本发明涉及一种铜合金的制备方法，更具体地，本发明涉及一种cu-ag-fe-c系合金及其制备方法。
背景技术：
铜合金具有良好的导电导热性、延展性和力学性能，是电子信息、电力、能源、船舶和机械等重要产业发展的关键功能材料。与其它体系的高强高导铜合金相比，cu-fe系中合金元素fe的熔点相对较低、较易熔炼，且fe与cu的不溶混间隙小，合金的变形能力较好，可加工性较好，所以关于cu-fe系合金的研究受到了重视，成为高强高导铜合金发展的重要方向之一。
目前，高强高导cu-fe系合金主要利用常规熔铸法制备初合金，然后对初合金进行后续的热处理、变形等加工，获得最终使用状态的cu-fe系合金。在熔铸制备初合金时，由于凝固冷却速度较快，很容易导致cu基体中固溶大量的fe元素，严重降低cu-fe合金的导电性。虽然在后续热处理、形变热处理等过程中过饱和的fe不断析出，但低温下fe的扩散速度很慢，很难将cu中固溶的fe完全析出，而fe在cu中的固溶是降低cu-fe合金的最主要影响因素。所以为了提高cu-fe合金的导电性，需要降低fe在cu中的固溶量。
已有的方法常采用形变、热处理、强磁场、多元合金化等，但都不能很好地解决此问题。例如：ag被认为是损害cu合金导电性作用最小的元素，可是利用ag对cu-fe合金进行合金化制备的cu-fe-ag合金，其铸态cu基体中仍然固溶2.5％以上的fe。由于低温下fe的扩散速度很慢，所以其他方法虽然可以降低cu中fe的固溶量，但同样无法将cu中固溶的fe减少到很低的状态。
因此，急需一种可以更加有效地降低cu中固溶的fe的方法。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种cu-ag-fe-c系合金及其制备方法。
一种cu-ag-fe-c系合金，按质量百分比，所述cu-ag-fe-c系合金由如下组分组成：ag，0.5-3％；fe-c预合金，10-15％，余量为cu。
在上述cu-ag-fe-c系合金中，作为一种优选实施方式，所述fe-c预合金中c含量为0.8～1.8wt％(比如：0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％)。
一种cu-ag-fe-c系合金的制备方法，包括：
cu和ag的熔炼步骤，将固体原料cu和ag进行熔炼处理，得到液态cu-ag合金液；
fe-c预合金的加入步骤，将fe-c预合金粉加入所述液态cu-ag合金液中进行搅拌处理，得到混合均匀的熔炼料；
快速凝固步骤，将所述熔炼料进行快速凝固处理，得到fe-c预合金颗粒均匀分布于cu-ag基体中的cu-ag-fe-c系合金。
本发明是先将铜和ag熔炼成液态，然后将熔炼温度保持在比铜和银的熔点略高些但没有达到fe-c预合金粉的熔点，再在该熔炼温度下加入fe-c预合金粉并搅拌混合均匀以使固态的fe-c预合金粉均匀分散在液态的铜-银合金液中，最后快冷，本发明利用了c和cu在fe-cu-c三元体系中的互相排斥作用，利用了ag比fe先在cu中固溶，对fe固溶的抑制作用，利用了低温下fe在cu中扩散速度低的特点，将fe以固态形式加入cu-ag合金液体中，然后迅速降温，控制fe向cu基体中的扩散，从而使fe均匀分散在铜银合金基体中，降低固溶于cu中的fe量；在该过程中，fe-c预合金粉未发生熔化，这样也有利于降低溶于cu液中的fe量，有利于提高合金的导电性。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述cu和ag的熔炼步骤中，所述熔炼处理是在真空中频感应炉中进行的。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述cu和ag的熔炼步骤中，所述熔炼处理的熔炼温度为1090～1200℃，更优选为1100～1180℃(比如1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1175℃)。熔炼温度过高不利于与下一步骤的衔接。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述cu和ag的熔炼步骤中，所述熔炼处理时的真空度为10pa以下(比如9pa、7pa、5pa、、3pa、1pa、0.5pa、0.1pa、0.05pa)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述fe-c预合金的加入步骤，所述搅拌处理时的温度为1100～1180℃(比如1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1175℃)，更优选地，所述搅拌处理是在1100℃的条件下进行的。搅拌处理时的温度过高或过低都不利于fe-c预合金粉未在铜-银合金熔液中的均匀分散，对合金性能产生不利影响。