一种提高Cu-Fe-C复相铜合金综合性能的处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铜合金技术领域，涉及一种可工业化应用的高强度易加工新型复相铜 合金材料的制备方法，特别针对大功率微波管、汽车焊接电极、集成电路引线框架、核技术、 航空航天等众多高新技术领域对新型铜合金力学性能和加工性能的要求越来越苛刻的现 状而开发。该制备方法可以保证新型复相铜合金兼具有高强度、高导电和优异的加工性能， 而且处理方法非常有利于进一步降低新型复相铜合金的生产成本，使其大幅低于传统陶瓷 粒子弥散强化铜合金的生产成本。
【背景技术】
[0002] 铜及铜合金由于具有优异的导电导热性能，已在机械制造、交通运输、建筑、电气、 电子等工业领域得到广泛应用，需求量也在逐年递增。但是随着经济的快速发展，除了用量 在增加之外，对合金的综合性能要求也越来越苛刻。例如大规模集成电路引线框架要求材 料的抗拉强度大于600MPa，电导率大于80%IACS;此外，很多领域还对合金的抗高温软化 性能提出了特别的要求。为了满足不同领域对高强高导铜合金的性能要求，近些年开发了 多种高强高导铜合金，其中最为典型并已实现工业化生产的是利用内氧化法制备Cu-Al2O3 弥散强化铜合金，其强度可达600MPa以上，导电率也可在80%IACS以上，而且耐高温性能 也很好。由于此类材料具有上述优异的综合性能，其应用领域不断扩大，而且需求量也在逐 年递增。但是由于内氧化方法制备工艺复杂，生产成本高，使得该类材料不能得到更加广泛 的应用。此外，该合金浓度不能设计太高，否则Cu-Al合金粉末在内氧化过程中会形成一壳 层状组织，即所谓的外氧化，最终严重影响合金强度和导电率的提高。针对这些问题，国内 外众多科技工作者探索开发了制备弥散强化铜合金的多种新型制备技术，如碳热还原法， 喷射沉积法，原位或非原位机械合金化法，双束熔体原位反应法等。虽然已经取得较大进 展，但是目前高性能和低成本仍然未能得到很好的解决。此外，除了制备弥散强化铜合金工 艺本身的特点或者问题使得生产成本高之外，其加工难度大和高成本跟弥散强化铜合金本 身的相组成有关。由于纳米陶瓷粒子能够显著阻碍位错和亚晶界运动，随着弥散粒子浓度 增加，合金的强度显著增加，因此，普遍需要采用高温热挤压或者热锻加工，从而使得加工 成本上升。而且最为关键的是，除了加工难度大之外，在高温加工过程中还很容易发生开裂 或者产生微裂纹使得成品率降低，这一点即使低浓度合金也不例外。系统研究发现，发生开 裂或出现微裂纹的主要原因是由于陶瓷粒子和Cu基体热膨胀系数差异较大，变形过程中 如果存在一定的拉应力很容易导致裂纹的萌生和扩展。由于这一问题是由于材料本身的相 组成所致，要想彻底解决只有设计新的强化相才可能实现。
[0003] 除了弥散强化铜合金，沉淀强化型铜合金也是一类重要的高强高导铜合金，而且 最近一些年相关的研究也取得较大进展，如Cu-X(Mg，Ag和Sn等），Cu-Fe-P，Cu-Ni-Si和 Cu-Cr-Zr系合金。但是大量研究表明，这些合金均存在一定的不足，如Cu-X系合金强度 较低，Cu-Ni-Si合金导电率较低，Cu-Cr-Zr合金需真空熔炼、生产成本较高。相比而言， Cu-Fe-P系合金虽然生产成本较低，但是也存在强度以及硬态塑性较低（延伸率普遍仅为 2%左右），基体内残留的溶质元素Fe很难充分析出，而且后期析出速率很慢，等问题，最终 使得合金强度和导电率大幅提高受限。
[0004] 为了克服上述合金和技术的不足，申请者设计开发了新型的CU-Fe-C复相合金 (CN103952587A)，该合金的开发充分利用了Fe与C之间的强烈相互作用，而且形成的Fe-C 相可以通过热处理或者应变能够诱发处于FCC结构的y-Fe奥氏体向BCC结构的a-Fe或 马氏体发生转变，最终使得合金可以表现出较好的综合性能。为了使得该新型复相合金综 合性能获得更进一步提高，需要开发一种更好的加工和热处理工艺。这对于该新型复相铜 合金的加工以及推广应用具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明针对目前已有的各种高强高导铜合金生产成本高以及加工性能不够好等 问题，开发一种处理方法可使得新型复相铜合金兼具有高强度和高塑性等特性。该处理方 法充分利用加工和热处理调控复相合金基体内的晶粒组织以及Fe-C相结构、尺寸、形态以 及分布状态等来优化合金的综合性能。
