一种具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金加工技术领域，具体涉及一种具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料及其制备方法。

背景技术

随着我国工业技术的进步，兼具多种功能性的铜及铜合金被广泛应用于电子通讯、航空航天、海洋工程等二百多个领域。由于具备优异的导电导热性能，特别是在大规模集成电路引线框架、电磁屏蔽系统等产品的生产过程中，铜合金有着无可替代的地位。在上世纪80年代，美国的研究人员先后开发出了用于引线框架的C19400、C19500、C19700和C19210等具有优异传导性、较高的强度、良好的焊接性能与加工性能的Cu-Fe-P合金。但兼具优异的电磁屏蔽性能、导电导热性能以及良好的力学性能的铜铁合金扔有待进一步研发。稀土元素添加到铜及铜合金后，能起脱氧除气、细化组织及改变杂质形态和分布的作用，从而改善其冷热变形性能及焊接性能，提高其强度、硬度及塑性，还能增强铜合金的热稳定性、耐腐蚀和耐磨性能。如发明专利CN111549253A和CN111636010A就公开了使用0.1～1.00％的Ce、La、Y促进Fe相析出，提高Cu-Fe合金的导电性能的方法。发明专利CN103451575A公开了使用0.62～0.83wt％Sc和0.45～0.51wt％Re大幅提高铜铁合金的硬度。但是含量过高的稀土元素会脆化晶界，使合金的加工性能大幅下降，同时关于两种及以上稀土元素联合添加对铜铁合金相关性能的研究十分稀少。因此在铜铁合金设计过程中，对稀土元素联合添加的优化成为开发兼具多种优异性能的新型铜铁合金的研究思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料及其制备方法，该合金中通过Si元素联合稀土元素进一步促进铁相的析出从而铜铁合金具有更好的电磁屏蔽功能。

本发明这种具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料，按照质量百分比，由以下组分组成：Fe 5.0～15.0wt％、Si 0.4～1.2wt％、X 0.2～0.4wt％、Cr 0.2～0.5wt％、Zr 0.05～0.15wt％，余量为Cu，各组分之和为100％；其中：X表示稀土金属组合。

所述的X为Sc与Y、Sr、Ce、Yb、La中的一种或多种稀土元素联合组成。

优选的，所述的稀土元素联合中，各稀土元素是等比例联合的。

本发明这种具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)熔炼：按照设计合金成分比例配取所需元素，接着先将电解铜、铁、硅、铬加热至熔融状态，关闭感应炉加热电源，然后加入铜锆合金，最后加入稀土联合元素X，在惰性气体保护，搅拌均匀后充分扒渣至熔体干净澄澈，得到稀土铜合金熔体；

2)铸造：将步骤1)中的稀土铜合金熔体在设定温度下进行半连续铸造，得到铜合金铸锭；

3)均匀化：将步骤2)中的铜合金铸锭在惰性气体中进行均匀化退火处理，得到均匀化后的铸锭；

4)组合形变热处理：将步骤3)中均匀化后的铸锭进行冷加工变形+时效组合处理，得到具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料。

所述步骤1)中，铁、硅、铬以及稀土联合元素X以单体的形式加入，锆是以铜锆合金的形式加入，铜锆合金中，锆的质量百分含量为40～60％；关闭感应炉加热电源后，仍旧需要控制炉温在1450～1600℃。

所述步骤2)中，半连续铸造的温度为1250～1350℃。

所述步骤3)中，均匀化退火处理温度为950～980℃，时间为24～48h。

所述步骤4)中，冷加工变形+时效组合处理的具体步骤为：

首先，按照总变形量≥80％对均匀化后的铸锭进行第一次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行预时效处理，处理结束后，接着按照总变形量≥75％进行第二次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行时效处理，处理结束后，然后按照总变形量≥50％进行第三次冷加工变形处理，处理完毕后，在惰性气氛下进行三级时效处理，处理结束后，最后按照总变形量≥50％对铸锭进行第四次冷加工变形处理，处理完毕后，进行退火处理，得到具有电磁屏蔽功能的稀土铜合金材料。

优选的，所述预时效处理温度为400～550℃，处理时间为1～2h；时效处理温度为350～500℃，处理时间为1～2h；三级时效处理温度为320～380℃，处理时间为16～32h；退火温度为200～300℃，退火时间为4～5h。

本发明的有益效果：

1)本发明的铜铁合金中加入了特定比例的Si元素，可以与Fe形成FeSi相，稀土Sc与Y、Sr、Ce、Yb、La的联合添加在进一步纯净合金熔体除气脱氧的基础上，相比单一稀土析出更有利于铜铁合金中Fe相的析出，从而使所述电磁屏蔽复合稀土铜合金具备更加优异的电磁屏蔽性能。同时针对稀土元素的含量增加会脆化晶界的缺陷，本发明中添加锆元素和铬元素，其与联合添加的稀土元素共同可以形成特定的稀土析出相和铬相，加之铁相的形成，可以共同强化铜合金基体，避免合金的加工性能变低。

2)本发明制备过程使用了大变形与时效热处理的组合工艺，使得通过特定配比形成的铁硅相和铬相通过大量形变积累变形能，并通过时效处理析出。该工艺在提高合金导电性能的基础上进一步提高合金的力学性能。

