一种高强高导铜铁系合金及其制备方法

摘要

本发明提供一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：Fe：0.5‑5.0 wt%，Si：0.05‑0.5wt%，Mg：0.05‑0.5wt%，Cr：≤0.5 wt%，Zr：≤0.15 wt%，Ca：≤0.15wt%，余量为Cu；所述高强高导铜铁系合金的制备方法包括如下步骤：将合金成分进行熔炼，浇铸得到铜合金铸锭；进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑48h；轧制‑组合时效热处理，轧制后对坯料进行300‑500℃的组合时效热处理，并重复轧制‑时效处理工艺两次或两次以上，最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金。

权利要求

1.一种高强高导铜铁系合金，其特征在于，包括按重量百分比计的如下成分：Fe：0.5 ‑5.0 wt%，Si ：0.05‑0.5wt%，Mg：0.05‑0.5wt%，0.2 wt%≤ Cr≤0.5 wt%，0.04 wt% ≤ Zr≤0.15 wt%，0.01wt% ≤ Ca≤0.15wt%，余量为Cu；

所述高强高导铜铁系合金的制备方法包括如下步骤：

步骤S1，根据设计成分对合金所需的元素进行配比，在惰性气体中进行熔炼，浇铸得到铜合金铸锭；

步骤S2，将步骤S1的铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑

48h，均匀化后的铸锭降温至800‑900℃；

步骤S3，轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80%，冷轧的总变形量为70%‑90%；冷轧后对坯料进行300‑500℃的时效热处理，并重复冷轧‑时效处理工艺两次或两次以上；对冷轧板成品进行清洗、矫直以及切边，得到板、带、箔材成品合金板，精轧变形量为50%；最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金；

最后一次时效热处理时间为16‑32h，其余时效热处理时间为1‑2h。

2.根据权利要求1所述的高强高导铜铁系合金，其特征在于，步骤S1中，选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料。

3.根据权利要求2所述的高强高导铜铁系合金，其特征在于，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

4.根据权利要求1所述的高强高导铜铁系合金，其特征在于，步骤S1中，采用真空熔炼‑5 ‑3炉进行熔炼，真空度为10 ‑10 Pa，所述惰性气体为高纯氩气；熔炼过程中采用感应熔炼炉产生的低频磁场对熔体进行搅拌。

5.一种高强高导铜铁系合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，根据设计成分对合金所需的元素进行配比，在惰性气体中进行熔炼，浇铸得到铜合金铸锭；

所述合金成分包括按重量百分比计的如下成分：

Fe：0.5 ‑5.0 wt%，Si ：0.05‑0.5wt%，Mg：0.05‑0.5wt%，0.2 wt%≤ Cr≤0.5 wt%，0.04 wt% ≤ Zr≤0.15 wt%，0.01wt% ≤Ca≤0.15wt%，余量为Cu；

步骤S2，将步骤S1的铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑

48h，均匀化后的铸锭降温至800‑900℃；

步骤S3，轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80%，冷轧的总变形量为70%‑90%；冷轧后对坯料进行300‑500℃的时效热处理，并重复冷轧‑时效处理工艺两次或两次以上；对冷轧板成品进行清洗、矫直以及切边，得到板、带、箔材成品合金板，精轧变形量为50%；最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金；

最后一次时效热处理时间为16‑32h，其余时效热处理时间为1‑2h。

6.根据权利要求5所述的高强高导铜铁系合金的制备方法，其特征在于，步骤S1中，选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；其中铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

说明书

一种高强高导铜铁系合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铜合金加工技术领域，具体涉及一种高强高导铜铁系合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着科技的发展，铜合金以其优异的导电、导热性能，力学性能和加工性能被广泛应用于二百多个领域，铜合金产业与其他的产业的关联度高达90％以上。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，同时还具备较好的电磁屏蔽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。发明专利CN111424188A公开了使用粉末冶金法制备铜铁合金板材，由于粉末之间的界面电阻与材料本身的致密性，使其力学与导电性能不能兼顾到最优。发明专利CN109022896A和发明专利CN111636010A公开了使用铸造法制备高铁含量高强高导铜铁合金的方法，但是由于铁在铜中的低固溶度，使得熔炼生产的铜铁合金十分不均匀，从而造成力学性能的变差。

[0003] 因此对于兼具高强度和高导电铜铁合金的研发还任重道远。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种高强高导铜铁系合金，抗拉强度可达到720‑740MPa，导电率可达70‑72％IACS，实现了合金强度和导电率的均衡。

[0005] 为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：

[0006] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0007] Fe：0.5‑5.0wt％，Si：0.05‑0.5wt％，Mg：0.05‑0.5wt％，Cr：≤0.5wt％，Zr：≤0.15wt％，Ca：≤0.15wt％，余量为Cu；

