CN114540657B

CN114540657B - 一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114540657B
Application number: CN202210302997.0A
Authority: CN
Inventors: 龚深; 于翔宇; 李周; 邱文婷
Original assignee: Shanxi Feimai Information Technology Co ltd; Central South University
Current assignee: Shanxi Feimai Information Technology Co ltd; Central South University
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-03-24
Also published as: CN114540657A

Abstract

本发明公开了一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料及其制备方法，按照质量百分比，由以下组分组成：Fe：5.0～15.0wt％、Si：0.4～1.2wt％、Mg：0.2～0.4wt％、Y：0.05～0.3wt％、Cr：0.2～0.5wt％、Zr：0.05～0.15wt％，余量为Cu，各组分之和为100％。本发明的铜铁合金中加入了特定比例的Si元素，可以与Fe形成FeSi相，稀土Y与Si的联合添加在进一步纯净合金熔体除气脱氧的基础上，更有利于铜铁合金中Fe相的析出，显著提高铜铁合金基体的导电率。铜合金基体作为良导体类屏蔽材料可以实现静电场及高频电磁场的屏蔽，而合金中析出的大量铁硅相可以作为铁磁类屏蔽材料实现低频磁场的屏蔽，从而实现宽频电磁屏蔽。Mg、Cr、Zr元素可以在小幅降低导电率的同时大幅提高合金的加工硬化率，从而提高合金的力学性能。

Description

一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料及其制备方法。

背景技术

近些年来随着我国制造业的发展，对兼具多种功能性的高端铜合金的需求大幅升高。同时具备高强、高导、宽频段电磁屏蔽性能的稀土铜合金成为高端铜合金重点研发的产品之一。使用铁代替一部分铜的铜铁合金不仅具备了传统铜合金优良的导电、导热、易加工、抗菌等优良性能，同时还具备较好的磁性能与较为经济的价格。因此铜铁合金在诸多领域中拥有广泛的应用市场，特别是在集成电路引线框架、接插件触头、触桥和真空器件等产品中，Cu-Fe合金得到了广泛的应用。但是由于铜铁合金是一种难熔金属，故在制备高铁含量的铜铁合金时，合金极易出现组织成分不均匀等一系列问题。为解决在合金铸造时出现的这一问题，铜铁合金的制备多采用原位复合、真空自耗和粉末冶金等方法。例如，发明专利CN108251684A和CN111424188A公开了使用粉末冶金制备高导电高强铜铁合金及其制备方法，发明专利CN113278830A公开了使用真空自耗电弧熔炼的方法制备高均匀铜铁合金。但是这些方法的工序复杂、成本过高，不易实现工业连续化生产。随着市场规模的不断扩大，迫切需要一种可以实现高强、高导、宽频电磁屏蔽的稀土铜合金的制备产业化的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料及其制备方法。该稀土铜合金材料具有高强高导的特性，且制备方法简单，成本较低，易如实现工业连续化生产。

本发明这种一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，按照质量百分比，由以下组分组成：Fe：5.0～15.0wt％、Si：0.4～1.2wt％、Mg：0.2～0.4wt％、Y：0.05～0.3wt％、Cr：0.2～0.5wt％、Zr：0.05～0.15wt％，余量为Cu，各组分之和为100％。

本发明这种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)熔炼：根据设计合金成分按照比例配取各种元素组分，将原料加入坩埚中，惰性气体保护，充分搅拌后再次扒渣，得到纯净熔体；

2)铸造：将步骤1)中的纯净熔体进行半连续铸造，得到铜合金铸锭；

3)均匀化：将步骤2)中的铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化退火处理，得到均匀化后的铸锭；

4)组合形变热处理：将均匀化后的铸锭进行冷加工变形+时效处理，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料的制备方法。

所述步骤1)中，原料铁、硅、钇、铬以纯单质形式加入，铜以电解铜的形式添加，镁、锆分别以铜镁合金和铜锆合金的形式加入；原料的加入顺序为：先将电解铜与铁、硅、铬加热融化，加入其余组分的中间合金，最后加入稀土元素钇；其中在熔炼过程中，需要保持炉温在1450～1500℃。

