CN111889511B

CN111889511B - 一种CuFe合金梯度复合材料及其制备方法

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Publication number: CN111889511B
Application number: CN202010687554.9A
Authority: CN
Inventors: 龚深; 刘斌; 庞永杰; 李周
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: CN111889511A

Abstract

本发明公开了一种CuFe合金梯度复合材料及其制备方法，包括有上层结构、中间层和下层结构，上层结构与下层结构以中间层为中心呈对称结构；上层结构由多层不同铁含量的铜合金板复合而成，下层结构与上层结构从铜合金板坯的厚度、组成和层数均与上层结构一致；中间层为单层的铜合金板。本发明利用CuFe合金中Fe含量及第三、四组元元素的调整可以大幅改变CuFe合金的相关性能，但是合金基体差异性不大的特点。按照目标需求设计表层及内部合金成分，并根据成分差异性合理设计梯度过度复合层，以避免因成分差异大造成的复合难度大、复合效果差的技术问题。

Description

一种CuFe合金梯度复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金复合材料制备技术领域，具体涉及一种CuFe梯度合金复合材料及其制备方法。

背景技术

在电气电子、机械、航空、汽车、海洋、医疗机械等领域，都需要用到电磁屏蔽材料，而铜合金作为一种具有电磁屏蔽材料在上述领域中均有应用。目前对铜合金屏蔽性能的调整主要是通过调节合金成分的组成。但是不同的应用领域，对材料的要求是不同的，例如电磁屏蔽材料要求表面导电高、内部导磁高；而散热框架材料要求表面耐蚀强、内部导热高。

不同合金成分的CuFe合金拥有不同的导电、导热、导磁、强度、耐摩、耐蚀等性能，通过合理的成分设计及复合工艺的匹配，实现CuFe合金在厚度方向上的梯度复合，从而使复合材料兼顾不同成分CuFe合金的优异性能，满足高端应用领域的性能需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合性能优越的CuFe合金梯度复合材料及其制备方法。

本发明这种CuFe合金梯度复合材料，包括有上层结构、中间层和下层结构，上层结构与下层结构以中间层为中心呈对称结构；上层结构由多层不同铁含量的铜合金板复合而成，下层结构与上层结构从铜合金板坯的厚度、组成和层数均与上层结构一致；中间层为单层的铜合金板。

所述的CuFe合金梯度复合材料，中间层占总厚度的60~80%；上层结构的厚度与下层结构的厚度完全一致；所述的上层结构和下层结构是由2~3层不同铁含量的铜合金板复合而成；所述CuFe合金梯度复合材料中所采用的铜合金板中铁含量为2~40wt%。

优选的，所述的上层结构和下层结构所采用的部分铜合金板还掺杂了Al、Ni、Si、Cr中的一种或多种，其中Al的掺杂量为0.5~1wt%，Ni的掺杂量为0.5~1wt%，Si的掺杂量为0.6~1.2wt%，Cr的掺杂量为0.6~1.2wt%；所述的中间层采用的铜合金板中掺杂了Si，Si的掺杂量为2.2~2.5wt%。

一种CuFe合金梯度复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）根据复合材料中所需的铜合金板材的成分组成和厚度，制备多种铜合金板材；

2）将步骤1）获得的铜合金板材进行酸洗后，按照复合材料的结构设计组成，依次放置下层结构的多层铜合金板，接着放置中间层的铜合金板，然后依次放置上层结构的多层铜合金板，最终多层铜合金板进行固定；

3）将步骤2）中固定好的多层铜合金板进行两道次叠轧，从而实现轧制复合，并达到所需板材厚度；然后在保护气氛下，进行热处理，得到高电磁屏蔽CuFe合金梯度复合材料。

所述步骤1）中，铜合金板材的制备方法，包括以下步骤：

1-1按照设计配比称取各组分，并在保护气氛下进行熔炼，熔炼完毕后，进行浇注，得到不同成分的Cu合金铸锭；

1-2对步骤1-1所得Cu合金铸锭，通过均匀化退火-轧制-二次退火工艺至设计好的尺寸，得到各种组份和厚度合金板材。

步骤1-1中，Fe是以CuFe中间合金的形式添加到Cu液中，其他掺杂元素是以单质的形式添加；熔炼过程的中的搅拌是在低频磁场下搅拌，采用真空感应炉进行熔炼，真空度为10-3~10-1Pa，保护气氛采用高纯氩气气氛；浇注模具采用水冷模具。

