一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种高强高塑双相协同析出型Cu‑Fe‑C‑P系合金材料及其制备方法。通过成分优化、加工和热处理工艺调控，该系合金不仅可以充分利用超低温冷轧变形诱发Fe‑C相发生马氏体相变以及超细亚晶组织的出现，而使得所开发铜合金强度获得大幅提高，抗拉强度将近650MPa，而延伸率仍可达4.0%以上，明显优于传统的Cu‑Fe‑P系合金或可发生应变诱发马氏体相变的Cu‑Fe‑C系合金的性能。此外，超低温深冷轧态合金进一步经低温时效热处理还可诱发Fe‑C和Fe‑P双相协同析出，以及大量纳米晶的形成，进而可使合金具有更加优异的综合性能。本发明专利技术铜合金材料及其制备方法非常适合应用于电子信息等众多高新技术领域典型部件用高强高导铜合金材料的制造，特别是对强度、加工性能和塑性均有较好要求的复杂形状零部件的制造。

High strength and high plasticity dual phase synergistic precipitation type copper alloy material and preparation method thereof

The invention provides a preparation method of high strength and high plasticity double phase precipitation type Cu Fe collaborative C P alloy material and its preparation. Through the optimization of composition, processing and heat treatment process control, the alloys can not only make full use of super low temperature cold rolling deformation induced by Fe C martensitetransformation and ultrafine subgrain structure, which makes the development of copper alloy strength increases, the tensile strength of nearly 650MPa, while the elongation is still above 4%, performance Cu Fe C alloy Cu Fe P alloy is better than the traditional or strain induced martensitic transformation of. In addition, the ultra low temperature deep cold rolled alloy further treated by low temperature aging heat can also precipitate biphasic synergy induced by Fe C and Fe P, as well as the formation of a large number of nanocrystals, and the alloy has more excellent performance. The present invention is made of copper alloy material and its preparation method is very suitable to the electronic information and other high-tech fields of typical parts with high strength and high conductivity copper alloy material, especially for manufacturing strength, plastic has good processing performance and requirements of complex shape parts.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料及其制备方法
本专利技术属于铜合金
，涉及一种可工业化应用的高强高塑双相协同析出型铜合金材料及其制备方法，特别针对大功率微波管、汽车焊接电极、集成电路引线框架、核技术、航空航天等众多高新
对新型铜合金力学性能和加工性能要求越来越苛刻的现状而开发。
技术介绍
