专利名称：一种铜铁铬三元铜基合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高强高导铜合金，具体地说是提供一种Cu-Fe-Cr三元铜基合金，其适合于在高温条件下使用，或在制造过程中涉及高温加热，如钎焊，热处理等，但仍要求保持足够机械强度的场合。
背景技术：
铜是一种优良的高导电、导热材料。在某些应用条件下，如微电子应用的导电框架材料，连续铸造中使用的铜结晶器以及点焊机上的铜电极材料等，除了要求良好的导电性或导热性以外，还需要一定的机械强度，即高强高导材料，然而，纯铜是一种强度很低的金属，单晶铜在很低的切应力下就开始滑移变形。冷加工硬化是强化铜基体的一种方法，通过大量的冷加工变形，铜的强度一般会急剧升高，同时它的导电，导热性能变化较小，然而，由于纯铜的再结晶温度很低，一般在120℃左右，冷变形纯铜就能发生显著的再结晶，导致冷加工强化效应急剧下降，为了克服这一缺点，添加合金元素是必要的。在设计高强高导铜合金时，一般采用弥散强化的设计思想，即通过固溶处理和时效时第二相粒子弥散析出，钉扎冷加工诱发的大量位错，抑制再结晶过程，达到强化铜合金的目的，由于要求最大限度的保持铜合金的高导电、高导热性能，一般添加的合金元素量均较少，合金元素的种类主要是一些体心立方金属，如铁、铬、铌等。由于面心立方铜基体中对体心立方金属的溶解度很小，通过时效处理后，这些微量合金元素充分析出，达到弥散强化的目的，同时铜基体保持理想晶格达到高导电，高导热的目的。目前已经进行工业化生产的高强高导铜合金主要是Cu-Fe-P合金，其已作为系列产品批量生产，如C19200(Cu-1％Fe-0.03％P)，C19400(Cu-2.35％Fe-0.03％P-0.12％Zn)，C19500(Cu-1.5％Fe-0.1％P-0.8％Co-0.6％Sn)，C19700(Cu-0.6％Fe-0.2％P-0.05％Mg)，此外Cu-Cr或Cu-Zr系列的高强高导合金也进行了不少研究和应用如C1500(Cu-0.15Zr)C18200(Cu-0.85Cr)或者Cu-Cr-Zr三元合金等(以上均为美国牌号)目前上述高强高导铜合金存在的主要问题是耐高温强度较低，例如Cu-Fe-P系列合金，材料经冷加工变形强化后，加热到400℃左右，材料就已明显的软化，机械强度迅速下降，这种材料的软化机理与弥散沉淀的第二相粒子在高温下向铜基体中回溶过程有关，即弥散沉淀的第二相粒子重新溶解到铜基体之后，其原有的钉扎位错的作用随之消失，由冷加工引起的增殖位错及其塞积群通过再结晶机制大量消失，导致材料发生明显的软化。
发明内容
为了克服现有Cu-Fe-P合金在400℃左右开始软化的缺点，本发明提供一种新的合金配方，提高铜合金在600℃以下范围的抗高温软化能力，以提高这类合金相对较高温度下短时加热(如波峰焊，再流焊等)的工艺性能，和在较高温度下保持足够强度的使用性能。
为实现上述目的，本发明提供的Cu-Fe-Cr三元铜基合金的技术方案如下(本发明中除特别指明的外，均为重量百分比)Fe 0.5-2.5Cr 0.3-1.0Cu及不可避免的杂质 余量本发明提供的Cu-Fe-Cr三元铜基合金中铜的含量大于96.5％，Fe的含量范围在0.5-2.5％之间，优选范围1.0-2.4％，Cr的含量范围为0.3-1.0％，优选范围为0.5-0.8％。
本发明提供的Cu-Fe-Cr三元铜基合金可以选择一种普通的熔炼技术进行合金化，熔炼合金时，应采用合适的技术措施，如配制中间合金或在熔体表面复盖保护层的方法防止合金中的铬氧化烧损，合金元素的添加方式为Cu-Cr中间合金(Cr含量3％-50％)和Fe，或Fe-Cr中间合金(Cr含量3％-40％)和Fe，中间合金的添加方式与普通铜合金熔炼工艺相同。