步骤1-2中，对熔炼好的铸锭进行均匀化退火处理；均匀化退火处理的温度为920℃~980℃，时间为8~24h；均匀化退火处理后的铸锭降温至800~900℃，进行轧制，轧制包括热轧开坯和冷轧，热轧开坯总变形量为65%~90%，冷轧的总变形量75%～85%；对轧制完成的中间坯料进行二次退火处理，二次退火处理的温度为500℃~550℃，时间为2~6h。

所述步骤(3)中，第一道次叠轧主要是为了去除界面之间的气体，变形量小于5%，第二道次变形量为40%~60%。

所述步骤(3)中，热处理的温度为200℃~550℃。

本发明的有益效果：1）本发明利用CuFe合金中Fe含量及第三、四组元元素的调整可以大幅改变CuFe合金的相关性能，但是合金基体差异性不大的特点。按照目标需求设计表层及内部合金成分，并根据成分差异性合理设计梯度过度复合层，以避免因成分差异大造成的复合难度大、复合效果差的技术问题。最终得到的CuFe合金梯度复合材料将兼具CuFe合金不同成分合金材料的性能优势，可以广泛应用于电力、通信、铁路等领域。2）本发明实现了一种CuFe合金梯度复合材料的制备方法，在真空熔炼过程中，通过电磁搅拌以及水冷模快速凝固提高了铁在铜基体中分布的均匀度，得到不同成分的Cu-Fe合金铸锭，然后经过热轧/冷轧开坯，得到了Cu-Fe合金的中间板坯，将不同成分的CuFe合金板坯按成分梯度进行叠加，通过轧制复合得到CuFe合金梯度复合材料，并进行热处理对CuFe复合材料的组织结构进行调整，最终制备得到综合性能优异的梯度复合材料。本发明制备工艺简单，成本低廉，对设备要求不高，能够适用于大规模生产。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为实施例1中所得CuFe梯度复合材料实物图。

图3为实施例1中所得CuFe梯度复合材料的电磁屏蔽效能曲线。

图4为实施例1中Cu-40Fe合金金相图片（放大200倍）。

图5为实施例1中Cu-10Fe合金金相图片（放大200倍）。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

在实施例中铜合金板中的铁含量为40%时，直接用Cu-40wt%Fe中间合金进行熔炼，无需加入电解铜。

实施例1

本实施例一种高电磁屏蔽高强度CuFe合金梯度复合材料，由以下合金由表及里梯度复合而成：上层结构共包括有3层，上表层的厚度占总厚度的10%，铜合金板的成分为Fe:3wt%，余量为Cu；第二层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe:10wt%，余量为Cu；第三层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe:20wt%，余量为Cu。下层结构与上层结构以中间层为中心完全对称，即下层结构的下表层、第二’层和第三’层分别与上层结构的上表层、第二层和第三层从厚度以及合金成分组成上是完全一致的；第三层和第三’层分别中间层的两个表面接触；中间层的厚度占总厚度的60%，CuFe合金板成分为，Fe:40wt%，余量为Cu。

本实施例中的高电磁屏蔽CuFe合金梯度复合材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1) 真空熔炼：根据上述结构中4种不同铁含量铜合金的配方分别进行配料，取电解纯铜、Cu-40wt%Fe中间合金为原料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，采用高纯氩气作为保护气体，真空度为10-3Pa。熔炼温度1500℃，熔炼过程中通过低频磁场搅拌熔体；

(2) 铸造：将铜合金溶液在1200℃下进行铸造，并采用水冷模具，冷却后得到Cu-Fe合金铸锭；

(3) 均匀化：将铸锭进行均匀化处理，均匀化温度为950℃，时间为8h，得到均匀化的铸锭；

(4) 热轧开坯：开坯总变形量75%，开坯温度850℃；

(5) 冷轧：冷轧的总变形量为80%，通过大变形冷轧得到纤维状的变形组织；

(6) 退火处理：将冷轧后的合金进行退火处理，退火处理温度为500℃，保温时间为2h，得到4种不同铁含量（3%、10%、20%、40%）的铜合金中间板坯；

(7) 酸洗：将步骤（6）中铜合金板坯进行酸洗处理，去掉表层氧化膜，露出新鲜金属。按本实施例中复合材料中设计的具体结构将铜合金板坯按照梯度顺序依次叠加放置，在边缘打孔后通过铆钉固定；