先进高强导电铜合金已被广泛应用于机械制造、交通运输、电气和电子等工业领域中，随着电子信息产业的快速发展，先进铜合金的应用领域在不断扩大，但是对其的性能要求也越来越苛刻。以结构功能铜合金为例，除了对铜合金的强度和导电性的要求不断提高之外，近年来对其加工性能以及生产成本等也提出了新的更高要求。因此，研究人员除了继续优化原有合金体系以及加工工艺等从而实现提高合金综合性能的目的之外，还不断开展新合金体系的开发、加工和应用研究。以往以陶瓷粒子弥散强化铜合金由于强度和导电性较好，该合金备受关注和应用，但是由于该合金基体内的弥散粒子与铜基体协调变形能力相对较差，加工难度较大，再加上该类材料的制备工艺普遍较长(如内氧化法、粉末冶金方法等)，使得合金生产成本一直居高不下，这严重限制了其广泛应用。而沉淀强化型铜合金(如Cu-Fe-P，Cu-Ni-Si，Cu-Cr-Zr等)由于生产成本较低，目前仍然是众多高新
，如集成电路引线框架材料领域等，使用量最大的材料之一。Cu-Fe-X系合金作为沉淀强化型铜合金中研究最早的引线框架铜合金(尤其以Cu-Fe-P系合金为代表)，虽然其抗拉强度普遍偏低，但是其具有其它合金无法比拟的优点，如耐蚀性、钎焊性、耐疲劳性以及成本低廉等。近些年，为了更好调控Cu-Fe-X系合金强度和导电率间的相互匹配，研究人员已经针对合金体系的成分优化以及后续加工和热处理工艺优化等进行了大量相关研究，如利用形变原位复合工艺制备了不同浓度的Cu-Fe系合金，而且研究表明采用形变原位复合工艺制备的Cu-Fe系合金强度可以达到Cu-Nb系合金的相当数值，但是该系合金的导电率要比Cu-Nb系合金的大概低25-30％IACS。为此，多元合金化的研究思路不断为人们所接受，因为多元合金化一方面可以降低生产成本，另一方面还可进一步提高合金的强度和导电率，迄今为止，Cr、Co、Zr、Ni、Mg和Ag等元素已经被报道应用于Cu-Fe系合金内，尤其添加一定量的Ag可以有效提高合金的强度和导电率。此外，在时效强化型Cu-Fe-P体系的基础上也有大量研究，如通过添加少量的Ag，最终使得合金强度增加近100MPa，而导电率也可提高5％IACS。虽然添加元素Ag无论对于形变原位复合法制备的Cu-Fe系合金，还是传统时效强化型的Cu-Fe-P系合金，均可使合金综合性能获得一定提高，但是其生产成本却获得大幅提高，这同样不利用该系合金的广泛应用。因此，非常有必要开发一种既不会增加合金的生产成本，又能兼具有优异综合性能的新型铜合金材料及其制备技术，从而更好满足高新
对该类材料的迫切需求。此外，该新型铜合金材料的开发对于其它新型金属材料的开发也会产生重要启发和推动作用。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，针对目前已有的Cu-Fe系合金强度不高以及加工性能不够优异等问题，提出一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料及其制备方法，既不会增加合金的生产成本，又能兼具有优异综合性能，适合应用于众多
，特别是对于高强、高导、高塑性、加工性能以及生产成本等均有一定要求的众多新
和民用产品的生产和制造等行业，以及已经或者准备生产类似铜合金产品的生产厂家应用。本专利技术通过成分设计和优化首先对新型Cu-Fe-C-P系合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等工序制备所设计合金并对其力学性能和加工性能进行研究，最终确定兼具有高强度、高塑性和双相协同析出型铜合金成分范围以及合金板材的相应制备方法。本专利技术的第一目的在于提出一种兼具有高强度、高塑性和双相协同析出型铜合金材料，其特征在于该合金的化学成分按质量百分比计：Fe:2.0～5.0wt％，C：0.01～0.6wt％，P:0.03～0.9wt％，Al≤0.1wt％，Si≤0.02wt％，Ni≤0.03wt％，Zn≤0.03wt％，B≤0.01wt％，Ti≤0.01wt％，其中C/Fe比在0.1～2.0％，P/Fe比在7～30％，余量为Cu。优选地，其化学成分的Fe、C和P含量范围分别为Fe：2.0～4.9wt％，C：0.01～0.5wt％，P：0.03～0.85wt％，其中化学成分Fe、C的C/Fe质量比范围为0.1～1.5％，Fe、P的P/Fe质量比范围为8～29％。本专利技术的第二目的在于提出一种上述兼具有高强度、高塑性和双相协同析出型铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：首先进行Cu-Fe-C-P合金成分选择和优化，将Fe-C和Cu-P中间合金熔炼与铸造；配制Cu-Fe-C-P合金并在真空中频感应炉内进行熔炼，将熔炼好的Cu-Fe-C-P合金以一定的冷却速度快速凝固浇铸到水冷铜模内，所用冷却速率要保证其所含Fe和P溶质元素尽可能少的偏聚析出；然后采用超低温冷轧形变诱发合金内Fe-C相发生马氏体相变以及超细亚晶的形成；最后采用低温热处理调控合金纳米晶组织以及纳米Fe-C和Fe-P双相协同析出，即可获得高强高塑Cu-Fe-C-P合金板材。