專利名稱：一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用磁場(chǎng)處理制備Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，屬有色金屬 材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)高導(dǎo)電銅合金材料是是具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料， 廣泛應(yīng)用于電子、信息、交通、能源、冶金、機(jī)電等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì) 銅及銅合金的性能提出了更高的要求。在制造大規(guī)模集成電路引線框架、電氣化鐵路接觸 導(dǎo)線、高強(qiáng)磁場(chǎng)線圈、高壓開(kāi)關(guān)彈簧片、微波管以及宇航飛行器的元器件等都要求材料保持 優(yōu)異的導(dǎo)電性能的同時(shí)，具有更高的強(qiáng)度。探索具有優(yōu)良綜合物理性能和力學(xué)性能的高強(qiáng) 高導(dǎo)電銅合金材料已經(jīng)成為當(dāng)今世界銅合金材料發(fā)展的熱門。 1978年哈佛學(xué)者Bevk等首次發(fā)現(xiàn)Cu-20wt% Nb合金鑄錠經(jīng)大量變形后，Nb在銅 基體中會(huì)形成定向排列的纖維，材料的強(qiáng)度可超過(guò)2000MPa，電導(dǎo)率接近70% IACS。這類復(fù) 合材料的纖維組織是在材料制備過(guò)程中原位形成的，故稱之為形變銅基原位復(fù)合材料，其 最大的特點(diǎn)是具有超高的強(qiáng)度和良好的電導(dǎo)率匹配。后續(xù)的研究表明，Cu與b. c. c.的過(guò)渡 族金屬Cr、 W、 Mo、 V、 Fe等以及f. c. c.的Ag形成的合金具有類似的組織特點(diǎn)和力學(xué)性能， 但材料的電導(dǎo)率隨合金元素種類的不同而存在較大差異。至今形變銅基原位復(fù)合材料的研 究雖然取得了大量的研究成果，但已有的研究集中于Cu-Nb和Cu-Ag原位復(fù)合材料，原因是 Cu-Fe原位復(fù)合材料的強(qiáng)度和電導(dǎo)率明顯低于其它材料。然而，Nb和Ag都是貴金屬，而且 Nb的熔點(diǎn)高達(dá)2648t:，液態(tài)Cu和Nb又存在較大的不溶混間隙，因此限制了這類新材料的 工業(yè)規(guī)模制備和應(yīng)用。相比之下Cu-Fe的原料來(lái)源廣，材料成本低，且Fe的熔點(diǎn)相對(duì)較低， 液態(tài)Fe與Cu的不溶混間隙較小，Cu-Fe母合金制備方便。因此，如果能提高Cu-Fe材料的 強(qiáng)度和電導(dǎo)率，其在工業(yè)規(guī)模制備和應(yīng)用方面更具發(fā)展?jié)摿Α?大量的實(shí)驗(yàn)研究表明Cu-X原位復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與纖維間距之間滿足 Hall-Petch關(guān)系o = ia -1/2，斜率k與兩相的剪切模量有關(guān)，第二相的剪切模量越高，材 料的強(qiáng)化效果越好；而材料的電阻率可根據(jù)并聯(lián)電路模型計(jì)算[3] :1/P c = fCu/P Cu+fx/P x， 式中f&和f)(分別為銅基體和X相的體積百分比。Verhoeven和Karasek指出，銅基體的電 阻主要由四種散射機(jī)制造成聲子散射，位錯(cuò)散射，相界面散射和固溶雜質(zhì)的散射，其中界 面散射和雜質(zhì)散射是決定材料電導(dǎo)率的主要因素。Fe和Nb的剪切模量分別為81. 6GPa和 48. 3GPa，純Fe和純Nb的電導(dǎo)率分別為0.093/(ii Q *cm)和0.0693/(ii Q 'cm)，因而，根 據(jù)上述現(xiàn)有的形變銅基原位復(fù)合材料的強(qiáng)化和導(dǎo)電機(jī)制可以發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)相同的Cu-Fe 和Cu-Nb經(jīng)等量塑性變形后，Cu-Fe的強(qiáng)度和電導(dǎo)率都應(yīng)該略大于同體積的Cu-Nb。但是，研 究表明，Cu-Fe的強(qiáng)度要低于Cu-Nb，而電導(dǎo)率則比形變Cu-Nb低25-30% IACS。主要原因 在于(l)Fe纖維相對(duì)粗大且在銅基體中分布不均勻；(2)低溫下Fe在銅基體中的擴(kuò)散速 度慢，導(dǎo)致室溫下基體中Fe含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其平衡溶解度；(3)固溶于銅基體中的Fe原子會(huì)引起電子波強(qiáng)烈散射，嚴(yán)重降低銅基體的電導(dǎo)率。資料顯示，固溶Fe原子對(duì)銅基體電導(dǎo)率 的影響達(dá)到9. 