(8) 叠轧复合：将叠加固定后的组合板材进行室温叠轧，第一道次变形量小于5%，主要挤出板间气体，后续道次变形量逐渐增加到60%，从而实现轧制复合，并达到所需板材厚度。

(9)热处理：将叠轧复合后的合金进行热处理，热处理温度为350℃，热处理时间为2h，采用气体保护，得到高电磁屏蔽CuFe合金梯度复合材料。

图2为实施例1所得高电磁屏蔽高强度CuFe合金梯度复合材料剪切后的表面宏观图。从图中可以看出，样品表面光滑，并无明显缺陷。

图3为实施例1所得高电磁屏蔽高强度CuFe合金梯度复合材料的电磁屏蔽性能测试结果。从图3可以看出，在14KHz~2.2GHz的频率范围内该样品的电磁屏蔽性能均高于105dB。

图4为实施例1中所用Cu-40Fe合金轧制复合前的金相图片（放大200倍），从图4可以得出，所得合金均匀分布大量高体积分数Fe相。

图5为实施例1中所用Cu-10Fe合金轧制复合前的金相图片（放大200倍），从图5可以得出，所得合金均匀分布一定量的Fe相。

实施例2

本实施例一种高电磁屏蔽高强度CuFe合金梯度复合材料，由以下合金由表及里梯度复合而成：上层结构共包括有3层，上表层的厚度占总厚度的10%，铜合金板的成分为Fe:3wt%，余量为Cu；第二层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Si：0.6wt%，Cr：0.6wt%；第三层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe：20wt%，Si：1.2wt%，Cr：1.2wt%，余量为Cu。下层结构与上层结构以中间层为中心完全对称，即下层结构的下表层、第二’层和第三’层分别与上层结构的上表层、第二层和第三层从厚度以及合金成分组成上是完全一致的；第三层和第三’层分别中间层的两个表面接触；中间层的厚度占总厚度的60%，CuFe合金板成分为Fe:40wt%，Si：2.4wt%，余量为Cu。

(1) 真空熔炼：根据上述结构中4种不同铁含量和掺杂元素铜合金的配方分别进行配料，取电解纯铜、Cu-40wt%Fe中间合金，掺杂元素单质为原料，采用真空熔炼炉对合金进行熔炼，采用高纯氩气作为保护气体，真空度为10-3Pa。熔炼温度1480℃，熔炼过程中通过低频磁场搅拌熔体；

(2) 铸造：将铜合金溶液在1300℃下进行铸造，并采用水冷模具，冷却后得到Cu-Fe合金铸锭；

(4) 热轧开坯：开坯总变形量80%，开坯温度850℃；

(5) 冷轧：冷轧的总变形量为85%，通过大变形冷轧得到纤维状的变形组织；

(6) 退火处理：将冷轧后的合金进行退火处理，退火处理温度为500℃，保温时间为2h，得到4种不同铁和掺杂元素含量的铜合金中间板坯；

(9)热处理：将叠轧复合后的合金进行热处理，热处理温度为400℃，热处理时间为2h，采用气体保护，得到高电磁屏蔽CuFe合金梯度复合材料。

实施例3

本实施例一种一种高耐蚀高导热CuFe合金梯度复合材料，由以下合金由表及里梯度复合而成：上层结构共包括有2层，上表层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe:20wt%，Al：1wt%，Ni：1wt%，余量为Cu；第二层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe:10wt%，余量为Cu。下层结构与上层结构以中间层为中心完全对称，即下层结构的下表层、第二’层分别与上层结构的上表层、第二层从厚度以及合金成分组成上是完全一致的；第三层和第三’层分别中间层的两个表面接触；中间层的厚度占总厚度的80%，CuFe合金板成分为，Fe：2wt%，余量为Cu。

其制备方法与实施例2一致。

实施例4

本实施例一种一种高耐蚀高导热CuFe合金梯度复合材料，由以下合金由表及里梯度复合而成：上层结构共包括有2层，上表层的厚度占总厚度的10%，铜合金板的成分为Fe：20wt%，Al：1wt%，Ni：1wt%，余量为Cu；第二层的厚度占总厚度的5%，铜合金板的成分为Fe：10wt%，Al：0.5wt%，Ni：0.5wt%，余量为Cu。下层结构与上层结构以中间层为中心完全对称，即下层结构的下表层、第二’层分别与上层结构的上表层、第二层从厚度以及合金成分组成上是完全一致的；第二层和第二’层分别中间层的两个表面接触；中间层的厚度占总厚度的70%，CuFe合金板成分为，Fe：2wt%，余量为Cu。