进一步地，所述铜合金真空熔炼和快速凝固工艺具体为：首先对炉膛进行抽真空，待炉膛真空度降低到2Pa以下时关闭真空泵，同时充入高纯Ar气待炉膛真空度达到0.02MPa以上时停止充气，继续抽真空到2Pa以下时开始逐级升温，首先升温到400～500℃时保温15min以上，然后继续升温到1500℃以上保温，待Fe-C和Cu-P中间合金、高纯Cu、高纯Fe以及其他纯金属彻底熔化后静置2～8min，然后将熔体温度降低到1200～1350℃并放置2～5min，随后将合金熔体再次升温到1500℃以上静置2～5min，然后降低电流再次降低熔体温度到1120～1280℃，并将其浇铸在通循环水的水冷铜模内，熔体凝固冷却速度控制在3×103℃/s以上，保证合金基体内溶质元素Fe和P等尽可能少的发生偏聚析出。进一步地，所述超低温冷轧形变诱发Fe-C相发生马氏体相变以及超细亚晶的形成具体工艺为：首先将快凝态铜合金材料置于液氮罐内，放置1.5h以上，然后取出后在5s内对其进行深冷轧变形，冷轧变形温度为-50～-150℃，变形量为60％～95％，道次应变量为6％～15％，变形方式采用同步轧制。进一步地，所述低温热处理调控合金纳米晶组织以及纳米Fe-C和Fe-P双相协同析出具体工艺为：热处理温度在100～500℃之间，时间2min～5h之间，氢气保护，采用水淬方式进行冷却，冷却速率大于100℃/s。本专利技术的特点在于，该铜合金材料充分利用溶质元素Fe与C和P元素之间均存在强烈的相互作用，并形成Fe-C和Fe-P相，其中Fe-P相通过控制尺寸、形态以及分布状态等对合金强度提高发挥显著贡献，而Fe-C相则通过成分、加工以及热处理工艺调控又发生奥氏体和马氏体间的相变。由于Fe-C相处于奥氏体状态时强度较低，其分布于Cu合金基体内时新型铜合金表现出较好的加工性能；而当Fe-C相处于马氏体状态时由于强度较高，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料，其特征在于，合金的化学成分按质量百分比计：Fe: 2.0～5.0wt%，C：0.01～0.6wt%，P:0.03~0.9wt%，Al≤0.1wt%，Si≤0.02wt%，Ni≤0.03wt%，Zn≤0.03wt%，B≤0.01wt%，Ti≤0.01wt%，其中C/Fe比在0.1%~2.0%，P/Fe比在7~30%，余量为Cu。

【技术特征摘要】
1.一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料，其特征在于，合金的化学成分按质量百分比计：Fe:2.0～5.0wt%，C：0.01～0.6wt%，P:0.03~0.9wt%，Al≤0.1wt%，Si≤0.02wt%，Ni≤0.03wt%，Zn≤0.03wt%，B≤0.01wt%，Ti≤0.01wt%，其中C/Fe比在0.1%~2.0%，P/Fe比在7~30%，余量为Cu。2.根据权利要求1所述的铜合金材料，其特征在于，合金化学成分的Fe、C和P含量范围分别为Fe：2.0～4.9wt%，C：0.01～0.5wt%，P：0.03~0.85wt%，其中化学成分Fe、C的C/Fe质量比范围为0.1~1.5%，Fe、P的P/Fe质量比范围为8~29%。3.一种高强高塑双相协同析出型铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先进行Cu-Fe-C-P合金成分选择和优化，将Fe-C和Cu-P中间合金熔炼与铸造；配制Cu-Fe-C-P合金并在真空中频感应炉内进行熔炼，将熔炼好的Cu-Fe-C-P合金以一定的冷却速度快速凝固浇铸到水冷铜模内，；然后采用超低温冷轧形变诱发合金内Fe-C相发生马氏体相变以及超细亚晶的形成；最后采用低温热处理调控合金纳米晶组织以及纳米Fe-C和Fe-P双相协同析出，即可获得高强高塑Cu-Fe-C-P合金板材；所述合金成分按质量百分比计：Fe:2.0～5.0wt%，C：0.01～0.6wt%，P:0.03~0.9wt%，Al≤0.1wt%，Si≤0.02wt%，Ni≤0.03wt%，Zn≤0.03wt%，B≤0.01wt%，Ti≤0.01wt%，其中C/Fe比在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭明星，李高洁，易龙，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11