量Mn元素的添加，一方面可以调控液态铁的表面张力，促进其在铜中均匀分布；另一方面Mn可以和多余的硫反应，形成高熔点的化合物，避免过量的硫导致铜的中温脆性的增加。
通过选择适宜的变质剂FeS和Mn，促进了一次凝固组织铁的均匀分布，具有重要的经济意义。
本发明的高铁含量的Cu-Fe系合金材料，在具有高强度的同时仍具有较高的导电率。
附图说明
图1为实施例5坯锭的铸态微观组织图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本例提供了一种高铁含量的Cu-Fe系合金材料，该材料包括以下质量百分比计的组分：
Fe 5.0％，FeS 0.02％，Mn 0.05％，Sr 0.03％，Cu 94.9％。
实施例2
本例提供了一种高铁含量的Cu-Fe系合金材料，该材料包括以下质量百分比计的组分：
Fe 20.0％，FeS 0.1％，Mn 0.1％，Sr 0.1％，Cu 79.7％。
实施例3
本例提供了一种高铁含量的Cu-Fe系合金材料，该材料包括以下质量百分比计的组分：
Fe 12％，FeS 0.05％，Mn 0.07％，Sr 0.06％，Cu 87.82％。
实施例4
本例提供了高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，步骤包括：
(1)按配比称取Fe、FeS、Mn、Sr与Cu，将Fe与Cu按照Fe含量为0.3～0.5wt％、余量为Cu的配比进行第一次熔炼；
(2)将FeS用铜皮包裹后，加入步骤(1)的合金液中，再依次加入剩余Fe、Cu-Mn和Cu-Sr合金和覆盖剂，在氮气保护下进行第二次熔炼，得到Cu-Fe合金液；
(3)将步骤(2)得到的Cu-Fe合金液在外加磁场的条件下进行半连铸，得到铜合金铸锭；
(4)将步骤(3)得到的铜合金铸锭均匀化退火、热轧后固溶处理，再进行组合形变热处理后即得所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料。
其中，第一次熔炼的温度为1200～1300℃，优选1250～1270℃。
覆盖剂包括以下质量百分比计的组分：
冰晶石5％，碳酸钠20％，碳酸钙20％，萤石5％，焦性硼砂50％。
第二次熔炼的温度为1400～1550℃，优选1420～1500℃。
半连铸的温度为1350～1430℃。
退火的温度为950～980℃，时间为2～8h。
热轧的温度为880～920℃，变形量为50～90％，设备为二辊轧机。
固溶处理的温度为880～940℃，时间为3～5h。
组合形变热处理的步骤依次为：将材料预时效、冷变形后在保护气氛下进行主时效、冷轧后进行二级时效处理。
预时效的温度为300～350℃，时间为1～2h；所述主时效的温度为400～420℃，时间为1～3h；所述二级时效的温度为380～410℃，时间为1～2h。
冷变形的道次变形量大于35％，总变形量大于75％。
冷轧的总变形量大于60％。
实施例5
本例制备了高铁含量的Cu-Fe系合金坯锭，具体如下：
按以电解纯铜、纯铁Fe、纯FeS，Cu-20Mn wt％中间合金为原料，制备组成成分为Fe20.0wt％、FeS0.08wt％，Mn：0.1wt％，Sr 0.06wt％，余量为Cu的合金。
先将铜熔化，按照铁的含量为0.5wt％加炉中熔炼，熔炼温度1250～1270℃。
熔化后，将FeS用铜皮包裹加入铜液中，溶化后加入剩余的纯铁，熔炼温度1430～1450℃，溶化后加入Cu-Mn中间合金，Cu-Sr中间合金，在氮气保护下熔炼，熔炼过程中覆盖剂采用冰晶石+碳酸钠+碳酸钙+萤石+焦性硼砂，除渣后得到成分均匀稳定的铜合金溶液，外加磁场条件下进行半连续铸造，铸造温度铜合金在温度为1350～1430℃获得合金坯锭，该合金坯锭的典型的铸态组织如图1所示。
从图1可以看出，浅色基体为Cu，深色相为Fe相，由图可见Fe相在Cu基体中分布均匀，没有发生分层现象。
实施例6
本例制备了高铁含量的Cu-Fe系合金板，编号为A，具体如下：
按以电解纯铜、纯铁Fe、纯FeS，Cu-20Mnwt％中间合金为原料，制备组成成分为Fe7.5wt％、FeS0.1wt％，Mn：0.1wt％，Sr 0.05wt％，余量为Cu的合金。
先将铜熔化，按照铁的含量为0.5wt％加入Fe中间合金放入炉中熔炼，熔炼温度1250-1270℃。
熔化后，将FeS用铜皮包裹加入铜液中，溶化后加入剩余的纯铁，熔炼温度1420-1450℃，溶化后Cu-Mn中间合金，Cu-Sr中间合金，在氮气保护下熔炼。熔炼过程中覆盖剂包括：冰晶石5％，碳酸钠20％，碳酸钙20％，萤石5％，焦性硼砂50％。除渣后得到成分均匀稳定的铜合金溶液；外加磁场条件下进行半连续铸造，铸造温度1380～1400℃，获得合金坯锭。
将合金铸锭在保护气氛下进行固溶，温度为960～970℃，时间为7h；热轧：将铸锭随炉冷却至900～910℃，热轧，变形量为85％，水淬；将热轧900～920℃固溶4h，300-350℃/1小时时效；道次变形量大于35％，总变形量大于75％。然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为410℃，时间为1.5h；将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量65％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为400℃，时间为1.5h，冷轧40％，280℃退火1小时。
实施例7
本例制备了高铁含量的Cu-Fe系合金板，编号为B，具体如下：
按以电解纯铜、纯铁Fe、纯FeS、Cu-20Mn wt％中间合金为原料，制备组成成分为Fe10.0wt％、FeS0.1wt％、Mn0.1wt％、Sr 0.05wt％，余量为Cu的合金。
先将铜熔化，按照铁的含量为0.5wt％加入炉中熔炼，熔炼温度1250～1270℃。