2ii Q wm/wt^Fe，即每溶解0. lwt% Fe，銅基體的電導(dǎo)率將降低35% IACS， 而固溶同量的Nb對(duì)銅基體電導(dǎo)率的影響不足1% IACS。因此，從理論上分析，Cu-Fe原位 復(fù)合材料應(yīng)該具有更好的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，同時(shí)成本低廉，是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧希?究開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是要解決Fe纖維的粗大、分布不均和Fe原子在銅基體中殘留量過(guò)高這兩個(gè) 技術(shù)難題。 近年來(lái)，對(duì)銅合金材料采用磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)效處理的研究有少量報(bào)道，其中《材料研究 學(xué)報(bào)》第23巻第5期發(fā)表的論文"Cu-Fe合金的強(qiáng)磁場(chǎng)固溶時(shí)效行為"將Cu_15% Fe (質(zhì)量 分?jǐn)?shù))合金在強(qiáng)磁場(chǎng)中進(jìn)行不同固溶時(shí)效處理，研究合金的時(shí)效行為，認(rèn)為在Cu-15% Fe合 金固溶時(shí)效處理中施加強(qiáng)磁場(chǎng)，可促進(jìn)Fe枝晶的球化；強(qiáng)磁場(chǎng)加速Fe枝晶的球化作用和高 溫緩慢冷卻引起Fe枝晶粗化作用，共同影響Fe枝晶的形貌。但未見(jiàn)銅合金在澆注或連鑄 凝固時(shí)采用磁場(chǎng)處理的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有制備Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料出現(xiàn)的不足，提供一種 利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，制備出的材料不僅強(qiáng)度高而且 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好。 本發(fā)明的技術(shù)方案是，通過(guò)調(diào)控凝固組織、增加固溶、促進(jìn)析出來(lái)獲得高強(qiáng)高導(dǎo) Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料。 調(diào)控凝固組織就是通過(guò)對(duì)凝固過(guò)程的控制和外加磁場(chǎng)的作用解決初生Fe相粗 大、偏析嚴(yán)重問(wèn)題，使Fe相細(xì)小、均勻的分布于銅基體，經(jīng)冷變形加工后，在銅基體中形成 細(xì)小、均勻分布的Fe纖維，從而大幅度提高材料的強(qiáng)度； 增加固溶是在材料凝固過(guò)程中通過(guò)磁場(chǎng)的作用顯著增加Fe元素在銅基體中的固 溶度，使材料在后續(xù)的時(shí)效熱處理過(guò)程中能析出更多細(xì)小、彌散分布的Fe強(qiáng)化相，以進(jìn)一 步增加材料的強(qiáng)度； 促進(jìn)析出是在材料的時(shí)效處理過(guò)程中，通過(guò)磁場(chǎng)的作用使已經(jīng)固溶的Fe有效析 出，盡可能減少基體中Fe元素的殘留量，達(dá)到高導(dǎo)電的目的。 本發(fā)明的Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料是通過(guò)配料、熔煉、澆鑄或連鑄、磁場(chǎng)控制凝
固、熱鍛或熱軋、固溶處理、冷軋、冷拔、磁場(chǎng)控制時(shí)效工藝流程，最后得到成型的銅材。 本發(fā)明的Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的配方成分組成為(按質(zhì)量百分比計(jì)) 鐵5 18 銀O. 01 1.00 硼0. 001 0. 500 稀土或稀土混合物0. 001 1. 000 銅余量 本發(fā)明的Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料配方中的稀土是指含鈰或釔或鑭元素的金屬 或合金或氧化物，稀土混合物是指含鈰或釔或鑭中的二種或三種元素的合金或氧化物混合 物。 本發(fā)明的Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料是通過(guò)以下步驟制備，如附圖所示
1、配料按化學(xué)成分要求，將符合配方質(zhì)量百分比的電解銅、純鐵或含鐵合金、純 銀或含銀合金、含硼合金、稀土金屬或稀土混合物或含稀土合金混合，得到配料；
2、熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐或其它熔煉爐中，按常規(guī)的銅合金冶 煉工藝熔化； 3、澆注或連鑄將熔化了的金屬液澆入水冷鋼模、石墨?；蚱渌?nèi)得到澆注鑄 錠(如附圖2);或在連鑄機(jī)上得到連鑄鑄錠； 4、磁場(chǎng)控制凝固在鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 01-10T的交流磁場(chǎng)；