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述fe-c预合金的加入步骤，所述搅拌处理为机械搅拌或电磁搅拌，所述搅拌处理的时间为1～5min(比如1.5min、2min、2.5min、3min、4min、4.5min)；更优选地，所述机械搅拌的搅拌速度为240-400rpm(比如250rpm、280rpm、300rpm、320rpm、350rpm、370rpm、390rpm)，所述电磁搅拌的励磁电压为180-220v(比如185v、190v、200v、210v、220v)。电磁搅拌的效果要优于机械搅拌，在本发明的电磁搅拌参数下进行搅拌处理可以使fe-c预合金粉未的分散更加均匀，可以进一步提高合金的性能。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述快速凝固步骤中，所述快速凝固处理为水冷铜模浇铸法或单辊甩带法；更优选地，所述水冷铜模浇铸法的冷却速度为50℃/s～1000℃/s(比如55℃/s、100℃/s、200℃/s、300℃/s、400℃/s、500℃/s、600℃/s、700℃/s、800℃/s、900℃/s、950℃/s)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述固体原料cu和ag为纯度99.9wt％以上的电解铜和ag单质；或者所述固体原料cu和ag为cu-ag预合金粉。cu-ag预合金粉为市售产品，当然也可以按照常规方法制备，其可以通过真空雾化炉制备，将所需配比的原料电解铜和单质铝熔炼后雾化成粉末颗粒。ag的加入量过少起不到降低基体中fe固溶量的作用，ag加入量过多，不仅增加成本，更重要的是会导致铁相粗化，降低合金的使用温度。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述fe-c预合金粉的颗粒尺寸为60～220nm(比如70nm、80nm、100nm、120nm、150nm、180nm、190nm、210nm或上述具体点值形成的任何尺寸范围)。所述fe-c预合金粉为市售产品，当然也可以按照常规方法制备，其可以通过真空雾化炉制备，将所需配比的原料纯铁和增碳剂熔炼后雾化成粉末颗粒，然后再通过高能球磨制备成所需粒度的fe-c预合金粉。本发明中使用的fe-c预合金粉颗粒尺寸为60～220nm，颗粒过大，强化效果差，过小则容易使fe溶于cu中，导电性变差，而且还容易发生团聚。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，以所述fe-c预合金粉以及所述固体原料cu和ag的总质量为基准，所述fe-c预合金粉的用量为10wt％～15wt％(比如11％、12％、13％、14％)，所述固体原料cu的用量为82wt％～89.5wt％(比如86％、87％、88％、89％)，所述固体原料ag的用量为0.5wt％～3wt％(比如0.6wt％、0.8wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2.3wt％、2.8wt％)。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述fe-c预合金粉中，c含量为0.8～1.8wt％(比如：0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％)。
在本发明的合金中，c含量过低将导致有更多的fe溶入cu中，对合金的导电性不利，c含量过高可能会形成石墨或者fe3c等。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括合金后处理步骤，将所述快速凝固步骤得到的cu-ag-fe-c系合金进行后处理，得到cu-ag-fe-c系合金成品。更优选地，所述后处理为热处理、变形处理、磁场处理中的一种或多种；所述后处理为常规处理。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
为了更为有效地减少cu-fe合金基体中固溶的fe含量，本专利提出利用c和cu在fe-cu-c三元体系中的互相排斥作用，向cu中添加fe-c；利用了ag比fe先在cu中固溶，对fe固溶的抑制作用，同时利用低温下fe在cu中扩散速度低的特点，将fe以固态形式fe-c加入cu液体中，然后迅速降温，控制fe向cu基体中的扩散，大幅降低cu-ag基体中fe的固溶量。本发明方法可以提高cu-fe合金的导电率和抗拉强度，得到的铸态合金的抗拉强度为420-500mpa，导电率为40-55％iacs。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
本实施例制备的合金为cu-2.0wt％ag-15wt％(fe-c)合金，即：在该合金中，fe-c的含量为15wt％，cu的含量为83wt％，ag的含量为2wt％，其中，fe-c合金粉末中c的质量百分比为1wt％。具体制备方法如下：