3)本发明制备的电磁屏蔽复合稀土铜合金具有较好的电磁屏蔽性能、较高的强度和高的导电率，使用该方法制备的合金抗拉强度大于800MPa，导电率大于50％IACS，电磁屏蔽效能大于90dB。

附图说明

图1实施例1中制备的铸态微观组织图。

具体实施方式

实施例1

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、纯钪和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：5.0wt％、Si：0.5wt％、Y：0.2wt％、Sc：0.2wt％、Cr：0.3wt％、Zr：0.05wt％，余量为Cu进行配比。

首先在石墨坩埚中，使用感应炉将铜、铁、硅、铬加热融化，关闭感应炉加热电源，接着加入Cu-50Zr中间合金，然后加入稀土元素钇和钪，再然后氮气保护下，控制炉温在1450-1500℃，充分搅拌后再次扒渣以获得纯净熔体。

将纯净熔体冷却至温度为1250℃时进行半连续铸造，得到铜合金铸锭，获得的铸锭的组织照片如图1所示，铸态合金组织均匀，存在少量初生铁相枝晶，晶界处富集的金属间化合物会抑制晶粒长大。

将铜合金铸锭在保护气氛下和950℃温度下，进行均匀化退火处理24h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照80％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和500℃条件下，预时效处理1h，处理结束后，按照变形量为80％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和400℃温度下，进行第二次时效处理2h；处理结束后，将按照50％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和350℃温度下进行三级时效处理32h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在200℃退火处理4h，得到有电磁屏蔽功能的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为853MPa,伸长率2.9％，导电率53.2％IACS，电磁屏蔽效能为93dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为212W/m·K。

对比例1

与实施例1相比，元素中没有加入Si；按照Fe：5.0wt％、Y：0.2wt％、Sc：0.2wt％、Cr：0.3wt％、Zr：0.05wt％，余量为Cu进行配比。

本对比例制备的合金的抗拉强度为762Mpa，伸长率1.9％，导电率45％IACS，电磁屏蔽效能为84dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为178W/m·K。

与实施例1相比，其力学性能、导电率和电磁屏蔽效能都有所下降。

对比例2

与实施例1相比，元素中没有加入Cr和Zr，按照Fe：5.0wt％、Si：0.5wt％、Y：0.2wt％、Sc：0.2wt％、余量为Cu进行配比。

本对比例制备的合金的抗拉强度为531Mpa，伸长率2.1％，导电率51％IACS，电磁屏蔽效能为91dB(测试频率范围10KHz-18GHz)；热导率为203W/m·K。

与实施例1相比，其力学性能下降非常显著。

实施例2

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、纯钪和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：10.0wt％、Si：0.7wt％、Y：0.1wt％、Sc：0.1wt％、Sr:0.1wt％、Cr：0.4wt％、Zr：0.1wt％，余量为Cu进行配比。

首先在石墨坩埚中，使用感应炉将铜、铁、硅、铬加热融化，关闭感应炉加热电源，接着加入Cu-60Zr中间合金，然后加入稀土元素钇和钪，再然后氮气保护下，控制炉温在1500-1550℃，充分搅拌后再次扒渣以获得纯净熔体。

将纯净熔体冷却至温度为1300℃时进行半连续铸造，得到铜合金铸锭。

将铜合金铸锭在保护气氛下和980℃温度下，进行均匀化退火处理36h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照85％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和550℃条件下，预时效处理1.5h，处理结束后，按照变形量为80％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和400℃温度下，进行时效处理2h；处理结束后，将按照65％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和370℃温度下进行三级时效处理28h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在250℃退火处理4.5h，得到有电磁屏蔽功能的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为822Mpa，伸长率3.1％，导电率51.7％IACS，电磁屏蔽效能为98dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为206W/m·K。

实施例3

将电解铜与纯铁、纯硅、纯铬、纯钇、纯钪和Cu-50Zr中间合金作为原料，按照Fe：15.0wt％、Si：1.0wt％、Sc：0.15wt％、Sr:0.15wt％、Cr：0.2wt％、Zr：0.15wt％，余量为Cu进行配比。

首先在石墨坩埚中，使用感应炉将铜、铁、硅、铬加热融化，关闭感应炉加热电源，接着加入Cu-60Zr中间合金，然后加入稀土元素钇和钪，再然后氮气保护下，控制炉温在1550-1600℃，充分搅拌后再次扒渣以获得纯净熔体。

将纯净熔体冷却至温度为1350℃时进行半连续铸造，得到铜合金铸锭。

将铜合金铸锭在保护气氛下和950℃温度下，进行均匀化退火处理48h，得到均匀化后的铸锭。

将均匀化后的铸锭按照80％变形量的第一次冷加工变形处理；处理完毕后，在保护气氛和500℃条件下，预时效处理1.5h，处理结束后，按照变形量为75％的第二次冷变形加工处理；处理完毕后，在保护气氛和450℃温度下，进行时效处理2h；处理结束后，将按照60％变形量的第三次冷变形加工处理，处理完毕后，在保护气氛和380℃温度下进行三级时效处理28h；处理结束后，按照变形量为50％的冷加工变形处理，处理完毕后，在200℃退火处理4.5h，得到有电磁屏蔽功能的稀土铜合金板材。

本实施例制备的合金的抗拉强度为818Mpa，伸长率2.9％，导电率52.6％IACS，电磁屏蔽效能为94dB(测试频率范围10KHz-18GHz)，热导率为205W/m·K。