本发明合金浇注后，可以直接在铸态下使用；也可以在冷轧态下或冷轧后时效处理后使用，时效处理条件具体指时效温度为350℃-600℃。
本发明的技术原理是铁、铬均为体心立方金属，固态下它们均难溶于铜中。在铜合金中Fe，Cr相互共存且互溶，当铁中溶解一部分Cr后，会扩大α相区，导致其体心立方晶格较为稳定，促使第二相Fe-Cr合金粒子以体心立方晶格在Cu基体中沉淀，并且Fe-Cr合金在一定条件下(温度、浓度)，还会形成σ相，后者不易于在高温下发生回溶。作为对比，已有的研究已经表明Cu-Fe-P合金中，在铜基体中析出的Fe有两种形式存在，即面心立方的γ-Fe，和体心立方的α-Fe。根据“相似者相溶”的原理，γ-Fe具有与Cu基体相同的面心立方晶格，故其比α-Fe较易于向Cu基体中回溶，合金中添加少量Cr以后，改变了沉淀析出Fe的晶体结构，或形成新的σ相，抑制了合金元素的回溶，因而可以相对较高的温度下，保持一定的机械强度。据此原理，合金中Fe，Cr的添加应符合一定比例，一般Fe/Cr比应为1∶1～1∶0.3(重量)之间。
本发明可以用常规的冶炼和铸造技术制备各种铜合金产品，如导电电极，高强铜线，铜插销，插座等，特别适用于制备电子工业中大量使用的引线框架铜带产品等。与现有技术Cu-Fe-P合金相比，本发明具有如下有益结果
1.本发明合金具有较好的耐高温性能，冷加工试样可加热到600℃，仍然保持较高的强度。
2.与Cu-Fe-P合金相比本发明合金是一种无磷合金，由于铜合金中磷处于固溶状态时，可使铜合金的电阻值大幅度提高，一般要使磷与Fe结合形成Fe2P或Fe3P才可保证合金有良好的电导率，因而要求严格控制生产工艺和条件，才能达到高导电的目的，而本发明合金避免了采用P作为合金化元素，从而可以使制备工艺相对简单，又保证良好的电导率。
3.本发明合金可采用普通冶炼方法冶炼，与现有Cu-Fe-P合金的冶炼工艺相容性好，不需对现有冶炼设备进行大的改造，因而可在低成本条件下，生产高性能产品。
图1固溶处理及固溶后冷轧样品时效热处理对硬度的影响；图2冷轧样品在600℃时效热处理后的金相组织。
具体实施例方式a.配制Cu-Cr中间合金将纯铜与纯铬按Cr 25％其余为Cu的比例混和，在真空熔炼炉中加热至两种金属共熔，形成均一合金熔体后，浇铸在一冷模之上，通过快速凝固，形成片状Cu-Cr中间合金备用。
b.Cu-Fe-Cr合金的冶炼将纯铜，铜铬中间合金和纯铁按一定重量比例配料，在电磁感应炉中加热熔化，保温一定时间，浇铸成锭，冷却成合金坯料。
c.固溶处理将合金铸锭在大气下加热至1000℃，保温1小时进行固溶处理，然后水淬至室温，备用。
d.冷轧及热处理将固溶处理后的铸坯进行冷轧，累积压下量为40％，然后在400℃～600℃下分别加热保温一小时进行时效处理。
实施例1按b熔炼合金，合金成份为Cu-0.7Cr-2.0Fe。
按c固溶处理，表明合金高温抗氧能力很好，大气下在1000℃下加热后，表面仅有一薄层黑色氧化膜，水淬后不脱落。作为对比，用K194合金(Cu-2.3Fe-0.1P)在同样条件下加热，表面有一层很厚的氧化皮，水淬后，这层厚氧化层爆裂脱落，表面显铜色，氧化损失较大。
按d冷轧及热处理，测定其硬度变化，用于评价力学性能，并用金相法观察其组织变化，结果见图1和图2。
