CN101974699B - 一种高强高导Cu-Fe-Al导体材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备高强度高电导率的Cu-Fe-Al导体材料及制备方法。材料成分的重量百分比Fe为0.1％～3％、Al为0.1％～2％，其余为Cu。先将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1100C下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950～1000C热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500C时效处理0.5～12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。采用本发明制备的Cu-Fe-Al合金强度可达400～800MPa，电导率可达60％～95％IACS。本合金仅含Cu、Fe和Al三种储量丰富价格便宜的金属元素，具有明显的价格优势。同时合金性能范围广，可通过调节制备工艺获得多种强度与电导率的匹配，满足各方面应用的实际需求。
Description
技术领域
本发明属Cu合金领域，涉及一种具有高强高导特性的Cu-Fe-Al导体材料及制备方法。
背景技术
科学技术的进步对导体材料性能的要求越来越高。例如，高科技领域中强磁场技术应用的导体线圈和高速电气化铁路使用的牵引线，要求能够承受较高载荷的同时仍具有良好的导电性。常规导体材料已不能胜任，必须开发出兼有高强度和高电导率的新材料来满足此类科学技术领域的发展需要。
然而导体材料的强度和电导率往往是一对矛盾，即提高强度的措施往往以牺牲电导率为代价。因此努力使合金保持高电导率而同时能够显著提高强度，是目前研制新型导体材料的焦点。通过在Cu基体中加入互不相溶的合金元素产生第二相并辅以一定程度的冷变形被认为是制备高强高导材料最有前途的方法之一。属于这一类的代表性合金有Cu-Cr-Zr、Cu-Ag和Cu-Fe等。其中Cu-Ag合金由于需要用到贵金属Ag，合金成本较高限制其大量应用。Cu-Cr-Zr合金则由于Zr元素过于活泼在熔炼时极易烧损而难于工业化生产。传统的Cu-Fe合金是通过在Cu中加入超过固溶极限(＞3％)的Fe使得Cu基体中出现Fe相，之后通过大变形程度的冷加工使Fe相演变为纳米纤维起到强化作用。例如对Cu-15vol.％Fe冷加工到截面收缩率为99.99％时合金可达到1200MPa(C.Biselli，D.G.Morris.Microstructure and strength of Cu-Fe in situ composites after very highdrawing strains.Acta Mater.，44(1996)：493-504.)。然而这种制备方法需要大变形量的冷加工，极大地提高了加工成本，同时由于合金具有较高含量的Fe，显著地降低了合金的电导率。专利CN1687479A公开了一种Cu-Fe-Ag三元合金及制备方法，通过在Cu-Fe合金中添加Ag能提高合金强度和电导率。然而Ag的加入显著地提高了合金成本。同时该发明仍基于强变形产生纤维复合强化思路，需要大变形量的冷加工才能获得高强度。如何利用廉价丰富的金属元素并通过较简单的加工方法获得高强高导材料是实现这类导体材料大规模应用的关键。
发明内容
本发明针对前述高强高导材料存在的问题，提供一种仅包含Cu、Fe、Al三种廉价常见金属元素且制备工艺相对简单的Cu-Fe-Al合金及制备方法。
本发明之所以选择在Cu基体中添加Fe和Al元素不仅仅因为Fe和Al元素廉价，而是通过在Cu基体中产生多种析出相粒子，充分发挥多种粒子强化作用提高合金强度，同时通过Al把固溶在Cu基体中的Fe原子“吸”出，避免固溶的Fe原子对合金电导率造成的损害作用。本发明的Cu-Fe-Al合金与已有的Cu-Ag和Cu-Fe-Ag合金强化思路完全不同，本发明的材料依靠多相粒子协同强化来提高合金强度，而Cu-Ag和Cu-Fe-Ag则通过大变形产生纳米纤维实现强化目的。
本发明通过如下步骤实现：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1100℃下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950～1000℃固溶热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500℃时效处理0.5～12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。
本发明具有的有益效果
本发明所述的Cu-Fe-Al合金仅包含Cu、Fe和Al三种廉价金属，材料成本低。同时本发明公开的制备方法所需的加工变形量较小(截面收缩率90％～99％)，远低于Cu-Fe等(截面收缩率大于99.9％)，生产周期短，适合大规模工业生产。合金性能范围广，可通过控制成分和制备工艺获得多种强度与电导率匹配。
具体实施方式
实施例1：
成分：0.4％Fe，0.3％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1100℃下静置除气后向炉内充Ar至60kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经1000℃固溶热处理2h后淬水冷却，随即进行200℃时效处理12h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为99％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为625MPa，根据四点法测得合金室温电导率为86％IACS。
实施例2：
成分：0.1％Fe，0.1％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经1000℃固溶热处理1h后淬水冷却，随即进行400℃时效处理6h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为430MPa，根据四点法测得合金室温电导率为94％IACS。
实施例3：
成分：1％Fe，0.6％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1050℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经980℃固溶热处理1.5h后淬水冷却，随即进行300℃时效处理1h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为95％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为750MPa，根据四点法测得合金室温电导率为70％IACS。
实施例4：
成分：3％Fe，2％Al，其余为Cu。
制备方式：将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000℃下静置除气后向炉内充Ar至50kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭。铸锭经950℃固溶热处理2h后淬水冷却，随即进行500℃时效处理0.5h。之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％。
性能：根据国标GB/T228-2002测得合金抗拉强度为795MPa，根据四点法测得合金室温电导率为61％IACS。
上述具体实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种具有高强度高电导率的Cu-Fe-Al合金的制备方法：其特征在于合金成分的重量百分比Fe为0.1％～3％、Al为0.1％～2％，其余为Cu；将Cu、Al置于真空感应炉中，在低于0.1Pa大气压下熔化，在1000～1100℃下静置除气后向炉内充Ar至50～60kPa，再加入Fe并熔化，经电磁搅拌均匀浇铸成特定直径的棒状铸锭；铸锭经980～1000℃固溶热处理1～2h后淬水冷却，随即进行200～500℃时效处理0.5～12h；之后对合金在室温下进行多道次冷拉拔至截面收缩率为90％～99％。
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