CN111593227B - 一种高导电高强铜铁钙合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高导电高强铜铁钙合金，包括以下质量百分比的组分：0.05‑35wt.％的Fe，0.01‑2wt.％的Ca，余量为铜及不可避免的杂质。本发明还提供一种上述的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将铜铁钙合金原料采用雾化法制备合金粉末；(2)将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；(3)将烧结坯进行冷加工变形，得到变形态Cu‑Fe‑Ca材料；(4)将变形态Cu‑Fe‑Ca材料进行时效处理，即得到所述高导电高强铜铁钙合金。本发明通在传统铜铁系合金中加入钙元素，并优化各元素之间的配比关系，本发明的铜铁钙合金抗拉强度明显提升，导电性能降幅很小。

Description

一种高导电高强铜铁钙合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种铜铁钙合金及其制备方法。
背景技术
传统的高强高导电铜铁系合金通常采用铸造后继续结合如冷轧、热处理等方法制备得到。由于铸造过程中存在Fe析出相尺寸大、分布不均匀等问题，导致合金经变形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。此外，为了达到足够高的强度，铁元素的含量往往偏高，合金的导电性能会明显下降，且在经过严重塑性变形之后更为明显。
如何在实现合金导电性提高铜铁系合金强度和导电性同步提高是目前该系合金研发的关键所在。
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钙合金及其制备方法。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钙合金，包括以下质量百分比的组分：0.05-35wt.％的Fe，0.01-2wt.％的Ca，余量为铜及不可避免的杂质。
上述高导电高强铜铁钙合金中，优选的，包括以下质量百分比的组分：20-35wt.％Fe，1-2wt.％的Ca。进一步优选的，包括以下质量百分比的组分：28-35wt.％的Fe，1.5-2wt.％的Ca。本发明通过后续制备工艺中时效处理优化，允许铜铁钙合金中添加较多的铁与钙。
上述高导电高强铜铁钙合金中，优选的，所述铜铁钙合金的导电率为40-80％IACS，抗拉强度为400-1520MPa。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜铁钙合金原料采用雾化法制备合金粉末；
(2)将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；
(3)将烧结坯进行冷加工变形(如轧制、拉拔或锻造等)，得到变形态Cu-Fe-Ca材料；
(4)将变形态Cu-Fe-Ca材料进行时效处理，即得到所述高导电高强铜铁钙合金。
上述制备方法中，优选的，所述雾化法采用氮气或者氩气雾化，控制气体流量为0.02-0.24m3/s，气体压力为0.5-1.2MPa，雾化熔体温度为1000-1400℃；或者，所述雾化法采用水雾化的方式，水流量为120-400kg/min，水压为5.5-25MPa，雾化熔体温度为1000-1400℃。
上述制备方法中，优选的，所述合金粉末的粒度为10-100μm。将粒度控制在上述范围可以提高合金粉末的烧结性能，粒度太小时，合金粉末氧含量高，会恶化烧结制品的塑性加工性能，粒度太大时，合金粉末烧结性能差。
上述制备方法中，优选的，所述烧结处理包括以下步骤：将合金粉末在50-280MPa的压力下压制得到粉末压坯；然后在还原气氛下，于800-1200℃下烧结60-120min；所述还原性气氛为氢气气氛、分解氨气氛和一氧化碳气氛中的任一种；或者，所述烧结处理为在还原气氛下，采用电火花活化烧结将合金粉末进行烧结，控制烧结温度为750-850℃，保压时间为10-60min；所述还原性气氛为氢气气氛、分解氨气氛和一氧化碳气氛中的任一种。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。采用还原气氛烧结，粉末颗粒表面的氧可以再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。
上述制备方法中，优选的，所述冷加工变形处理在室温下进行，处理过程中材料变形量为0-90％。经冷轧/室温拉拔/冷锻变形加工，导入大量位错，为后续析出相均匀形核析出提供充足的动力，从而提高板材的力学性能，经冷轧变形+时效处理的铜铁钙合金适合于各种插座、开关、车载零部件等应用领域。
上述制备方法中，优选的，所述时效处理的温度为150-500℃，时间为0.5-4h。更优选的，所述时效处理为双步时效处理，首先在300-320℃下保温0.5-1h之后，再以5-8℃/min的降温速率降温至180-200℃下保温2.5-3h。经时效处理后，合金基体内的过饱和固溶元素Fe和Ca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，Fe析出相和Cu5Ca析出相的共同析出，可以阻碍位错移动，有利于提高合金的强度。此外，本发明更优选的采用双步时效处理，该时效处理方式与本发明中铜铁钙合金的成分(高铁、高钙)相互配合，可以降低析出相尺寸并调控相界元素分布和电子结构，可以实现同步提升Cu-Fe-Ca合金的力学性能、拉伸延伸率和导电率。上述时效处理的温度与时间对析出相尺寸有较大影响，首次时效处理温度相比于第二次时效处理温度更高，时间更短，有利于双步时效处理效果的发挥。
一般来说，铜铁钙合金铁含量过多，会影响合金的导电性，钙含量过多，会降低合金的力学性能，铜铁钙合金的力学性能与导电性能难以均衡。本发明中，通过钙的添加可以减小铁的添加对合金导电性能的影响，钙的添加量小，钙的效果难以保证，钙的添加量多，会降低合金的力学性能。本发明研究表明，在铜铁钙合金中添加高含量的铁(28-35wt.％)与钙(1.5-2wt.％)，再通过双步时效处理的方式，通过优化时效处理的工艺条件，此时允许铜铁钙合金中添加高含量的铁与钙，可以实现铜铁钙合金的力学性能与导电性能的均衡提高。
本发明中，粉末冶金工艺制备的Cu-Fe-Ca合金经冷轧加工变形和时效处理之后，Fe相和Cu5Ca相的分布更加均匀，可以有效避免合金裂纹的产生，而且双析出相(Fe相和Cu5Ca相)的存在可以大幅提高合金强度。
本发明中，随Fe含量的增加，合金起主要增强效果的Fe相含量增加，使合金的拉伸强度得到明显增加。经时效处理后，固溶于铜基体内的Fe和Ca可以成分析出，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，也有利于合金的强度，从而实现合金强度与导电率的同步提高。
本发明中，Ca元素的存在首先可以提高Fe相的形核率，促进Fe相的弥散析出，提高合金强度；第二，Ca元素在Cu基体中的固溶度很小，在时效过程中可以析出Cu5Ca相，可以阻碍位错移动，有助于提高合金强度；第三，Ca元素在高温下可以跟铜中Bi、Pb等杂质发生反应，有助于Cu基体的纯化，减弱了固溶杂质原子引起的晶格畸变对电子的散射，有助于提高合金导电率；第四，Ca元素本身的添加对于Cu合金导电率影响较小；第五，在特定的时效处理下，Ca元素会在Fe相与基体的界面上偏聚，限制Fe相的尺寸，并且修饰相界，可以最大程度上降低电子在相界面传导过程中的损耗。上述这些因素保证了铜铁钙合金相较于铜铁合金同时兼具更高的强度和导电率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通在传统铜铁系合金中加入钙元素，并优化各元素之间的配比关系，本发明的铜铁钙合金抗拉强度明显提升，导电性能降幅很小。
2、本发明的制备方法采用雾化法制备合金粉末，由于合金液滴冷却速度快，得到的合金粉末中铜基体内Fe为过饱和固溶状态以亚微米级呈均匀弥散分布，可避免传统铸造过程中铬的宏观偏析带来的合金难加工及由于Fe相粗大而导致的合金力学性能低等问题。
3、本发明通过时效工艺优化，利于钙和铁作用的协同发挥，铜铁钙合金的综合性能优异。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
