(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108425031 A(43)申请公布日 2018.08.21
(21)申请号 201810260002.2(22)申请日 2018.03.27
(71)申请人 河南理工大学
地址 454000 河南省焦作市高新区世纪大
道2001号(72)发明人 许磊 霍晓阳 王有超 孙丽虹
历长云 宋政骢 米国发 (74)专利代理机构 北京五洲洋和知识产权代理
事务所(普通合伙) 11387
代理人 刘春成 徐丽娜(51)Int.Cl.
C22C 9/00(2006.01)C22C 1/03(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页
(54)发明名称
一种Cu-Fe-C系合金及其制备方法
(57)摘要
本发明公开了一种Cu-Fe-C系合金及其制备方法，该Cu-Fe-C系合金按质量百分比由如下组分组成：Cu，85-90％；Fe-C合金，10-15％。其制备方法包括：Cu的熔炼步骤，Fe-C合金的加入步骤，快速凝固步骤，以得到Fe-C合金颗粒均匀分布于Cu基体中的Cu-Fe-C系合金。本发明方法可以提高Cu-Fe合金的导电率和抗拉强度，得到的铸态合金的抗拉强度为410-470MPa，导电率为30-50％IACS。
CN 108425031 ACN 108425031 A
权 利 要 求 书
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1.一种Cu-Fe-C系合金，其特征在于，按质量百分比，所述Cu-Fe-C系合金由如下组分组成：Cu，85-90％；Fe-C合金，10-15％。
2.根据权利要求1所述的Cu-Fe-C系合金，其特征在于，所述Fe-C合金中C含量为0.8～1.8wt％。
3.一种Cu-Fe-C系合金的制备方法，其特征在于，包括：Cu的熔炼步骤，将固体原料Cu进行熔炼处理，得到液态铜；Fe-C合金的加入步骤，将Fe-C合金粉加入所述液态铜中进行搅拌处理，得到混合均匀的熔炼料；
快速凝固步骤，将所述熔炼料进行快速凝固处理，得到Fe-C合金颗粒均匀分布于Cu基体中的Cu-Fe-C系合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述Cu的熔炼步骤中，所述熔炼处理是在真空中频感应炉中进行的。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述Cu的熔炼步骤中，所述熔炼处理的熔炼温度为1090～1200℃，优选为1100～1180℃；
更优选地，所述熔炼处理时的真空度为10Pa以下。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述Fe-C合金的加入步骤，所述搅拌处理时的温度为1100～1180℃，优选地，所述搅拌处理是在1100℃的条件下进行的。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述Fe-C合金的加入步骤，所述搅拌处理为机械搅拌或电磁搅拌，所述搅拌处理的时间为1～5min；优选地，所述机械搅拌的搅拌速度为240-400rpm，所述电磁搅拌的励磁电压为180-220V。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述快速凝固步骤中，所述快速凝固处理为水冷铜模浇铸法或单辊甩带法；优选地，所述水冷铜模浇铸法的冷却速度为50℃/s～1000℃/s。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，以所述Fe-C合金粉和所述固体原料Cu的总质量为基准，所述Fe-C合金粉的用量为10wt％～15wt％，所述固体原料Cu的用量为85wt％～90wt％；
优选地，所述Fe-C合金粉的颗粒尺寸为60～220nm；更优选地，所述固体原料Cu为纯度99.9wt％以上的电解铜。10.根据权利要求3-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述Fe-C合金粉中，C含量为0.8～1.8wt％。
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CN 108425031 A
说 明 书
一种Cu-Fe-C系合金及其制备方法
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技术领域
[0001]本发明涉及一种铜合金的制备方法，更具体地，本发明涉及一种Cu-Fe-C系合金及其制备方法。
背景技术[0002]铜合金具有良好的导电导热性、延展性和力学性能，是电子信息、电力、能源、船舶和机械等重要产业发展的关键功能材料。与其它体系的高强高导铜合金相比，Cu-Fe系中合金元素Fe的熔点相对较低、较易熔炼，且Fe与Cu的不溶混间隙小，合金的变形能力较好，可加工性较好，所以关于Cu-Fe系合金的研究受到了重视，成为高强高导铜合金发展的重要方向之一。
[0003]目前，高强高导Cu-Fe系合金主要利用常规熔铸法制备初合金，然后对初合金进行后续的热处理、变形等加工，获得最终使用状态的Cu-Fe系合金。在熔铸制备初合金时，由于凝固冷却速度较快，很容易导致Cu基体中固溶大量的Fe元素，严重降低Cu-Fe合金的导电性。虽然在后续热处理、形变热处理等过程中过饱和的Fe不断析出，但低温下Fe的扩散速度很慢，很难将Cu中固溶的Fe完全析出，而Fe在Cu中的固溶是降低Cu-Fe合金的最主要影响因素。所以为了提高Cu-Fe合金的导电性，需要降低Fe在Cu中的固溶量。[0004]已有的方法常采用形变、热处理、强磁场、多元合金化等，但都不能很好地解决此问题。例如：Ag被认为是损害Cu合金导电性作用最小的元素，可是利用Ag对Cu-Fe合金进行合金化制备的Cu-Fe-Ag合金，其铸态Cu基体中仍然固溶2.5％以上的Fe；并且采用Ag合金化成本较高。由于低温下Fe的扩散速度很慢，所以其他方法虽然可以降低Cu中Fe的固溶量，但同样无法将Cu中固溶的Fe减少到很低的状态。[0005]因此，急需一种可以更加有效地降低Cu中固溶的Fe的方法。发明内容
[0006]为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种Cu-Fe-C系合金及其制备方法。
