CN114807666B - 一种高导电高强铜铁合金制备方法 - Google Patents

一种高导电高强铜铁合金制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种高导电高强铜铁合金制备方法，属于合金制备技术领域。制备时，按高导电高强铜铁合金组分备料，合金包括组分及质量百分含量为Fe 5‑30％，余量为Cu 70‑95％，将Cu粉和Fe粉不经过球磨直接混合均匀，获得混合粉末，装入金属容器，真空封装后，进行热轧成型，冷却至室温，获得热轧态合金，其中，热轧开轧温度600‑750℃，热轧前进行保温20‑30min；将热轧态合金去壳后，进行冷加工变形处理，得到变形态Cu‑Fe合金，即为高导电高强铜铁合金。该工艺在合金制备过程中，采用不经过球磨直接混合+控制热轧温度的方法，最大限度地减少Fe向Cu基体中的扩散，有效地抑制Fe原子对导电性能的影响，使合金在保持高强度的同时拥有极高的导电率。

Description

一种高导电高强铜铁合金制备方法
技术领域：
本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种高导电高强铜铁合金制备方法。
背景技术：
Cu-Fe合金因其高强度、高导电性、优异的磁性和电磁屏蔽性能，在电子、机械和运输领域有着广泛的应用。但是由于难混溶区的存在，Cu-Fe合金在重力场凝固过程中极易形成严重偏析，产生合金成分、组织和性能不均匀的问题，从而无法充分发挥其应用价值。
目前，制备Cu-Fe合金的主要方法为粉末冶金法、快速凝固法、定向凝固法等。其中粉末冶金法是先通过机械合金化或雾化得到合金粉末，然后经烧结及后续处理，因此有效地阻止了成品中宏观偏析的发生。快速凝固法通过快速冷却，使液态金属降温到远低于其发生平衡凝固时的温度而不形核，金属仍以液态的形式存在并发生相变直至最后凝固。定向凝固法的基本原理为：给凝固界面施加一定速度使之上移，致第二相液滴被界面前沿吞并，最终获得第二相弥散分布的合金组织。例如申请公布号为CN 104232962 A的专利，其制备铜铁合金方法为：将Cu粉和Fe粉经过球磨混粉后过筛，然后依次经过预压制、高温热压烧结、固溶处理、时效处理，即得到Cu-Fe合金。申请公布号为CN 108251684 A的专利，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。
快速凝固法和定向凝固法对产品尺寸有限制，不适合工业生产，而且基体中Fe元素固溶度大，严重降低Cu-Fe合金的导电性能。
目前粉末冶金法制备铜铁合金时，混粉阶段绝大多数都采用球磨法或使用合金粉末，这会导致Fe溶于Cu晶格中，降低导电率。即使经过后续热处理，导电性能也与传统熔铸法类似，最高导电率为60％IACS左右，并且工艺流程复杂、需要静压机等设备，投资成本高。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种高导电高强铜铁合金制备方法，通过原料组分及工艺调控，在大冷轧压下率下保证高强度获得，同时在材料内部位错密度大情况下，无需时效处理，仍能兼顾保证极高的导电性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高导电高强铜铁合金制备方法，包括以下步骤：
(1)按高导电高强铜铁合金组分备料，将Cu粉和Fe粉不经过球磨直接混合均匀，获得混合粉末，其中，所述的高导电高强铜铁合金包括组分及质量百分含量为Fe 5-30％，余量为Cu70-95％；
(2)将混合粉末装入金属容器，真空封装后，进行热轧成型，冷却至室温，获得热轧态合金，其中，所述的热轧开轧温度600-750℃，热轧前进行保温20-30min；
(3)将热轧态合金去壳后，进行冷加工变形处理，得到变形态Cu-Fe合金，即为高导电高强铜铁合金。
所述的步骤(1)中，Cu粉粒度为1-100μm，优选为5-50μm，Fe粉粒度为1-100μm，优选为5-50μm。
所述的步骤(1)中，Cu粉和Fe粉在混粉机中进行混合，混合时间为5-24h，混合过程中，无需加入磨球。
所述的步骤(2)中，金属容器为长方体不锈钢金属容器或长筒形不锈钢金属容器，优选为长方体不锈钢金属容器。
所述的步骤(2)中，真空封装方式为真空焊接，优选为真空电子束焊接。
所述的步骤(2)中，保温温度与热轧开轧温度等温，热轧开轧温度＞终轧温度。
所述的步骤(2)中，热轧压下率为60％-90％。
所述的步骤(2)中，终轧温度500-650℃。
所述的步骤(2)中，冷却方式为空冷。
所述的步骤(2)中，热轧前保温操作使金属粉末的原子振动振幅加大，形成粘接面。
所述的步骤(2)中，通过热轧实现粉末成型，获得热轧态Cu-Fe合金，但合金内部Fe原子向Cu基体中的扩散极少。
所述的步骤(3)中，去壳方式为铣削或线切割等方式。
所述的步骤(3)中，冷加工变形处理方式为冷轧、冷锻或冷拔中的一种；冷加工变形量为90％-99.8％。
所述的步骤(3)中，制备的高导电高强铜铁合金导电率为60-95％，抗拉强度为490-760MPa。
本发明的有益效果：
本发明方法在高导电高强铜铁合金的制备过程中，采用不经过球磨直接混合+控制热轧温度的方法，最大限度地减少Fe向Cu基体中的扩散，有效地抑制Fe原子对导电性能的影响，使合金在保持高强度的同时拥有极高的导电率。本发明工艺流程简单，无需球磨、静压等流程且获得了兼具导电率和抗拉强度综合性能优异的Cu-Fe合金，这是目前其它任何制备方法无法达到的。
附图说明：
图1为本发明实施例5制备的高导电高强铜铁合金扫描电镜图；
图2为本发明D1-1例制备的热轧合金宏观照片；
图3为本发明D1-2例制备的热轧合金宏观照片。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
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95％IACS，抗拉强度为490MPa。
本实施例的高导电高强Cu-Fe合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粒度为15μm的Fe粉和Cu粉按质量比为5:95在混粉机中混粉10h；
(2)将混合粉末装入长方体金属容器中；
(3)将金属容器进行真空电子束焊接；
(4)将焊接完的工件在600℃保温20min后热轧，终轧温度为500，压下率为65％，空冷至室温；
(5)利用铣削将轧制完的工件去壳；
(6)将工件进行冷轧，压下率为98.0％，得到高导电高强铜铁合金，其性能数据如表1所示。
D1-1
同实施例1，区别在于，开轧前保温时间为15min，获得热轧合金出现开裂，热轧合金宏观照片如图2所示，无法实现铜铁合金制备。经理论分析，原因在于混合粉末保温时间过短，受热不均，中间部位温度低，粉末界面无法实现良好结合，导致轧后无法成型。
D1-2
同实施例1，区别在于，开轧温度降至550℃，获得热轧合金出现开裂，热轧合金宏观照片如图3所示，无法实现铜铁合金制备。经理论分析原因在于混合粉末保温温度过低，孔隙率过大，粉末界面结合力弱，导致轧后无法成型。
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8wt.％，导电率为90％IACS，抗拉强度为580MPa。
本实施例的高导电高强Cu-Fe合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粒度为15μm的Fe粉和Cu粉按8:92比例在混粉机中混粉5h；
(2)将混合粉末装入长方体金属容器中；
(3)将金属容器进行真空电子束焊接；
(4)将焊接完的工件在600℃保温20min后热轧，终轧温度为550，压下率为70％，空冷至室温；
(5)利用线切割将轧制完的工件去壳；
(6)将工件进行冷轧，压下率为98％，得到高导电高强铜铁合金，其性能数据如表1所示。
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10wt.％，导电率为87％IACS，抗拉强度为611MPa。
本实施例的高导电高强Cu-Fe合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粒度为15μm的Fe粉和Cu粉按1：9比例在混粉机中混粉8h；
(2)将混合粉末装入长方体金属容器中；
(3)将金属容器进行真空电子束焊接；
(4)将焊接完的工件在650℃保温20min后热轧，终轧温度为580，压下率为70％，空冷至室温；
(5)利用线切割将轧制完的工件去壳；
(6)将工件进行冷轧，压下率为98％，得到高导电高强铜铁合金，其性能数据如表1所示。
实施例4
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，其方案参数及性能数据如表1所示。
实施例5
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，扫描电镜图如图1所示，其方案参数及性能数据如表1所示。
实施例6
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，其方案参数及性能数据如表1所示。
实施例7
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，其方案参数及性能数据如表1所示。
实施例8
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，其方案参数及性能数据如表1所示。
实施例9
同实施例1，区别在于，合金成分与制备工艺参数有所不同，得到高导电高强铜铁合金，其方案参数及性能数据如表1所示。
D9-1
同实施例9，区别在于，开轧前保温时间调整为40min，对制备的铜铁合金进行性能测试，具体数据见表1，导电率降至45％。经对合金微观结构检测发现，开轧前过长的保温工艺下，致使Fe原子向Cu基体中明显扩散，虽然合金强度实现有限提升，但导电率显著降低。
D9-2
同实施例9，区别在于，开轧温度为820℃，对制备的铜铁合金进行性能测试，具体数据见表1，可见其导电性能明显下降。经对合金微观结构检测发现，由于过高的开轧温度导致Fe原子向Cu基体中明显扩散，导电率显著降低。
表1
Figure BDA0003389129990000051