5、熱鍛或熱軋將上述鑄錠放入熱處理爐中，加熱至500°C 100(TC區(qū)間的某一 溫度，保溫1 5小時(shí)，然后熱鍛或在常規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到20%以上的變形；
6、固溶處理將熱鍛或熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至90(TC 105(TC區(qū) 間的某一溫度，保溫0. 2 5小時(shí)，然后進(jìn)行淬火處理；
7、冷軋將淬火后的合金進(jìn)行20%以上的變形處理； 8、退火將冷軋后的合金在200°C 70(TC之間的某一溫度，保溫0. 1 3小時(shí)，隨 爐冷； 9、冷拔將退火處理后的合金進(jìn)行多道次20%以上的變形處理。 10、磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. l-10T均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處
理，溫度為200°C 600。C某一區(qū)間，保溫1 24小時(shí)。 本發(fā)明適用于高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料或類似材料的制備。


圖1為本發(fā)明高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的制備工藝流程
圖2為在磁場(chǎng)中的模具 圖中圖號(hào)為(1)磁場(chǎng)線圈；(2)澆注或連鑄模具；B :磁場(chǎng)方向
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例
實(shí)施例1(1)配料材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)取鐵8、銀0. 05、硼0. 05、鈰0. 01、剩余 為銅，原材料使用純鐵、純銀、硼銅合金、金屬鈰、電解銅，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原 材料的加入量，得到配料； (2)熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐中，按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化 25分鐘； (3)澆注將熔化了的金屬液澆入石墨模內(nèi)； (4)磁場(chǎng)控制凝固在鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 2T的交流磁場(chǎng)；
(5)熱軋將上述澆注鑄錠放入熱處理爐中，加熱至88(TC，保溫3小時(shí)，然后在常 規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到50%的變形； (6)固溶處理將熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至95(TC，保溫1小時(shí)，然后 淬入冷水中快速冷卻； (7)冷軋將淬火后的合金進(jìn)行80%的變形處理；
(8)退火將冷軋后的合金，加熱至300°C ，保溫0. 5小時(shí)，隨爐冷；
(9)冷拔將處理后的合金進(jìn)行多道次80%的變形處理； (10)磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 5T的均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處
理，溫度為45(TC，保溫1小時(shí)； 最后制得的銅合金材料。 抗拉強(qiáng)度^ 710MPa 電導(dǎo)率^60XIACS 實(shí)施例2 (1)配料材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)取鐵10、銀0. 08、硼0. 05、釔0. 05、剩 余為銅，原材料使用純鐵、含銀合金、硼銅合金、金屬釔、電解銅，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算 各種原材料的加入量，得到配料； (2)熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐中，按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化 25分鐘； (3)澆注將熔化了的金屬液澆入水冷鋼模內(nèi)； (4)磁場(chǎng)控制凝固在鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 5T的交流磁場(chǎng)；