[0006] 该发明合金适合应用于众多技术领域，特别是对于高强高导、以及加工性能和生 产成本均有一定要求的众多新技术领域和民用产品的生产和制造等行业，以及已经或者准 备生产类似铜合金产品的生产厂家应用。
[0007] 本发明针对快速凝固制备的新型Cu-Fe-C复相合金进行后续加工和热处理工艺 的开发，具体的制备路线如下：新型复相铜合金熔炼与铸造一多次循环超低温变形一热处 理一应变诱发马氏体相变一综合性能优异的合金板材（如图1所示）。
[0008] -种提高Cu-Fe-C复相铜合金综合性能的处理方法，其特征在于采用如下技术路 线：快速凝固制备合金铸锭一多次循环超低温变形（变形温度低于-l〇〇°C，循环次数1~ 4次）一低温热处理（温度50~300°C，时间IOmin~3. 5h)-常温应变诱发马氏体相变， 既可以控制铜合金晶粒组织，又可以诱发复相合金基体内的Fe-C纳米相发生马氏体相变， 最终使得新型复相铜合金兼具有高强度和高塑性等特性。
[0009] 优选地，所述制备方法中的多次循环超低温变形，其特征在于，针对快速凝固制 备的Cu-Fe-C复相合金铸锭进行3次超低温变形，首先在液氮罐放置130min以上，然后 进行超低温变形，变形温度：_1〇〇~-190 °C，变形量：30%~48%，变形方式：同步乳制， 道次变形量为10~20% ;然后再将超低温乳制板材放入液氮罐内冷却2~9min，变形温 度：-100~-190°C，变形量：20%~40%，变形方式：同步乳制，道次变形量：5~20% ;最 后再将超低温乳制板材放入液氮罐内冷却1~5min，变形温度：-100~-190 °C，变形量： 10%~30%，变形方式：同步乳制，道次变形量：5~20%。
[0010] 优选地所述制备方法中的热处理，其特征在于，低温热处理温度50~200°C，时间 IOmin~3h，惰性气体保护，采用水淬方式进行冷却。
[0011] 优选地所述制备方法中常温诱发马氏体相变的应变变形，其特征在于，变形温度 处于10~30 °C，变形量为40 %~60 %，道次变形量20~50 %，变形方式：同步乳制。
[0012] 通过采用上述的技术方案，本发明具有如下优越性：本发明的新型复相铜合金可 以不仅可以使得新型复相铜合金基体内形成大量尺寸细小的纳米晶组织，而且还可以使得 合金即使在低温热处理就可以析出细小的纳米Fe-C奥氏体相，进而利用形变诱导可以使 其由面心立方结构的奥氏体转变为马氏体结构的Fe-C相，使得新型复相铜合金同时兼具 有高强度和高塑性等更加优异的综合性能。本发明合金非常适合应用于对合金强度、导电 率、加工性能以及生产成本均有一定要求的众多民用行业相关产品的加工和生产，当然也 适合应用于对合金加工性能有较高要求的其它高新技术领域。
【附图说明】
[0013] 图1新型复相铜合金处理路线图
[0014] 图2 1#复相铜合金经实施例1处理后的应力-应变曲线
[0015] 图3 2#复相铜合金经实施例3处理后的应力-应变曲线
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施方案对本发明做进一步的补充和说明。
[0017] 原材料分别采用99. 9wt%的电解高纯Cu、高纯Fe以及高纯C等。在真空中频感 应炉中熔炼Fe-C中间合金，其中元素C的烧损按2~6wt%进行，真空度小于10Pa，熔炼温 度在1560~16KTC，在浇铸前静置1~3min，浇铸温度在1500~1540°C，然后直接浇铸在 普通钢模中。根据新型复相铜合金成分设计，切取一定量普通钢模浇铸的Fe-C中间合金、 高纯Cu以及高纯Fe置于刚玉坩埚内并采用真空中频感应炉进行熔炼。具体的熔炼工艺 为，首先抽真空，待炉体内真空度小于5Pa时关闭真空栗，同时充入Ar气待炉膛真空度达到 0. 015MPa以上时停止充气，继续抽真空到5Pa以下开始逐级升温，首先升温到300~600°C 时保温8min以上，然后继续升温到1500°C以上，待Fe-C中间合金、高纯Cu以及高纯Fe彻底 熔化后静置1~l〇min，然后将熔体温度降低到1200~1400°C并放置1~5min，随后将合 金熔体再次升温到1500°C以上静置1~5min，然后降低电流再次降低熔体温度到1100~ 1300°C，并将其浇铸在通循环水的水冷铜模内，冷却速度控制在IX102°C/s~9X104°C/s 范围内。实施发明合金的具体化学成分见表1。
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