[0008] 所述高强高导铜铁系合金的制备方法包括如下步骤：

[0009] 步骤S1，根据设计成分对合金所需的元素进行配比，在惰性气体中进行熔炼，浇铸得到铜合金铸锭；

[0010] 步骤S2，将步骤S1的铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑48h，均匀化后的铸锭降温至800‑900℃；

[0011] 步骤S3，轧制‑组合时效热处理，轧制后对坯料进行300‑500℃的组合时效热处理，并重复轧制‑时效处理工艺两次或两次以上，最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金；

[0012] 其中轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80％，冷轧的总变形量为70％‑90％。

[0013] 进一步地，步骤S1中，选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料。

[0014] 进一步地，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0015] 进一步地，步骤S3中，组合时效热处理最后一次时效热处理时间为16‑32h，其余时效热处理时间为1‑2h。

[0016] 进一步地，步骤S1中，采用真空熔炼炉进行熔炼，真空度为10‑5‑10‑3Pa，所述惰性气体为高纯氩气；熔炼过程中采用感应熔炼炉产生的低频磁场对熔体进行搅拌。

[0017] 本发明还提供一种高强高导铜铁系合金的制备方法，包括如下步骤：

[0018] 步骤S1，根据设计成分对合金所需的元素进行配比，在惰性气体中进行熔炼，浇铸得到铜合金铸锭；

[0019] 所述合金成分包括按重量百分比计的如下成分：

[0020] Fe：0.5‑5.0wt％，Si：0.05‑0.5wt％，Mg：0.05‑0.5wt％，Cr：≤0.5wt％，Zr：≤0.15wt％，Ca：≤0.15wt％，余量为Cu；

[0021] 步骤S2，将步骤S1的铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑48h，均匀化后的铸锭降温至800‑900℃；

[0022] 步骤S3，轧制‑组合时效热处理，轧制后对坯料进行200‑500℃的组合时效热处理，并重复轧制‑时效处理工艺两次或两次以上，最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金；

[0023] 其中轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80％，冷轧的总变形量为70％‑90％。

[0024] 进一步地，步骤S1中，选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；其中铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0025] 进一步地，步骤S3中，组合时效热处理最后一次时效热处理时间为16‑32h，其余时效热处理时间为1‑2h。

[0026] 与现有技术相比，本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，有益效果在于：

[0027] 一、本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，利用Mg、Si、Cr、Zr和Ca的微合金化促进晶粒的细化与析出相的球化，在组合时效热处理中合金析出的FeSi相、CuCa相和Cr相钉扎在晶界处，提高了合金的力学性能。同时微合金化元素的加入也促进了在熔铸凝固过程中初生铁相的析出，而在初生铁相旁半生的CuCa相抑制了初生铁相的长大。随着后续冷变形加工，微米级的初生铁相与伴生的CuCa相被破碎成亚微米级的第二相，与通过组合形变时效热处理工艺析出的纳米级铁相、铬相从多个尺度对合金进行力学性能强化，而析出的铁相促进合金的导电性能的提高。少量的Mg元素固溶在铜基体中可以在小幅损失导电能力的基础上，大幅提高基体的加工硬化能力。本发明的高强高导铜铁系合金充分利用固溶强化、析出强化、细晶强化和加工硬化实现了抗拉强度与导电率的协同提高，其抗拉强度可以达到720‑750MPa，导电率可以达到70‑72％IACS，实现了合金强度和导电率的均衡。

[0028] 二、本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，合金成分设计了较低含量的铁，极大程度的降低了铜铁合金使用普通熔炼工艺制备板带箔材的生产难度，减少了铜铁合金板带箔材的宏观缺陷，使合金性能更加稳定。本发明的合金制备方法，工艺简单易行、成本低廉，适合大规模工业化生产。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。

[0030] 图1为本发明实施例1中铸态微观组织图；

[0031] 图2为本发明实施例1中成品板材背散射电子扫描电镜图片；

[0032] 图3为本发明实施例1中成品板材的拉伸曲线图；

[0033] 图4为本发明实施例1中成品板材的拉伸断口微观形貌图。

具体实施方式

[0034] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

[0035] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应该被视为在本文中具体公开。

[0036] 本发明的高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0037] Fe：0.5‑5.0wt％，Si：0.05‑0.5wt％，Mg：0.05‑0.5wt％，Cr：≤0.5wt％，Zr：≤0.15wt％，Ca：≤0.15wt％，余量为Cu；

[0038] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料，其中铜镁中间合金优选为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金优选为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金优选为Cu‑50Ca的中间合金。

