CN108251684A - 一种高导电高强铜铁合金及其制备方法 - Google Patents

一种高导电高强铜铁合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高导电高强铜铁合金及其制备方法。该合金中Fe析出相在铜基体内呈亚微米级均匀分布，且Fe含量为5‑25wt％，导电率为45‑60％IACS，抗拉强度为620‑1360MPa。该合金的制备方法包括以下步骤：首先采用雾化法制备合金粉末；然后将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；再将烧结坯进行拔丝处理，得到丝材；最后将丝材经过时效处理后得到铜铁合金。采用本发明的方法制备高导电高强铜铁合金能解决高强高导电铜铁合金中铁相分布不均匀的问题，可实现铜基体内Fe析出相的亚微米级的均匀分布，保持合金高导电率的前提下最大限度提高合金强度。

Description

一种高导电高强铜铁合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜铁合金领域，尤其涉及一种高导电高强铜铁合金及其制备方法。
背景技术
传统的高强高导电铜铁合金通常采用铸造后继续结合如拔丝、热处理等方法制备得到。由于铸造过程中存在铁析出相尺寸大、分布不均匀等问题，导致铜铁合金经拔丝加工后的力学性能难以实现最优，仍然存在力学性能不足的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高导电高强铜铁合金及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高导电高强铜铁合金，所述高导电高强铜铁合金中Fe析出相在铜基体内呈亚微米级均匀分布，所述高导电高强铜铁合金的Fe含量为5-25wt％，导电率为45-60％IACS，抗拉强度为620-1360MPa。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：(1)采用雾化法制备合金粉末；所述雾化法为气雾化法或水雾化法，所述气雾化法中气体流量为0.02-0.24m3/s，气体压力为0.5-9MPa，雾化熔体温度为1150-1350℃；所述水雾化法中，水流量为110-380kg/min，水压为5.5-20MPa，雾化熔体温度为1150-1350℃；(2)将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行拔丝处理，得到丝材；(4)丝材经过时效处理后实现强度与导电性能的同步提高，最终得到铜铁合金。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中气雾化法在氮气或者氩气气氛下进行。本发明的制备方法采用雾化法制备合金粉末，合金液滴冷却速度快，得到的合金粉末中铜基体内铁为过饱和固溶状态或以亚微米级呈均匀弥散分布，可避免传统铸造过程中铁的宏观偏析带来的合金难加工及由于铁相粗大而导致的合金力学性能低等问题。而采用水雾化法制备合金粉末，则具有成本较低的优点，且所得合金粉末的粒度可以管控在较细范围内。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中合金粉末的粒度为10-100μm。将粒度控制在本发明的范围可以提高粉末的烧结性能，这是因为，粒度太小时，粉末氧含量高，会恶化烧结制品的塑性加工性能，粒度太大时，粉末烧结性能差。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中烧结处理的具体操作步骤包括：首先将合金粉末在30-300MPa的压力下压制得到粉末压坯；然后在还原气氛下，将粉末压坯在1000-1200℃条件下进行烧结，时间为0.5-2h。烧结过程的压制压力及烧结温度需控制在合适的范围内，压制压力过低，将导致粉末坯料致密度低，烧结后容易引起制品变形，压制压力过高，会使压坯内应力增加，容易发生翘曲、裂纹等烧结缺陷；烧结温度过低时，粉末坯体难以全致密化，致使烧结坯内含有气孔等缺陷，在后续拔丝加工过程中容易出现断裂；而烧结温度过高，烧结体将容易变形，且成本偏高。
上述的制备方法，优选的，所述还原气氛是指氢气、分解氨和/或一氧化碳气氛。采用还原气氛烧结，粉末颗粒表面的氧可以在升温过程中得到还原，降低制品的氧含量，有利于最终制品的加工性能和导电性。
上述的制备方法，优选的，所述时效处理的温度为200℃-600℃，时间为0.5-2小时。经时效处理后，合金基体内的过饱和固溶元素Fe可以从基体内析出，位错密度降低，有利于提高合金的导电性，且由于Fe的弥散分布，有利于提高合金的强度。
上述的制备方法，优选的，所述拔丝处理在室温下进行，拔丝过程中变形应变为1-6。经冷拔丝加工，铜基体及细小的铁相可由原来烧结状态的等轴晶粒经塑性变形成纤维状，有利于提高丝材的力学性能，经拔丝处理的铜铁合金适合于各种高强配线、电火花切割等应用领域。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
采用本发明的方法制备高导电高强铜铁合金能解决高强高导电铜铁合金中铁相分布不均匀的问题，可实现铜基体内Fe析出相的亚微米级的均匀分布，保持合金高导电率的前提下最大限度提高合金强度。与传统铸造-拔丝工艺相比，在维持导电率基本不变的前提下，本发明的铜铁合金抗拉强度明显提升，提升量高达40％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例6中合金粉末表面的扫描电镜图(SEM)；
图2是本发明实施例6中合金粉末断面的扫描电镜图(SEM)；
图3是本发明实施例6中烧结坯的扫描电镜图(SEM)；
图4是本发明实施例6中经过拔丝处理后Cu-Fe丝材断面的扫描电镜图(SEM)；
图5是本发明实施例7中经过拔丝处理后Cu-Fe丝材断面的扫描电镜图(SEM)。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为5wt％，导电率为58％IACS，抗拉强度为670MPa。
本实施例的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行拔丝处理，变形应变为4，得到Cu-Fe丝材；(4)Cu-Fe丝材经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到高导电高强铜铁合金。
实施例2：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为5wt％，导电率为57％IACS，抗拉强度为730MPa。
实施例2的制备方法与实施例1相同，区别仅在于步骤(3)中的变形应变为6。
实施例3：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为5wt％，导电率为55％IACS，抗拉强度为680MPa。
本实施例的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5％配比铜粉和铁粉；采用水雾化法制备合金粉末，水流量为200kg/min，水压为7MPa，雾化熔体温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行拔丝处理，变形应变为4，得到Cu-Fe丝材；(4)Cu-Fe丝材经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到高导电高强铜铁合金。
实施例4：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为10wt％，导电率为57％IACS，抗拉强度为810MPa。
本实施例的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为10％，即所需铜铁合金中铁含量为10wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行拔丝处理，变形应变为4，得到Cu-Fe丝材；(4)Cu-Fe丝材经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到高导电高强铜铁合金。