(5)熱鍛將上述澆注鑄件放入熱處理爐中，加熱至90(TC，保溫3小時(shí)，然后在常 規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到40%的變形； (6)固溶處理將熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至98(TC，保溫1小時(shí)，然后 淬入冷水中快速冷卻； (7)冷軋將淬火后的合金進(jìn)行80%的變形處理； (8)退火將冷軋后的合金，加熱至350°C ，保溫0. 5小時(shí)，隨爐冷； (9)冷拔將處理后的合金進(jìn)行多道次80%的變形處理； (10)磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T的均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理，
溫度為47(TC，保溫1小時(shí)； 最后制得的銅合金材料。 抗拉強(qiáng)度^815MPa 電導(dǎo)率^58XIACS 實(shí)施例3 (1)配料材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)取鐵12、銀0. 1、硼0. 1、鑭0. 08、剩余 為銅，原材料使用含鐵合金、含銀合金、硼銅合金、金屬釔、電解銅，按常規(guī)合金配料方法計(jì) 算各種原材料的加入量，得到配料； (2)熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐中，按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化 25分鐘； (3)澆注將熔化了的金屬液澆入石墨模內(nèi)； (4)磁場(chǎng)控制凝固在鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 8T的交流磁場(chǎng)；
(5)熱鍛將上述澆注鑄件放入熱處理爐中，加熱至93(TC，保溫3小時(shí)，然后在常 規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到40%的變形； (6)固溶處理將熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至IOO(TC，保溫1小時(shí)，然后 淬入冷水中快速冷卻；
6
(7)冷軋將淬火后的合金進(jìn)行80%的變形處理； (8)退火將冷軋后的合金，加熱至49(TC，保溫0. 5小時(shí)，隨爐冷； (9)冷拔將處理后的合金進(jìn)行多道次80%的變形處理； (10)磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. IT的均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處
理，溫度為49(TC，保溫1. 5小時(shí)； 最后制得的銅合金材料。 抗拉強(qiáng)度> 920MPa 電導(dǎo)率^56XIACS 實(shí)施例4 (1)配料材料化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)取鐵15、銀0. 1、硼0. 12、含釔和鈰的二 種元素的合金O. 12、剩余為銅，原材料使用純鐵、純銀、硼銅合金、含釔和鈰的二種元素的合 金、電解銅，按常規(guī)合金配料方法計(jì)算各種原材料的加入量，得到配料； (2)熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐中，按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化 25分鐘； (3)連鑄在水平連鑄機(jī)上連鑄； (4)磁場(chǎng)控制凝固在連鑄鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 5T的交流磁場(chǎng)；
(5)熱鍛將上述澆注鑄件放入熱處理爐中，加熱至95(TC，保溫3小時(shí)，然后在常 規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到40%的變形； (6)固溶處理將熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至IOO(TC，保溫1小時(shí)，然后 淬入冷水中快速冷卻； (7)冷軋將淬火后的合金進(jìn)行85%的變形處理； (8)退火將冷軋后的合金，加熱至500°C ，保溫0. 5小時(shí)，隨爐冷； (9)冷拔將處理后的合金進(jìn)行多道次80%的變形處理； (10)磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T的均勻磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理， 溫度為50(TC，保溫2小時(shí)；
最后制得的銅合金材料。
抗拉強(qiáng)度> 950MPa
電導(dǎo)率^54XIACS
權(quán)利要求