在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯cu和单质ag进行熔炼，熔炼温度控制在1100±5℃，真空度为10pa，待固体铜和银全部变为液态后将颗粒尺寸为80-120nm的fe-c合金粉加入到铜银熔液中，仍然在1100±5℃条件下以300rpm的搅拌速度机械搅拌3min，使固态fe-c粉合金均匀分布在铜银合金液中，然后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的cu-2.0wt％ag-15wt％(fe-c)合金。
对该实施例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为465mpa，导电率为50％iacs。
实施例2-4
实施例2-4除了fe-c合金粉末中c的质量百分比不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例2-4的fe-c合金粉末中c的质量百分比以及得到的合金的性能参见表1。
表1实施例2-4的工艺参数和性能结果
实施例5-6和对比例1
实施例5-6和对比例1除了熔炼温度和搅拌时温度(熔炼温度等于搅拌时温度)不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例5-6和对比例1的熔炼温度以及得到的合金的性能参见表2。
表2实施例5-6和对比例1的工艺参数和性能结果
实施例7-8和对比例2
实施例7-8和对比例2除了fe-c预合金粉的颗粒尺寸不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例7-8和对比例2的fe-c预合金粉的颗粒尺寸以及得到的合金的性能参见表3。
表3实施例7-8和对比例2的工艺参数和性能结果
实施例9-10和对比例3
实施例9-10和对比例3除了合金中ag单质的含量不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例9-10和对比例3的合金中ag单质的含量以及得到的合金的性能参见表4。
表4实施例9-10和对比例3的工艺参数和性能结果
实施例11-14
实施例11-14除了搅拌方式和参数不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例11-14的搅拌参数以及得到的合金的性能参见表5。
表5实施例11-14的工艺参数和性能结果
对比例4
本对比例制备的合金为cu-15wt％fe合金(即在合金中fe的含量为15wt％，cu的含量为85wt％；也即原料中电解铜的用量为电解铜和fe粉末总质量的85wt％，fe粉末的用量为电解铜和fe粉末总质量的15wt％)，具体制备方法如下：
在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯cu和fe进行熔炼，熔炼温度控制在1600℃左右，真空度为10pa，熔炼完成后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的cu-15wt％fe合金。
对该对比例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为310mpa，导电率为15％iacs。
对比例5
本对比例制备的合金为cu-15wt％(fe-c)合金(即在合金中fe-c的含量为15wt％，cu的含量为85wt％，fe-c中c含量为1wt％，具体制备方法如下：
在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯cu和fe-c粉末进行熔炼，熔炼温度控制在1600℃左右，真空度为10pa，熔炼完成后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的cu-15wt％(fe-c)合金。
对该对比例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为315mpa，导电率为17％iacs。
对比例6
本对比例制备的合金为cu-2.0wt％ag-15wt％(fe-c)合金(即在合金中fe-c的含量为15wt％，cu的含量为83wt％，ag的含量为2wt％，fe-c中c含量为1wt％，具体制备方法如下：
在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯cu、银单质和fe-c粉末进行熔炼，熔炼温度控制在1600℃左右，真空度为10pa，熔炼完成后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的cu-2.0wt％ag-15wt％(fe-c)合金。
对该对比例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为318mpa，导电率为24％iacs。