Cu-5%Fe合金薄板带的研制与应用

2021-09-09郭创立孙君鹏王小军梁建斌王文斌

电工材料 2021年4期

周斌，郭创立，孙君鹏，王群，王小军，苟锁，梁建斌，王文斌

（西安斯瑞先进铜合金科技有限公司，西安 710077）

引言

随着高强高导铜合金被广泛应用于各行各业，市场对高强高导铜合金的制造成本及使用性能提出更高的要求。目前国内外高强高导铜合金材料以Cu-Ag(-Zr)、Cu-Cr(-Zr)、Cu-Cr(-Nb)等铜合金为主，这些铜合金主要是通过添加Ag、Zr、Cr、Nb等贵金属或者稀有金属（产量有限的金属），以此起到固溶强化、析出强化等效果，从而改善铜合金的性能。但是，这些贵金属及稀有金属的成本过高、资源有限，所以寻求含量丰富，价格低廉的添加金属元素迫在眉睫。Fe作为地球上含量最丰富的金属元素，它的相对成本最低，在铜合金中添加金属元素Fe，受到了广泛关注。

国内外不少学者对Cu-Fe合金进行了研究，通过形变原位复合法、快速凝固法、多元合金化法和粉末冶金法等方法制备出合金样品，研究如何获得高强度的同时，也能获得高的导电率，如Go等[1]研究Cu-20%Fe合金变形量与强度的关系，发现当变形量η从4增加到6时，抗拉强度从500 MPa迅速增加到1400 MPa以上；陈毅等[2]研究时效工艺对Cu-12%Fe性能的影响发现，在350℃和450℃进行时效处理时，Cu-12%Fe合金的电导率随着时效时间延长而上升，在550℃和650℃时效处理时，Cu-12%Fe合金的电导率随着时效时间延长而先上升后下降，并发现在550℃时效4 h，可以获得力学和电学综合性能最好；邹晋[3]研究指出，Cu-Fe形变原位复合材料的强度和电导率不仅和Fe含量有关，变形程度也会显著影响材料的综合性能，变形初期，Fe纤维未完全形成，合金强度增加不明显，当应变量η＞5时，合金的强度随着变成量增大，强度增加明显。

因为铜与铁的兼容性差，到目前为止未见报道铁含量大于3%的铜铁合金的工业化生产，本文作者所在公司，通过几年的研究摸索，目前实现了Cu-5%Fe合金铸锭、合金薄板带的批量化生产，并对Cu-5%Fe合金薄带的电磁屏蔽性能进行了研究。

1 Cu-5%Fe合金的生产制备

1.1 熔炼铸造、轧制

Cu-5%Fe合金采用纯度为99.9%的电解铜板、铜铁中间合金（自制的Cu50Fe50中间合金），采用3T非真空感应熔炼炉，下引半连续铸造加电磁搅拌制成Cu-5%Fe合金锭，扁锭尺寸为(W)420 mm×(t)150 mm×(L)5000 mm；将Cu-5%Fe合金扁锭，经步进炉加热、热轧及双面铣削后再冷轧，中间退火采用带保护气氛的强对流钟罩炉，成品退火采用气垫式连续退火炉，合金薄带经表面清洗、拉伸弯曲矫直、切边后即是成品薄带。

1.2 性能测试

用ZEISS-Axio vert.Al型金相显微镜观察分析铸态、轧制态的显微组织。用450SVD型维氏显微硬度仪测量显微硬度。用XLB-D型试样冲模液压机制备抗拉样品，并用CMT-5105型万能试验机检测抗拉强度、延伸率。用DX200GH电桥检测电导率。电磁屏蔽性能按GB/T 30142—2013《平面型电磁屏蔽材料屏蔽效能测量方法》，委托北京郝安辐源环境科技有限公司检测。

2 结果与讨论

2.1 合金的宏观形貌

Cu-5%Fe合金铸锭宏观外貌如图1(a)所示,铸锭外观平整,无任何冷隔、裂纹等缺陷。从图1(b)铸锭锯切冒口后的端面可以看出,铸锭结构致密,无中心气孔、夹杂、疏松等铸造缺陷。图1(c)为轧制的成品板带形貌。