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的含义相同。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：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为5wt.％，Ca含量为1wt.％，余量为铜，抗拉强度为550MPa，延伸率为25％，导电率为75％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为5％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为1％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为5wt.％，Ca含量为1wt.％，配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例2：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为20wt.％，Ca含量为1wt.％，余量为铜，抗拉强度为710MPa，延伸率为24％，导电率为71％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为20％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为1％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为20wt.％，Ca含量为1wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例3：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为1wt.％，余量为铜，抗拉强度为910MPa，延伸率为20％，导电率为67％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为1％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为1wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例4：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为625MPa，延伸率为24％，导电率为74％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为5％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％，配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例5：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为800MPa，延伸率为22％，导电率为70％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为20％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例6：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1050MPa，延伸率为19％，导电率为66％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为60％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例7：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为770MPa，延伸率为23％，导电率为73％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为5％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％，配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例8：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为940MPa，延伸率为21％，导电率为69％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为20％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例9：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1480MPa，延伸率为18％，导电率为65％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例10：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为805MPa，延伸率为30％，导电率为80％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为5％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为5wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为300℃，时间为0.5h和180℃，时间为3h的双步时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金，其中两个时效处理之间的降温速率为8℃/min。
实施例11：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为980MPa，延伸率为29％，导电率为79％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为20％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为20wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为300℃，时间为0.5h和180℃，时间为3h的双步时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金，其中两个时效处理之间的降温速率为8℃/min。
实施例12：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1520MPa，延伸率为28％，导电率为78％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为300℃，时间为0.5h和180℃，时间为3h的双步时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金，其中两个时效处理之间的降温速率为8℃/min。
实施例13：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1460MPa，延伸率为18％，导电率为66％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为300℃，时间为3.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例14：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1430MPa，延伸率为16％，导电率为64％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为180℃，时间为3.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例15：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1490MPa，延伸率为19％，导电率为68％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为3.5h的时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金。
实施例16：
一种高导电高强铜铁钙合金，该铜铁钙合金的Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％，余量为铜，抗拉强度为1500MPa，延伸率为23％，导电率为70％IACS。
本实施例的高导电高强铜铁钙合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按合金组成中Fe/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为35％，Ca/(Cu+Fe+Ca)的质量百分数为2％，即所需铜铁钙合金中Fe含量为35wt.％，Ca含量为2wt.％配比纯铜块、铜铁中间合金块和铜钙中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；