实施例5：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为10wt％，导电率为56％IACS，抗拉强度为920MPa。
实施例5的制备方法与实施例4相同，区别仅在于步骤(3)中的变形应变为6。
实施例6：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为15wt％，导电率为50％IACS，抗拉强度为1080MPa。
本实施例的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为15％，即所需铜铁合金中铁含量为15wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；经过气雾化法制备的合金粉末表面的扫描电镜图(SEM)如图1所示，由图1可知，经气雾化制得的粉末为球形粉末，其粒度为20-100μm；断面的扫描电镜图(SEM)如图2所示，由图2可知，经快速冷却后仍然有部分纳米级别的Fe析出于铜粉末基体内；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯，其扫描电镜图(SEM)如图3所示，由图3可知，烧结后组织基本接近全致密，Fe相长大不明显，但分布不均匀，仍有一部分铜基体内没有Fe相的分布；(3)将烧结坯进行拔丝处理，变形应变为4，得到Cu-Fe丝材；(4)Cu-Fe丝材经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到高导电高强铜铁合金。本实施例中经过拔丝处理后的Cu-Fe丝材断面的扫描电镜图(SEM)如图4所示，由图4可知，经拔丝后，产生严重的变形带，但无明显的裂纹产生。
实施例7：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为15wt％，导电率为48％IACS，抗拉强度为1200MPa。
实施例7的制备方法与实施例6相同，区别仅在于步骤(3)中的变形应变为6。本实施例中经过拔丝处理后的Cu-Fe丝材断面的扫描电镜图(SEM)如图5所示，由图5可知，晶粒沿拉拔方向被拉长，但Fe相颗粒由于硬度较大，变形不太明显。
实施例8：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为25wt％，导电率为46％IACS，抗拉强度为1230MPa。
本实施例的高导电高强铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为25％，即所需铜铁合金中铁含量为25wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行拔丝处理，变形应变为4，得到Cu-Fe丝材；(4)Cu-Fe丝材经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到高导电高强铜铁合金。
实施例9：
一种本发明的高导电高强铜铁合金，该铜铁合金的Fe含量为25wt％，导电率为45％IACS，抗拉强度为1360MPa。
实施例9的制备方法与实施例8相同，区别仅在于步骤(3)中的变形应变为6。
对比例1：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5wt％配比铜粉和铁粉；经常规的铸造和冷拔加工工艺，拔丝处理过程的变形应变为6，然后在450℃条件下进行时效处理，时效处理时间为1小时，得到铜铁合金。
对该铜铁合金的导电性能测试和强度进行测试，结果表明其导电率为58％IACS，抗拉强度为520MPa。
对比例2：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为10％，即所需铜铁合金中铁含量为10wt％配比铜粉和铁粉；经常规的铸造和冷拔加工工艺，拔丝处理过程的变形应变为6，然后在450℃条件下进行时效处理，时效处理时间为1小时，得到铜铁合金。
对该铜铁合金的导电性能测试和强度进行测试，结果表明其导电率为55％IACS，抗拉强度为650MPa。
对比例3：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为15％，即所需铜铁合金中铁含量为15wt％配比铜粉和铁粉；经常规的铸造和冷拔加工工艺，拔丝处理过程的变形应变为6，然后在450℃条件下进行时效处理，时效处理时间为1小时，得到铜铁合金。
对该铜铁合金的导电性能测试和强度进行测试，结果表明其导电率为49％IACS，抗拉强度为820MPa。
对比例4：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为25％，即所需铜铁合金中铁含量为10wt％配比铜粉和铁粉；经常规的铸造和冷拔加工工艺，拔丝处理过程的变形应变为6，然后在450℃条件下进行时效处理，时效处理时间为1小时，得到铜铁合金。
对该铜铁合金的导电性能测试和强度进行测试，结果表明其导电率为43％IACS，抗拉强度为1050MPa。
对比例5：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)Cu-Fe烧结坯经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到铜铁合金。该铜铁合金的Fe含量为5wt％，导电率为60％IACS，抗拉强度为450MPa。
对比例6：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为10％，即所需铜铁合金中铁含量为10wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)Cu-Fe烧结坯经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到铜铁合金。该铜铁合金的导电率为58％IACS，抗拉强度为560MPa。
对比例7：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为15％，即所需铜铁合金中铁含量为15wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)Cu-Fe烧结坯经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到铜铁合金。该铜铁合金的导电率为50％IACS，抗拉强度为720MPa。
对比例8：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为25％，即所需铜铁合金中铁含量为25wt％配比铜粉和铁粉；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，气体流量为0.15m3/s，熔化温度为1200℃；(2)将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；(3)Cu-Fe烧结坯经温度为450℃，时间为1小时的时效处理后得到铜铁合金。该铜铁合金的导电率为48％IACS，抗拉强度为825MPa。
由以上实施例及对比例可以看出，采用本发明的方法，经拔丝变形后，Fe相的分布更加均匀，可以有效避免合金裂纹的产生，提高合金强度。随Fe含量的增加，合金起主要增强效果的Fe相含量增加，使合金的拉伸强度增加明显。经时效处理后，固溶于铜基体内的Fe成分可以析出，一方面可以使合金Cu基体实现纯净化，有利于导电性的提高，另一方面，可使析出相体积增加，也有利于增强合金的强度，从而实现合金强度与导电率的同步提高。
上述的本发明实施例1-9和对比例1-8制得的铜铁合金进行导电性能测试和强度测试的测试结果详见表1。
表1实施例1-9和对比例1-8的导电性能测试和强度测试结果
由上表可以看出，与传统铸造-拔丝工艺相比，在维持导电率基本不变的前提下，本发明的铜铁合金抗拉强度明显提升，提升量高达40％。