其制备方法与实施例2一致。

对比例1

单一成分铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Fe：40wt%，余量为Cu。其制备方法与实施例1相同。

对比例2

单一成分铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Fe：40wt%，Si：2.4wt%，余量为Cu，各成分的质量百分比之和为100%。其制备方法与实施例1相同。

对比例3

单一成分铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Fe：2wt%，余量为Cu。其制备方法与实施例1相同。

对比例4

单一成分铜合金，由以下组分按重量百分比组成：Fe：20wt%，余量为Cu。其制备方法与实施例1相同。

对比例1~4制备的铜合金板的厚度与实施例1的厚度是一样的。

所制备CuFe合金梯度复合材料的性能如表1及表2所示：

表1一种高电磁屏蔽高强度CuFe合金梯度复合材料性能表

表2一种高耐蚀高导热CuFe合金梯度复合材料性能表

由表1可以看出，CuFe合金形成梯度复合材料后可以兼顾电磁屏蔽性能及强度性能。由表2可以看出，CuFe合金形成梯度复合材料后，其耐蚀及导热性能也可以得到优化。

Claims

1.一种CuFe合金梯度复合材料，其特征在于，包括有上层结构、中间层和下层结构，上层结构与下层结构以中间层为中心呈对称结构；上层结构由多层不同铁含量的铜铁合金板复合而成，下层结构与上层结构从铜铁合金板坯的厚度、组成和层数均与上层结构一致；中间层为单层的铜铁合金板;

所述的CuFe合金梯度复合材料，中间层占总厚度的60~80%；上层结构的厚度与下层结构的厚度完全一致；所述的上层结构和下层结构是由2~3层不同铁含量的铜铁合金板复合而成；所述CuFe合金梯度复合材料中所采用的铜铁合金板中铁含量为2~40wt%；

所述的上层结构和下层结构所采用的部分铜铁合金板还掺杂了Al、Ni、Si、Cr中的一种或多种，其中Al的掺杂量为0.5~1wt%，Ni的掺杂量为0.5~1wt%，Si的掺杂量为0.6~1.2wt%，Cr的掺杂量为0.6~1.2wt%。

2.根据权利要求1所述的CuFe合金梯度复合材料，其特征在于，所述的中间层采用的铜合金中掺杂了Si，Si的掺杂量为2.2~2.5wt%。

3.一种根据权利要求1~2中任意一项所述的CuFe合金梯度复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）根据复合材料中所需的铜铁合金板材的成分组成和厚度，制备多种铜铁合金板材；

2）将步骤1）获得的铜铁合金板材进行酸洗后，按照复合材料的结构设计组成，依次放置下层结构的多层铜铁合金板，接着放置中间层的铜铁合金板，然后依次放置上层结构的多层铜铁合金板，最终多层铜铁合金板进行固定；

3）将步骤2）中固定好的多层铜铁合金板进行两道次叠轧，从而实现轧制复合，并达到所需板材厚度；然后在保护气氛下，进行热处理，得到高电磁屏蔽CuFe合金梯度复合材料；

4.根据权利要求3所述的CuFe合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于，

所述步骤1）中，铜铁合金板材的制备方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的CuFe合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1-1中，Fe是以CuFe中间合金的形式添加到Cu液中，其他掺杂元素是以单质的形式添加；熔炼过程的中的搅拌是在低频磁场下搅拌，采用真空感应炉进行熔炼，真空度为10^-3~10^-1Pa，保护气氛采用高纯氩气气氛；浇注模具采用水冷模具。

6.根据权利要求4所述的CuFe合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1-2中，对熔炼好的铸锭进行均匀化退火处理；均匀化退火处理的温度为920℃~980℃，时间为8~24h；均匀化退火处理后的铸锭降温至800~900℃，进行轧制，轧制包括热轧开坯和冷轧，热轧开坯总变形量为65%~90%，冷轧的总变形量75%～85%；对轧制完成的中间坯料进行二次退火处理，二次退火处理的温度为500℃~550℃，时间为2~6h。

7.根据权利要求3所述的CuFe合金梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，热处理的温度为200℃~550℃。