[0039] 所述高强高导铜铁系合金的制备方法包括如下步骤：

[0040] 步骤S1，根据设计成分对合金所需的元素进行配比，在惰性气体中进行熔炼，浇铸得到Cu‑Fe‑Mg‑Si‑Cr‑Zr‑Ca铜合金铸锭；

[0041] 具体的，采用真空熔炼炉进行熔炼，真空度为10‑5‑10‑3Pa，所述惰性气体为高纯氩气；熔炼过程中采用感应熔炼炉产生的低频磁场对熔体进行搅拌；熔炼过程中控制炉温在1450‑1500℃；其中熔炼温度可以为1450℃、1480℃或1500℃，也可以为该范围内的其他温度值；

[0042] 熔炼后，将熔融铜合金温度冷却至1250℃时进行浇铸，浇铸模具使用石墨模具；

[0043] 步骤S2，将步骤S1的铜合金铸锭进行均匀化退火，退火温度为920‑970℃，时间为24‑48h，均匀化后的铸锭降温至800‑900℃；

[0044] 具体的，退火温度可以为920℃、930℃、940℃、950℃、960℃或970℃，也可以为该范围内的其他温度值；

[0045] 退火时间可以为24h、28h、32h、36h、40h、44h或48h，也可以为该范围内的其他时间值；

[0046] 均匀化后铸锭降温的温度可以为800℃、820℃、840℃、860℃、880℃或900℃，也可以为该范围内的其他温度值；

[0047] 步骤S3，轧制‑组合时效热处理，轧制后对坯料进行300‑500℃的组合时效热处理，并重复轧制‑时效处理工艺两次或两次以上，最后将板材在200‑300℃进行4‑5h的去应力退火，制备得到高强高导铜铁系合金；

[0048] 其中轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80％，冷轧的总变形量为70％‑90％。

[0049] 具体的，组合时效热处理温度可以为300℃、350℃、400℃、450℃或500℃，也可以为该温度范围内的其他温度值；

[0050] 优选地，最后一次时效热处理时间为16‑32h，如16h、20h、24h、28h、或32h，也可以为该范围内的其他值，其余时效热处理时间为1‑2h，如1h、1.5h或2h；

[0051] 去应力退火温度可以为200℃、220℃、250℃、260℃、280℃或300℃，也可以为该范围内的其他温度值；去应力退火时间可以为4h、4.5h或5h，也可以为该范围内的其他时间值。

[0052] 本发明制备得到的高强高导铜铁系合金为抗拉强度在700MPa以上同时导电率为70％IACS以上的双70系铜合金。

[0053] 以下通过具体的实施例对本发明的高强高导铜铁系合金及其制备方法进行详细阐述。

[0054] 实施例1

[0055] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0056] Fe：2.5wt％，Si：0.2wt％，Mg：0.3wt％，Cr：0.2wt％，Zr：0.1wt％，Ca：0.05wt％，余量为Cu；

[0057] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；优选的，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0058] 本实施例的高强高导铜铁系合金，制备方法包括如下步骤：

[0059] (1)真空熔炼：根据上述合金组分进行配料，将配好的原料加入石墨坩埚中，使用真空感应炉将原料融化，期间使用高纯氩气保护，熔炼过程中通过低频磁场充分搅拌，控制‑5 ‑3炉温在1450‑1500℃，真空度为10 ‑10 Pa；

[0060] (2)将上述熔融铜合金温度冷却至1250℃时进行浇铸，浇铸模具使用石墨模具；

[0061] (3)铣面：使用数控铣床，铣去铸锭头尾与表面的氧化层与铸造缺陷；

[0062] (4)均匀化退火：将铸锭放置于950℃的电阻炉中，进行均匀化退火处理，均匀化时间为24小时；

[0063] (5)轧制‑组合时效热处理：将铸锭进行三次冷轧‑时效处理，三次冷轧变形量均大于80％，第一次时效处理温度为500℃，处理时间为2小时，第二次时效处理温度为450℃，处理时间为1小时，第三次时效处理温度为350℃，处理时间为32小时，通过大变形进一步将铁相轧制破碎，并且为后续时效过程积累变形能，促进多种析出相的析出；其中轧制工艺的热轧开坯的总变形量为70‑80％，冷轧的总变形量为70％‑90％；

[0064] (6)精轧：对冷轧板成品进行清洗、矫直以及切边，得到板、带、箔材成品合金板，精轧变形量为50％；

[0065] (7)退火：对精轧后的板材进行200℃，4h的去应力退火，采用气体保护，得到高强高导铜铁系合金。

[0066] 取本实施例制备的合金铸锭样品，使用金相显微镜进行观察，合金的典型的铸态组织照片如图1所示。由图1可以看出，合金中晶粒细小均匀，晶粒间存在少许弥散均匀的初生铁硅相、铜钙相。