Claims (8)

1.一种高导电高强铜铁合金，其特征在于，所述高导电高强铜铁合金中Fe析出相在铜基体内呈亚微米级均匀分布，所述高导电高强铜铁合金的Fe含量为5-25wt％，导电率为45-60％IACS，抗拉强度为620-1360MPa。
2.一种如权利要求1所述的高导电高强铜铁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用雾化法制备合金粉末；所述雾化法为气雾化法或水雾化法，所述气雾化法中气体流量为0.02-0.24m3/s，气体压力为0.5-9MPa，雾化熔体温度为1150-1350℃；所述水雾化法中，水流量为110-380kg/min，水压为5.5-20MPa，雾化熔体温度为1150-1350℃；
(2)将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；
(3)将烧结坯进行拔丝处理，得到丝材；
(4)丝材经过时效处理后得到铜铁合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中气雾化法在氮气或者氩气气氛下进行。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中合金粉末的粒度为10-100μm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中烧结处理的具体操作步骤包括：首先将合金粉末在30-300MPa的压力下压制得到粉末压坯；然后在还原气氛下，温度为1000-1200℃下，将粉末压坯烧结0.5-2h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述还原气氛是指氢气、分解氨和/或一氧化碳气氛。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为200℃-600℃，时间为0.5-2小时。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述拔丝处理在室温下进行，拔丝过程中变形应变为1-6。
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