从图1可以看出，本合金在固溶处理后硬度HV70左右，在随后的加热时效过程中，硬度曲线比较平坦，直到600℃，硬度变化不大，这一特点表明材料力学性能的稳定性较好。当合金进行一定变形量的冷轧后，材料的硬度明显提高，达到HV120左右，这主要是由于加工硬化引起的位错强化效应。将冷轧后的试样加热至高温(直至600℃)时效处理后，与固溶样品相似，硬度曲线比较平坦，直到600℃，硬度下降很小，回火后，硬度仍然大于HV100，比未冷加工的样品硬度高50％左右，表明本发明的合金抗高温软化的能力优良，以下将用此性能评价合金的抗高温软化能力。从图2给出的金相图片可以进一步证明，冷轧合金加热至600℃后仍然保持较细的组织形态，没有发现Cu的再结晶晶粒，这一结果与图1给出的力学性能结果相一致。
实施例2按b熔炼合金，合金成份为Cu-0.7Cr-1.0Fe。
按c固溶处理，表明合金高温抗氧能力很好，大气下在1000℃下加热后，表面仅有一薄层黑色氧化膜，水淬后不脱落。
按d冷轧及热处理，硬度从冷轧时的HV120，下降到600℃时的HV102。
实施例3按b熔炼合金，合金成份为Cu-1.0Cr-2.0Fe。
按c固溶处理，表明合金高温抗氧能力很好，大气下在1000℃下加热后，表面仅有一薄层黑色氧化膜，水淬后不脱落。
按d冷轧及热处理，硬度从冷轧的HV125，下降到600℃时的HV110。
实施例4按b熔炼合金，合金成份为Cu-0.3Cr-2.5Fe。
按c固溶处理，表明合金高温抗氧能力很好，大气下在1000℃下加热后，表面仅有一薄层黑色氧化膜，水淬后不脱落。
按d冷轧及热处理，硬度从冷轧时的HV118，下降到600℃时的HV96。
实施例5按b熔炼合金，合金成份为Cu-1.0Cr-0.5Fe。
按c固溶处理，表明合金高温抗氧能力很好，大气下在1000℃下加热后，表面仅有一薄层黑色氧化膜，水淬后不脱落。
按d冷轧及热处理，硬度从冷轧时的HV122，下降到600℃时的HV108。
权利要求
1.一种铜铁铬三元铜基合金，其特征在于合金中各成份的重量百分比组成为Fe0.5-2.5％，Cr0.3-1.0％，其余为铜及不可避免的杂质元素。
2.按照权利要求1所述铜铁铬三元铜基合金，其特征在于Fe的含量范围在1.0-2.4％之间；Cr的含量范围在0.5-0.8％之间。
3.一种权利要求1所述的铜铁铬三元铜基合金的制备方法，包括冶炼、铸造、固溶处理，其特征在于合金冶炼时，合金元素的添加方式采用中间合金的方式。
4.按照权利要求3所述的铜铁铬三元铜基合金的制备方法，其特征在于采用Cu-Cr中间合金时，Cr含量3％-50％；采用或Fe-Cr中间合金时，Cr含量3％-40％。
5.按照权利要求3或4所述的铜铁铬三元铜基合金的制备方法，其特征在于固溶处理后进行冷轧及时效，时效处理温度为350℃-600℃。
全文摘要
本发明涉及一种耐高温的高强高导铜合金，具体地说是指一种Cu－Fe－Cr三元合金，其合金成分范围为(重量百分比)Fe0.5－2.5％，Cr0.3－1.0％，其余为Cu。本发明铜合金的主要优点是在高温下抗软化作用明显，在冷加工后，时效温度达到600℃时，仍然具有相当的机械强度，另外，当温度高达1000℃加热时，合金表面具有优良的抗氧化能力。此外，本发明的合金材料成本较低，制备工艺简单，合金性能优良，广泛适用于电子工业和机械工业等要求高强高导性能和较高工作温度下使用的场合。
文档编号C22C9/00GK1626692SQ200310119049
公开日2005年6月15日 申请日期2003年12月12日 优先权日2003年12月12日
发明者冼爱平, 曹辉, 闵家源 申请人:中国科学院金属研究所