[0007]一种Cu-Fe-C系合金，按质量百分比，所述Cu-Fe-C系合金由如下组分组成：Cu，85-90％；Fe-C合金，10-15％。
[0008]在上述Cu-Fe-C系合金中，作为一种优选实施方式，所述Fe-C合金中C含量为0.8～1.8wt％(比如：0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％)。
[0009]一种Cu-Fe-C系合金的制备方法，包括：[0010]Cu的熔炼步骤，将固体原料Cu进行熔炼处理，得到液态铜；[0011]Fe-C合金的加入步骤，将Fe-C合金粉加入所述液态铜中进行搅拌处理，得到混合均匀的熔炼料；
[0012]快速凝固步骤，将所述熔炼料进行快速凝固处理，得到Fe-C合金颗粒均匀分布于
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说 明 书
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Cu基体中的Cu-Fe-C系合金。
[0013]本发明是先将铜熔炼成液态，然后将熔炼温度保持在比铜的熔点略高些但没有达到Fe-C预合金粉的熔点，再在该熔炼温度下加入Fe-C合金粉并搅拌混合均匀以使固态的Fe-C合金粉均匀分散在液态的铜液中，最后快冷，本发明利用了C和Cu在Fe-Cu-C三元体系中的互相排斥作用，利用了低温下Fe在Cu中扩散速度低的特点，将Fe以固态形式加入Cu液体中，然后迅速降温，控制Fe向Cu基体中的扩散，从而使Fe均匀分散在铜基体中，降低固溶于Cu中的Fe量；在该过程中，Fe-C合金粉未发生熔化，这样也有利于降低溶于Cu液中的Fe量，有利于提高合金的导电性。[0014]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述Cu的熔炼步骤中，所述熔炼处理是在真空中频感应炉中进行的。[0015]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述Cu的熔炼步骤中，所述熔炼处理的熔炼温度为1090～1200℃，更优选为1100～1180℃(比如1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1175℃)。熔炼温度过高不利于与下一步骤的衔接。[0016]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述Cu的熔炼步骤中，所述熔炼处理时的真空度为10Pa以下(比如9Pa、7Pa、5Pa、、3Pa、1Pa、0.5Pa、0.1Pa、0.05Pa)。[0017]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述Fe-C合金的加入步骤，所述搅拌处理时的温度为1100～1180℃(比如1110℃、1120℃、1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃、1175℃)，更优选地，所述搅拌处理是在1100℃的条件下进行的。搅拌处理时的温度过高或过低都不利于Fe-C合金粉未在铜液中的均匀分散，对合金性能会产生不利影响。[0018]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述Fe-C合金的加入步骤，所述搅拌处理为机械搅拌或电磁搅拌，所述搅拌处理的时间为1～5min(比如1.5min、2min、2.5min、3min、4min、4.5min)；更优选地，所述机械搅拌的搅拌速度为240-400rpm(比如250rpm、280rpm、300rpm、320rpm、350rpm、370rpm、390rpm)，所述电磁搅拌的励磁电压为180-220V(比如185V、190V、200V、210V、220V)。电磁搅拌的效果要优于机械搅拌，在本发明的电磁搅拌参数下进行搅拌处理可以使Fe-C合金粉未的分散更加均匀，可以进一步提高合金的性能。
[0019]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述快速凝固步骤中，所述快速凝固处理为水冷铜模浇铸法或单辊甩带法；更优选地，所述水冷铜模浇铸法的冷却速度为50℃/s～1000℃/s(比如55℃/s、100℃/s、200℃/s、300℃/s、400℃/s、500℃/s、600℃/s、700℃/s、800℃/s、900℃/s、950℃/s)。[0020]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述固体原料Cu为纯度99.9wt％以上的电解铜。
[0021]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述Fe-C合金粉的颗粒尺寸为60～220nm(比如70nm、80nm、100nm、120nm、150nm、180nm、190nm、210nm、70-80nm、100-120nm、150-180nm)。所述Fe-C合金粉为市售产品，当然也可以按照常规方法制备，其可以通过真空雾化炉制备，将所需配比的原料纯铁和增碳剂熔炼后雾化成粉末颗粒，然后再通过高能球磨制备成所需粒度的Fe-C合金粉。本发明中使用的Fe-C合金粉颗粒尺寸为60～220nm，颗粒过大，强化效果差，过小则容易使Fe溶于Cu中，导电性变差，而且还容易发生团聚。[0022]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，以所述Fe-C合金粉和所述固体原料
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说 明 书
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Cu的总质量为基准，所述Fe-C合金粉的用量为10wt％～15wt％(比如11％、12％、13％、14％)，所述固体原料Cu的用量为85wt％～90wt％(比如86％、87％、88％、89％)。[0023]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述Fe-C合金粉中，C含量为0.8～1.8wt％(比如：0.9wt％、1.0wt％、1.1wt％、1.2wt％、1.3wt％、1.4wt％、1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％)。