熔化后，将FeS用铜皮包裹加入铜液中，溶化后加入剩余的纯铁，熔炼温度1440-1470℃，溶化后加入Cu-Mn中间合金和Cu-Sr中间合金，在氮气保护下熔炼。熔炼过程中覆盖剂包括：冰晶石5％，碳酸钠20％，碳酸钙20％，萤石5％，焦性硼砂50％。除渣后得到成分均匀稳定的铜合金溶液，在外加磁场条件下进行半连续铸造，铸造温度1380～1430℃，获得合金坯锭。
将合金坯锭在保护气氛下进行固溶，温度为960～970℃，时间为7h；热轧：将铸锭随炉冷却至900～910℃，热轧，变形量为85％，水淬；将热轧900～920℃固溶4h，300-350℃/1小时预时效；道次变形量大于35％，总变形量大于75％。然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为410℃，时间为1.5h，将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量65％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为400℃，时间为1.5h，冷轧40％，280℃退火1小时。
实施例8
本例制备了高铁含量的Cu-Fe系合金板，编号为C，具体如下：
按以电解纯铜、纯铁Fe、纯FeS、Cu-20Mnwt％中间合金为原料，制备组成成分为Fe20.0wt％、FeS0.1wt％，Mn：0.1wt％，Sr 0.05wt％，余量为Cu的合金。
先将铜熔化，按照铁的含量为0.5wt％加入Fe中间合金放入炉中熔炼，熔炼温度1250-1270℃，熔化后，将FeS用铜皮包裹加入铜液中，溶化后加入剩余的纯铁，熔炼温度1430-1460℃，溶化后Cu-Mn中间合金，Cu-Sr中间合金，在氮气保护下熔炼。熔炼过程中覆盖剂包括：冰晶石5％，碳酸钠20％，碳酸钙20％，萤石5％，焦性硼砂50％。除渣后得到成分均匀稳定的铜合金溶液；外加磁场条件下进行半连续铸造，铸造温度1400～1420℃，获得合金坯锭。
将合金坯锭在保护气氛下进行固溶，温度为960～970℃，时间为7h；热轧：将铸锭随炉冷却至900～910℃，热轧，变形量为85％，水淬；将热轧900～920℃固溶4h，300-350℃/1小时时效；道次变形量大于35％，总变形量大于75％。然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为410℃，时间为1.5h；将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量60％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为400℃，时间为1.5h，冷轧40％，280℃退火1小时。
检测例
将实施例6～8的合金板材进行强度等性能测试，得出结果如表1所示。
表1A、B和C板材性能测试结果
合金板编号 抗拉强度/MPa 断裂伸长率/％ 导电率/％IACS
A 567 6.3 64.2
B 587 5.4 60.1
C 667 4.6 40.3
从表1可知，随着合金的Fe含量的增加，合金的抗拉强度增加，导电率下降。合金在具有高强度的同时具有较高的导电率。

Claims (10)

1.高铁含量的Cu-Fe系合金材料，其特征在于，包括以下质量百分比计的组分：
Fe 5.0～20.0％，
FeS 0.02～0.1％，
Mn 0.05～0.1％，
Sr 0.03～0.10％，
余量为Cu。
2.根据权利要求1所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)按配比称取Fe、FeS、Mn、Sr与Cu，将Fe与Cu按照Fe含量为0.3～0.5wt％、余量为Cu的配比进行第一次熔炼；
(2)将FeS用铜皮包裹后，加入步骤(1)的合金液中，再依次加入剩余Fe、Cu-Mn和Cu-Sr合金和覆盖剂，在氮气保护下进行第二次熔炼，得到Cu-Fe合金液；
(3)将步骤(2)得到的Cu-Fe合金液在外加磁场的条件下进行半连铸，得到铜合金铸锭；
(4)将步骤(3)得到的铜合金铸锭均匀化退火、热轧后固溶处理，再进行组合形变热处理后即得所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料。
3.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述第一次熔炼的温度为1200～1300℃。
4.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂包括以下质量百分比计的组分：
冰晶石 5％，
碳酸钠 20％，
碳酸钙 20％，
萤石 5％，
焦性硼砂 50％。
5.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述第二次熔炼的温度为1400～1550℃。
6.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述半连铸的温度为1320～1450℃。
7.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述均匀化退火的温度为950～980℃，时间为2～8h。
8.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述热轧的温度为880～920℃，变形量为50～90％。
9.根据权利要求2所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述组合形变热处理的方法为：将材料预时效、冷变形后在保护气氛下进行主时效、冷轧后进行二级时效处理。
10.根据权利要求9所述高铁含量的Cu-Fe系合金材料的制备方法，其特征在于，所述预时效的温度为300～350℃，时间为1～2h；所述主时效的温度为400～420℃，时间为1～3h；所述二级时效的温度为380～410℃，时间为1～2h。
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