专利名称：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
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2648t:，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o = ia -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/P c = fCu/P Cu+fx/P x， 式中f&和f)(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/(ii Q *cm)和0.0693/(ii Q '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(l)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. 2ii Q wm/wt^Fe，即每溶解0. lwt% 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巻第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O. 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°C 100(TC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90(TC 105(TC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°C 70(TC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. l-10T均匀磁场中进行时效处
理，温度为200°C 600。C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。
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
具体实施例方式
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88(TC，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95(TC，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°C ，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45(TC，保温1小时； 最后制得的铜合金材料。 抗拉强度^ 710MPa 电导率^60XIACS 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90(TC，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98(TC，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°C ，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47(TC，保温1小时； 最后制得的铜合金材料。 抗拉强度^815MPa 电导率^58XIACS 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93(TC，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IOO(TC，保温1小时，然后 淬入冷水中快速冷却；
6
(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49(TC，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. IT的均匀磁场中进行时效处
理，温度为49(TC，保温1. 5小时； 最后制得的铜合金材料。 抗拉强度> 920MPa 电导率^56XIACS 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O. 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95(TC，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IOO(TC，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°C ，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50(TC，保温2小时；
最后制得的铜合金材料。
抗拉强度> 950MPa
电导率^54XIACS
权利要求
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，其制备工艺步骤如下(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；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中进行时效处理，温度为200℃～600℃某一区间，保温1～24小时。
2. 根据权利要求1所述的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，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:
3.根据权利要求l所述的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。
4. 根据权利要求l所述的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，所述铸锭的凝固过程中施加磁场强度为0. 01-10T的交流磁场。
5. 根据权利要求l所述的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，所述合金放入磁场中进行时效处理的磁场强度为0. 1 10T的均匀磁场。
全文摘要
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。
文档编号B21B37/16GK101775520SQ20101011410
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月25日 优先权日2010年2月25日
发明者万珍珍, 付清峰, 刘克明, 康林萍, 邹晋, 陆德平, 陆磊, 陈志宝 申请人:江西省科学院应用物理研究所