Claims (9)

1.一种高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按高导电高强铜铁合金组分备料，将Cu粉和Fe粉不经过球磨直接混合均匀，获得混合粉末，其中，所述的高导电高强铜铁合金包括组分及质量百分含量为Fe 5-30％，余量为Cu；
(2)将混合粉末装入金属容器，真空封装后，进行热轧成型，冷却至室温，获得热轧态合金，其中，所述的热轧开轧温度600-750℃，热轧压下率为60％-90％，热轧前进行保温20-30min；
(3)将热轧态合金去壳后，进行冷加工变形处理，得到变形态Cu-Fe合金，即为高导电高强铜铁合金。
2.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，Cu粉粒度为1-100μm，Fe粉粒度为1-100μm。
3.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，Cu粉和Fe粉在混粉机中进行混合，混合时间为5-24h，混合过程中，无需加入磨球。
4.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，真空封装方式为真空焊接。
5.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，保温温度与热轧开轧温度等温，热轧开轧温度＞终轧温度。
6.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，终轧温度500-650℃。
7.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，去壳方式为铣削或线切割等方式。
8.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，冷加工变形处理方式为冷轧、冷锻或冷拔中的一种；冷加工变形量为90％-99.8％。
9.根据权利要求1所述的高导电高强铜铁合金制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，高导电高强铜铁合金导电率为60-95％，抗拉强度为490-760MPa。
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