图1 合金的宏观形貌

2.2 合金的显微组织

图2为Cu-Fe合金二元相图。从图2可以看出，在高温下Cu与Fe能够完全互溶，但是在室温下，Fe相几乎不溶于Cu基体中；而且两者之间不生成任何中间相，合金的相组成为两相混合物，属于一种“假合金”。文中合金的Fe元素的占比是5%，已超过其最大固溶度4.1%，所以合金在凝固的过程中，Fe首先以γ-Fe（富Fe固溶体）从溶体中形核，通常以树枝晶形态生长；随着温度的降低，在1096℃时发生包晶反应：γ-Fe+L→(Cu)；当温度降至850℃时，发生共析转变形成α-Fe；在600℃以下Fe和Cu基本不互溶，所以基体组织基本上以枝晶态的Fe相和Cu基体组成。

图2 Cu-Fe合金二元相图

图示3(a)为Cu-5%Fe合金铸态的显微组织。Cu-5%Fe合金的显微组织主要由富Cu基体和富Fe枝晶所组成，还可以观察到少量球形Fe相颗粒存在，它的形成原因主要是外加磁场的搅拌作用，将部分Fe枝晶组织打散所形成。Fe相在基体中分布较为均匀，并无特定的取向分布，说明在熔化过程中Fe和Cu之间得到了充分的混合，并且在合金液铸造凝固过程中，未出现大范围的成分偏析现象。

图3(b)为板带轧制到厚度为0.1 mm时,在500X光镜下的显微组织,从图3(b)可以看出，Cu-5%Fe合金随着轧制过程中的不断变形，第二相Fe枝晶由最初的无序分布逐渐转变为沿轧制方向分布，并逐渐呈现为“纤维”状；但是可以看出纤维粗细不均匀，纤维间距也不均匀，主要是Fe枝晶的一次晶和二次晶形貌差异导致的。

图3

2.3 Cu-5%Fe合金薄带的性能

根据客户的使用要求，通过改变轧制参数（道次变形量、热处理温度等），制备了不同状态下的Cu-5%Fe合金薄带：硬态（H）、半硬态（1/2H）、软态（1/4H），其性能指标与状态之间的关系如图4所示。

图4 不同程度的轧制变形量后板带的抗拉强度、延伸率的变化曲线

从检测结果来看，Cu-5%Fe合金薄带硬态抗拉强度达550 MPa、硬度达160 HV、导电率达到60%IACS，与目前市场上应用的C19400(Cu-Fe-P)相比较，性能较优。具体性能参数如表1所示。

2.4 Cu-5%Fe合金薄带的电磁屏蔽性能

由Cu-5%Fe合金的显微组织可以看出，合金中存在Fe相，而Fe是铁磁性物质，具有自发磁化现象。张盼[4]研究了不同Fe含量下，铜铁合金的磁性变化规律，随着Fe含量的增大，饱和磁感应强度也随之增大，但是矫顽力、剩余磁化强度表现为先增大后减小的趋势。那么铜铁合金的电磁屏蔽性能如何，是否可以作为电磁屏蔽器件材料，为验证其磁屏蔽性能，对Cu-5%Fe合金薄带的电磁屏蔽性能进行了测试。

材料的屏蔽效能分类为[5]：0～10 dB几乎没有屏蔽作用；10～30 dB有较小的屏蔽作用；30～60 dB中等屏蔽效能，可用于一般工业或商业用电子产品；60～90 dB屏蔽效能较高，可用于航空航天及军用仪器设备的屏蔽；90dB以上的屏蔽材料则具有最好的屏蔽效能，适用于要求苛刻的高精度、高敏感的产品。对Cu-5%Fe薄带进行电磁屏蔽效能检测，结果如图5所示，从图中可以看出，在14 kHz～18 GHz频率范围内，Cu-5%Fe合金的屏蔽效能都能达到60 dB（除14 kHz外）以上，可以作为军用设备的屏蔽材料。