[0024]在本发明的合金中，C含量过低将导致有更多的Fe溶入Cu中，对合金的导电性不利，C含量过高会形成石墨或者Fe3C等。[0025]在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，所述制备方法还包括合金后处理步骤，将所述快速凝固步骤得到的Cu-Fe-C系合金进行后处理，得到Cu-Fe-C系合金成品。更优选地，所述后处理为热处理、变形处理、磁场处理中的一种或多种；所述后处理为常规处理。[0026]相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0027]为了更为有效地减少Cu-Fe合金基体中固溶的Fe含量，本专利提出利用C和Cu在Fe-Cu-C三元体系中的互相排斥作用，向Cu中添加Fe-C；同时利用低温下Fe在Cu中扩散速度低的特点，将Fe以固态形式Fe-C加入Cu液体中，然后迅速降温，控制Fe向Cu基体中的扩散，大幅降低Cu基体中Fe的固溶量。本发明方法可以提高Cu-Fe合金的导电率和抗拉强度，得到的铸态合金的抗拉强度为410-470MPa，导电率为30-50％IACS。具体实施方式
[0028]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于本发明而不用于限制本发明的范围。对外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。[0029]实施例1
[0030]本实施例制备的合金为Cu-15wt％(Fe-C)合金(即在合金中Fe-C的含量为15wt％，Cu的含量为85wt％；也即原料中电解铜的用量为电解铜和Fe-C合金粉末总质量的85wt％，Fe-C合金粉末的用量为电解铜和Fe-C合金粉末总质量的15wt％)，Fe-C合金粉末中C的质量百分比为1wt％，具体制备方法如下：
[0031]在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯Cu进行熔炼，熔炼温度控制在1100±5℃，真空度为10Pa，待固体铜全部变为液态后将颗粒尺寸为80-120nm的Fe-C合金粉加入到纯铜熔液中，仍然在1100±5℃条件下以300rpm的搅拌速度机械搅拌3min，使固态Fe-C粉合金均匀分布在铜液中，然后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的Cu-15wt％(Fe-C)合金。
[0032]对该实施例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为451MPa，导电率为42％IACS。[0033]实施例2-4
[0034]实施例2-4除了Fe-C合金粉末中C的质量百分比不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例2-4的Fe-C合金粉末中C的质量百分比以及得到的合金的性能参见表1。
[0035]表1实施例2-4的工艺参数和性能结果
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说 明 书
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实施例5-6和对比例1
[0038]实施例5-6和对比例1除了熔炼温度和搅拌时温度(熔炼温度等于搅拌时温度)不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例5-6和对比例1的熔炼温度以及得到的合金的性能参见表2。
[0039]表2实施例5-6和对比例1的工艺参数和性能结果
[0037][0040]
编号熔炼温度(℃)抗拉强度(MPa)导电率(％IACS)实施例5118044037实施例6115043441对比例1135037019[0041]实施例7-8和对比例2
[0042]实施例7-8和对比例2除了Fe-C预合金粉的颗粒尺寸不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例7-8和对比例2的Fe-C预合金粉的颗粒尺寸以及得到的合金的性能参见表3。
[0043]表3实施例7-8和对比例2的工艺参数和性能结果
[0044]
[0045]
实施例9-12
[0047]实施例9-12除了搅拌方式和参数不同于实施例1以外，其他工艺参数同实施例1。实施例9-12的搅拌参数以及得到的合金的性能参见表4。[0048]表4实施例9-12的工艺参数和性能结果
[0046]
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说 明 书
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对比例3
[0051]本对比例制备的合金为Cu-15wt％Fe合金(即在合金中Fe的含量为15wt％，Cu的含量为85wt％；也即原料中电解铜的用量为电解铜和Fe粉末总质量的85wt％，Fe粉末的用量为电解铜和Fe粉末总质量的15wt％)，具体制备方法如下：
[0052]在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯Cu和Fe进行熔炼，熔炼温度控制在1600℃左右，真空度为10Pa，熔炼完成后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的Cu-15wt％Fe合金。
[0053]对该对比例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为310MPa，导电率为15％IACS。[0054]对比例4
[0055]本对比例制备的合金为Cu-15wt％(Fe-C)合金(即在合金中Fe-C的含量为15wt％，Cu的含量为85wt％，Fe-C中C含量为1wt％，具体制备方法如下：
[0056]在真空中频感应炉内将99.9wt％的电解高纯Cu和Fe-C粉末进行熔炼，熔炼温度控制在1600℃左右，真空度为10Pa，熔炼完成后将其浇注在水冷铜模内快速冷却，冷却速度为100℃/s，浇注后获得的Cu-15wt％(Fe-C)合金。
[0057]对该对比例方法制备的铸态合金产品进行性能测试，其抗拉强度为315MPa，导电率为17％IACS。
[0050]
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