[0067] 请结合参阅图2，为本发明实施例1中成品板材背散射电子扫描电镜图片，由图2可以看出，合金中铸态存在的初生相发生了显著的拉长与破碎。

[0068] 请结合参阅图3和图4，其中图3为本发明实施例1中成品板材的拉伸曲线图；图4为本发明实施例1中成品板材的拉伸断口微观形貌图；由图3可以看出，本实施例的成品板材抗拉强度高达732Mpa；由图4可以看出，合金的断裂方式为准解理断裂，准解理断裂的断面较为平整，出现了解理台阶，形成了大量尺寸较大的韧窝，这意味着合金的延伸率较好。

[0069] 实施例2

[0070] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0071] Fe：2.0wt％，Si：0.2wt％，Mg：0.3wt％，Cr：0.2wt％，Zr：0.05wt％，Ca：0.01wt％，余量为Cu；

[0072] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料。

[0073] 本实施例的高强高导铜铁系合金，制备工艺与实施例1相同。

[0074] 实施例3

[0075] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0076] Fe：5wt％，Si：0.5wt％，Mg：0.05wt％，Cr：0.4wt％，Zr：0.04wt％，Ca：0.01wt％，余量为Cu；

[0077] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；优选的，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0078] 本实施例的高强高导铜铁系合金，制备工艺与实施例1相同。

[0079] 实施例4

[0080] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0081] Fe：0.5wt％，Si：0.1wt％，Mg：0.5wt％，Cr：0.5wt％，Zr：0.15wt％，Ca：0.15wt％，余量为Cu；

[0082] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；优选的，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0083] 本实施例的高强高导铜铁系合金，制备工艺与实施例1相同。

[0084] 实施例5

[0085] 一种高强高导铜铁系合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0086] Fe：1.5wt％，Si：0.05wt％，Mg：0.2wt％，Cr：0.3wt％，Zr：0.08wt％，Ca：0.04wt％，余量为Cu；

[0087] 各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜镁中间合金、铜锆中间合金和铜钙中间合金作为原料；优选的，铜镁中间合金为Cu‑30Mg的中间合金，铜锆中间合金为Cu‑50Zr的中间合金，铜钙中间合金为Cu‑50Ca的中间合金。

[0088] 本实施例的高强高导铜铁系合金，制备工艺与实施例1相同。

[0089] 对比例1

[0090] 一种铜合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0091] Fe：2.5wt％，Si：0.2wt％，余量为Cu；各成分选用电解铜、纯铁、纯硅配比。

[0092] 本实施例的铜合金，制备工艺与实施例1相同。

[0093] 对比例2

[0094] 一种铜合金，包括按重量百分比计的如下成分：

[0095] Fe：2.5wt％，Si：0.2wt％，Cr：0.2wt％，Zr：0.08wt％，余量为Cu；各成分选用电解铜、纯铁、纯硅、纯铬、铜锆中间合金配比。

[0096] 本实施例的铜合金，制备工艺与实施例1相同。

[0097] 将实施例1‑5的高强高导CuFeMgSiCrZrCa合金、对比例1‑2中制备的铜合金进行性能测试，测试结果如表1所示：

[0098] 表1：各实施方式所得铜合金性能表

[0099]

[0100]

[0101] 由表1可以看出，Mg、Ca的添加会在导电率小幅下降的基础上，大幅提高合金的强度，使合金的导电性与强度性能实现相对均衡的提升，从而提高铜铁合金的综合性能。

[0102] 与现有技术相比，本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，有益效果在于：

[0103] 一、本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，利用Mg、Si、Cr、Zr和Ca的微合金化促进晶粒的细化与析出相的球化，在组合时效热处理中合金析出的FeSi相、CuCa相和Cr相钉扎在晶界处，提高了合金的力学性能。同时微合金化元素的加入也促进了熔铸凝固时初生铁相的析出，而在初生铁相旁半生的CuCa相抑制了初生铁相的长大。随着后续冷变形加工微米级的初生铁相与伴生的CuCa相被破碎成亚微米级的第二相，与组合形变时效热处理工艺中析出的纳米级铁相、铬相从多个尺度对合金进行力学性能强化，而析出的铁相促进合金的导电性能的提高。少量的Mg元素固溶在铜基体中可以在小幅损失导电能力的基础上，大幅提高基体的加工硬化能力。本发明的高强高导铜铁系合金充分利用固溶强化、析出强化、细晶强化和加工硬化实现了抗拉强度与导电率的协同提高，其抗拉强度可以达到720‑750MPa，导电率可以达到70‑72％IACS，实现了合金强度和导电率的均衡。

[0104] 二、本发明提供的高强高导铜铁系合金及其制备方法，合金成分设计了较低含量的铁，极大程度的降低了铜铁合金使用普通熔炼工艺制备板带箔材的生产难度，减少了铜铁合金板带箔材的宏观缺陷，使合金性能更加稳定。本发明的合金制备方法，工艺简单易行、成本低廉，适合大规模工业化生产。

[0105] 以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。