(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)将烧结坯进行冷轧处理，变形应变为90％，得到Cu-Fe-Ca板材；
(4)将Cu-Fe-Ca板材经温度为480℃，时间为0.5h和300℃，时间为3h的双步时效处理后得到最终产品-高导电高强铜铁钙合金，其中两个时效处理之间的降温速率为8℃/min。
对比例1：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；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；将烧结坯进行冷轧处理，冷轧变形量为90％，得到Cu-Fe板材；然后再经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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520MPa，延伸率为25％。
对比例2：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为20％，即所需铜铁合金中铁含量为20wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；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0.02-0.24m3/s，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；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；将烧结坯进行冷轧处理，冷轧变形量为90％，得到Cu-Fe板材；然后再经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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50％IACS，抗拉强度为630MPa，延伸率为22％。
对比例3：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为35％，即所需铜铁合金中铁含量为35wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气体流量为0.02-0.24m3/s，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，熔化温度为1200℃，制备的合金粉末粒度为10-100μm；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；将烧结坯进行冷轧处理，冷轧变形量为90％，得到Cu-Fe板材；然后再经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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45％IACS，抗拉强度为710MPa，延伸率为17％。
对比例4：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为5％，即所需铜铁合金中铁含量为5wt.％，钙含量为0wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；经常规的铸造和冷轧变形加工工艺，冷轧变形量为90％，然后在经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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39％IACS，抗拉强度为480MPa，延伸率为9％。
对比例5：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为20％，即所需铜铁合金中铁含量为20wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；经常规的铸造和冷轧变形加工工艺，冷轧变形量为90％，然后在经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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37％IACS，抗拉强度为550MPa，延伸率为8％。
对比例6：
按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量百分数为35％，即所需铜铁合金中铁含量为35wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；经常规的铸造和冷轧变形加工工艺，冷轧变形量为90％，然后在经温度为480℃，时间为0.5h的时效处理，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35％IACS，抗拉强度为610MPa，延伸率为6％。
上述的本发明实施例1-12和对比例1-6制得的合金进行导电性能测试和强度测试的测试结果详见表1。其中导电性能采用线切割机制备的60mm×3mm×2mm电阻率测试样品，利用双臂电桥进行电阻率测量，并根据国际退火铜标准，换算得到样品的相对导电率，强度测试和延伸率测试采用国标GB/T228-2002。
表1：实施例1-16和对比例1-6的导电性能测试和强度测试结果
Figure BDA0002573067330000121
Figure BDA0002573067330000131
由上表1可以看出，与传统铸造-冷轧变形工艺以及不含钙的粉末制造-冷轧变形工艺相比，本发明的铜铁钙合金抗拉强度明显提升，采用双步时效处理也可以在小幅度降低导电率的前提下明显提高铜铁钙合金抗拉强度，目前最高可提升至1520MPa，拉伸延伸率和导电率依然可以保持在28％和78IACS％以上。

Claims (8)

1.一种高导电高强铜铁钙合金的制备方法，所述高导电高强铜铁钙合金包括以下质量百分比的组分：0.05-35wt.%的Fe，0.01-2wt.%的Ca，余量为铜及不可避免的杂质，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）将铜铁钙合金原料采用雾化法制备合金粉末；
（2）将合金粉末进行烧结处理，得到烧结坯；
（3）将烧结坯进行冷加工变形，得到变形态Cu-Fe-Ca材料；
（4）将变形态Cu-Fe-Ca材料进行时效处理，即得到所述高导电高强铜铁钙合金；
所述时效处理为双步时效处理，首先在300-320℃下保温0.5-1h之后，再以5-8℃/min的降温速率降温至180-200℃下保温2.5-3h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：20-35wt.%的Fe，1-2wt.%的Ca，余量为铜及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述铜铁钙合金的导电率为40-80%IACS，抗拉强度为400-1520MPa。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述雾化法采用氮气或者氩气雾化，控制气体流量为0.02-0.24m3/s，气体压力为0.5-1.2MPa，雾化熔体温度为1000-1400℃；或者，所述雾化法采用水雾化的方式，水流量为120-400kg/min，水压为5.5-25MPa，雾化熔体温度为1000-1400℃。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述合金粉末的粒度为10-100μm。
6.根据权利要求1、4-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理包括以下步骤：将合金粉末在50-280MPa的压力下压制得到粉末压坯；然后在还原气氛下，于800-1200℃下烧结60-120min；所述还原性气氛为氢气气氛、分解氨气氛和一氧化碳气氛中的任一种。
7.根据权利要求1、4-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理为在还原气氛下，采用电火花活化烧结将合金粉末进行烧结，控制烧结温度为750-850℃，保压时间为10-60min；所述还原性气氛为氢气气氛、分解氨气氛和一氧化碳气氛中的任一种。
8.根据权利要求1、4-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述冷加工变形处理在室温下进行，处理过程中材料变形量为0-90%。
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