优选的，所述的铜镁合金中镁的质量百分含量为20～40％，铜锆合金中锆的质量百分含量为40～60％。

所述步骤2)中，半连续铸造温度为1250～1350℃。

所述步骤3)中，均匀化退火处理温度为950～980℃，处理时间为4～8h。

所述步骤4)中，冷加工变形+时效处理的具体步骤为：首先，按照总变形量≥80％对均匀化后的铸锭进行第一次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行预时效处理，处理结束后，接着按照总变形量≥75％进行第二次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行时效处理，处理结束后，然后按照总变形量≥60％进行第三次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行三级时效处理，处理结束后，最后按照总变形量≥50％进行第四次冷加工变形处理，处理完毕后，进行退火处理，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料。

优选的，所述预时效处理温度为400～550℃，处理时间为1～2h；时效处理温度为350～500℃，处理时间为1～2h；三级时效处理温度为320～380℃，处理时间为16～32h；退火温度为200～300℃，退火时间为4～5h。

本发明的有益效果：

1)本发明的铜铁合金中加入了特定比例的Si元素，可以与Fe形成FeSi相，稀土Y与Si的联合添加在进一步纯净合金熔体除气脱氧的基础上，更有利于铜铁合金中Fe相的析出，显著提高铜铁合金基体的导电率。铜合金基体作为良导体类屏蔽材料可以实现静电场及高频电磁场的屏蔽，而合金中析出的大量铁硅相可以作为铁磁类屏蔽材料实现低频磁场的屏蔽，从而实现宽频电磁屏蔽。Mg、Cr、Zr元素可以在小幅降低导电率的同时大幅提高合金的加工硬化率，从而提高合金的力学性能。

2)本发明中多次的冷变形+时效的组合形变热处理工艺可以最大限度使合金中第二相粒子析出，特别是对于特定比例添加的铁元素与硅元素，可以做形变热处理过程中进一步形成铁硅相，该工艺显著促进了铁硅相的析出。

3)本发明制备的铜铁合金具有较好的电磁屏蔽性能、较高的强度和高的导电率，使用该方法制备的合金抗拉强度大于800MPa，导电率大于50％IACS，电磁屏蔽效能大于90dB。且本发明公开的制备方法简单、设备要求较低，适合工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中铸态微观组织

具体实施方式

实施例1：

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、Cu-30Mg中间合金和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：5.0wt％、Si：0.5wt％、Mg：0.4wt％、Y：0.2wt％、Cr：0.3wt％、Zr：0.05wt％，余量为Cu进行配比。

首先在石墨坩埚中，使用感应炉将铜、铁、硅、铬加热融化，然后加入加入Cu-30Mg中间合金和Cu-50Zr中间合金，最后加入稀土元素钇，氮气保护，充分搅拌后再次扒渣，得到纯净熔体，整个熔炼过程需要控制炉温在1450～1500℃。

将纯净熔体的温度冷却至1250℃时进行半连续铸造，得到合金铸锭，其铸态组织照片如图1所示，由图可以看出：铸态组织球形的初生铁相分布较为均匀，晶粒尺寸细小。

将铜合金铸锭在保护气氛下和980℃温度下，进行均匀化退火处理5h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照85％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和550℃条件下，预时效处理1.5h，处理结束后，按照变形量为80％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和400℃温度下，进行时效处理2h；处理结束后，将按照65％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和370℃温度下进行三级时效处理28h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在250℃退火处理4.5h，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为818.26Mpa，伸长率2％，导电率56.76％IACS，电磁屏蔽效能为91dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为227W/m·K。

实施例2：

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、Cu-30Mg中间合金和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：10.0wt％、Si：0.8wt％、Mg：0.2wt％、Y：0.2wt％、Cr：0.3wt％、Zr：0.1wt％，余量为Cu进行配比。

将纯净熔体的温度冷却至1250℃时进行半连续铸造，得到合金铸锭。

将铜合金铸锭在保护气氛下和950℃温度下，进行均匀化退火处理8h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照80％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和500℃条件下，预时效处理1h，处理结束后，按照变形量为80％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和400℃温度下，进行时效处理2h；处理结束后，将按照60％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和350℃温度下进行三级时效处理32h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在200℃退火处理4h，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为827MPa，伸长率3.1％，导电率51.4％IACS，电磁屏蔽效能为93dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为205W/m·K。