一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，其特征在于，所述方法中Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料是通過(guò)配料、熔煉、澆注或連鑄、磁場(chǎng)控制凝固、熱鍛或熱軋、固溶處理、冷軋、冷拔、磁場(chǎng)控制時(shí)效工藝流程，最后得到成型的銅材，其制備工藝步驟如下(1)配料按化學(xué)成分要求，將符合配方質(zhì)量百分比的電解銅、純鐵或含鐵合金、純銀或含銀合金、含硼合金、稀土金屬或稀土混合物或含稀土合金混合，得到配料；(2)熔煉將配好的配料放入中頻電磁感應(yīng)爐或其它熔煉爐中，按常規(guī)的銅合金冶煉工藝熔化；(3)澆注或連鑄將熔化了的金屬液澆入水冷鋼模、石墨?；蚱渌?nèi)得到澆注鑄錠；或在連鑄機(jī)上得到連鑄鑄錠；(4)磁場(chǎng)控制凝固在鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.01-10T的交流磁場(chǎng)；(5)熱鍛或熱軋將上述鑄錠放入熱處理爐中，加熱至500℃～1000℃區(qū)間的某一溫度，保溫1～5小時(shí)，然后熱鍛或在常規(guī)熱軋機(jī)上熱軋，使其達(dá)到20％以上的變形；(6)固溶處理將熱鍛或熱軋后的合金裝入熱處理爐中，加熱至900℃～1050℃區(qū)間的某一溫度，保溫0.2～5小時(shí)，然后進(jìn)行淬火處理；(7)冷軋將淬火后的合金進(jìn)行20％以上的變形處理；(8)退火將冷軋后的合金在200℃～700℃之間的某一溫度，保溫0.1～3小時(shí)，隨爐冷；(9)冷拔將退火處理后的合金進(jìn)行多道次20％以上的變形處理。(10)、磁場(chǎng)控制時(shí)效處理將合金放入磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理，溫度為200℃～600℃某一區(qū)間，保溫1～24小時(shí)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方 法，其特征在于，本發(fā)明的Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的配方成分組成為(按質(zhì)量百分比計(jì))鐵:5 18 ;銀0. 01 1. 00 ;硼0. 001 0. 500 ;稀土或稀土混合物0. 001 1. 000 ;銅:
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方 法，其特征在于，所述方法中Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料配方中的稀土是指含鈰或釔或鑭元 素的金屬或合金或氧化物，稀土混合物是指含鈰或釔或鑭中的二種或三種元素的合金或氧 化物混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方 法，其特征在于，所述鑄錠的凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 01-10T的交流磁場(chǎng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方 法，其特征在于，所述合金放入磁場(chǎng)中進(jìn)行時(shí)效處理的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 1 10T的均勻磁場(chǎng)。
全文摘要
一種利用磁場(chǎng)處理制備高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料的方法，其特征在于，所述方法中Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料是通過(guò)配料、熔煉、澆注或連鑄、磁場(chǎng)控制凝固、熱鍛或熱軋、固溶處理、冷軋、冷拔、磁場(chǎng)控制時(shí)效工藝流程，最后得到成型的銅材。在鑄錠凝固過(guò)程中施加磁場(chǎng)，控制Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料凝固，極其明顯細(xì)化Fe枝晶，減小Fe偏析，使材料經(jīng)后續(xù)冷變形加工后在基體中彌散分布均勻細(xì)小的Fe纖維相，大幅度提高材料的強(qiáng)度；在時(shí)效工藝處理中施加磁場(chǎng)，促進(jìn)Fe析出，增加Fe粒子析出數(shù)量，減小析出相尺寸，促使析出相彌散分布，從而大幅度提高材料的導(dǎo)電率，進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)度；制備工藝簡(jiǎn)單、成本低。本發(fā)明適用于高性能Cu-Fe形變?cè)粡?fù)合材料或類似材料的制備。
文檔編號(hào)B21B37/16GK101775520SQ20101011410
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者萬(wàn)珍珍, 付清峰, 劉克明, 康林萍, 鄒晉, 陸德平, 陸磊, 陳志寶 申請(qǐng)人:江西省科學(xué)院應(yīng)用物理研究所