对比例1

与实施例2相比，元素中没有加入Si；按照Fe：10.0wt％、Mg：0.2wt％、Y：0.2wt％、Cr：0.3wt％、Zr：0.1wt％，余量为Cu进行配比。

本对比例制备的合金的抗拉强度为650Mpa，伸长率1.9％，导电率45.36％IACS，电磁屏蔽效能为83dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为197W/m·K。

与实施例2相比，没有加入Si元素，其电导率和电磁屏蔽效能都有所下降，力学性能也是有所降低。

对比例2

与实施例2相比，元素中没有加入Mg、Cr和Zr，按照Fe：10.0wt％、Si：0.8wt％、Y：0.2wt％，余量为Cu进行配比。

本对比例制备的合金的抗拉强度为461Mpa，伸长率2.1％，导电率53.21％IACS，电磁屏蔽效能为94dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为211W/m·K。

与实施例2相比，没有加入Mg、Cr和Zr元素，其电导率和电磁屏蔽效能都虽然没有太大的变化，甚至略有提升，但是其力学性能降低非常明显。

实施例3

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、Cu-30Mg中间合金和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：15.0wt％、Si：1.0wt％、Mg：0.3wt％、Y：0.1wt％、Cr：0.4wt％、Zr：0.15wt％，余量为Cu进行配比。

将纯净熔体的温度冷却至1300℃时进行半连续铸造，得到合金铸锭。

将铜合金铸锭在保护气氛下和980℃温度下，进行均匀化退火处理6h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照85％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和450℃条件下，预时效处理1h，处理结束后，按照变形量为80％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和350℃温度下，进行时效处理2h；处理结束后，将按照60％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和320℃温度下进行三级时效处理32h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在200℃退火处理4h，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为817MPa，伸长率2.9％，导电率58.3％IACS，电磁屏蔽效能为91dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为204W/m·K。

Claims

1.一种具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，其特征在于，按照质量百分比，由以下组分组成： Fe：5.0~15.0 wt%、Si：0.4~1.2 wt%、Mg：0.2~0.4 wt%、Y：0.05~0.3wt%、Cr：0.2~0.5wt%、Zr：0.05~0.15 wt%，余量为Cu，各组分之和为100%;

所述具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1）熔炼：根据设计合金成分按照比例配取各种元素组分，将原料加入坩埚中，惰性气体保护，充分搅拌后再次扒渣，得到纯净熔体；

2）铸造：将步骤1）中的纯净熔体进行半连续铸造，得到铜合金铸锭；

3）均匀化：将步骤2）中的铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化退火处理，得到均匀化后的铸锭；

4）组合形变热处理：将均匀化后的铸锭进行冷加工变形+时效处理，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料的制备方法;

所述步骤4）中，冷加工变形+时效处理的具体步骤为：首先，按照总变形量≥80%对均匀化后的铸锭进行第一次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行预时效处理，处理结束后，接着按照总变形量≥75%进行第二次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行时效处理，处理结束后，然后按照总变形量≥60%进行第三次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行三级时效处理，处理结束后，最后按照总变形量≥50%进行第四次冷加工变形处理，处理完毕后，进行退火处理，得到具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料;

所述预时效处理温度为400~550℃，处理时间为1~2h；时效处理温度为350~500℃，处理时间为1~2h；三级时效处理温度为320~380℃，处理时间为16~32h；退火温度为200~300℃，退火时间为4~5h。

2.根据权利要求1所述的具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，其特征在于，所述步骤1）中，原料铁、硅、钇、铬以纯单质形式加入，铜以电解铜的形式添加，镁、锆分别以铜镁合金和铜锆合金的形式加入；原料的加入顺序为：先将电解铜与铁、硅、铬加热熔化，加入其余组分的中间合金，最后加入稀土元素钇；其中在熔炼过程中，需要保持炉温在1450~1500℃。

3.根据权利要求2所述的具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，其特征在于，所述的铜镁合金中镁的质量百分含量为20~40%，铜锆合金中锆的质量百分含量为40~60%。

4.根据权利要求1所述的具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，其特征在于，所述步骤2）中，半连续铸造温度为1250~1350℃。

5.根据权利要求1所述的具有宽频电磁屏蔽的稀土铜合金材料，其特征在于，所述步骤3）中，均匀化退火处理温度为950~980 ℃，处理时间为4~8 h。