Cu-5%Fe合金薄板帶的研制與應用

周 斌，郭創(chuàng)立，孫君鵬，王 群，王小軍，茍 鎖，梁建斌，王文斌

（西安斯瑞先進銅合金科技有限公司，西安 710077）

引言

隨著高強高導銅合金被廣泛應用于各行各業(yè)，市場對高強高導銅合金的制造成本及使用性能提出更高的要求。目前國內外高強高導銅合金材料以Cu-Ag(-Zr)、Cu-Cr(-Zr)、Cu-Cr(-Nb)等銅合金為主，這些銅合金主要是通過添加Ag、Zr、Cr、Nb等貴金屬或者稀有金屬（產量有限的金屬），以此起到固溶強化、析出強化等效果，從而改善銅合金的性能。但是，這些貴金屬及稀有金屬的成本過高、資源有限，所以尋求含量豐富，價格低廉的添加金屬元素迫在眉睫。Fe作為地球上含量最豐富的金屬元素，它的相對成本最低，在銅合金中添加金屬元素Fe，受到了廣泛關注。

國內外不少學者對Cu-Fe合金進行了研究，通過形變原位復合法、快速凝固法、多元合金化法和粉末冶金法等方法制備出合金樣品，研究如何獲得高強度的同時，也能獲得高的導電率，如Go等[1]研究Cu-20%Fe合金變形量與強度的關系，發(fā)現當變形量η從4增加到6時，抗拉強度從500 MPa迅速增加到1400 MPa以上；陳毅等[2]研究時效工藝對Cu-12%Fe性能的影響發(fā)現，在350℃和450℃進行時效處理時，Cu-12%Fe合金的電導率隨著時效時間延長而上升，在550℃和650℃時效處理時，Cu-12%Fe合金的電導率隨著時效時間延長而先上升后下降，并發(fā)現在550℃時效4 h，可以獲得力學和電學綜合性能最好；鄒晉[3]研究指出，Cu-Fe形變原位復合材料的強度和電導率不僅和Fe含量有關，變形程度也會顯著影響材料的綜合性能，變形初期，Fe纖維未完全形成，合金強度增加不明顯，當應變量η＞5時，合金的強度隨著變成量增大，強度增加明顯。

因為銅與鐵的兼容性差，到目前為止未見報道鐵含量大于3%的銅鐵合金的工業(yè)化生產，本文作者所在公司，通過幾年的研究摸索，目前實現了Cu-5%Fe合金鑄錠、合金薄板帶的批量化生產，并對Cu-5%Fe合金薄帶的電磁屏蔽性能進行了研究。

1 Cu-5%Fe合金的生產制備

1.1 熔煉鑄造、軋制

Cu-5%Fe合金采用純度為99.9%的電解銅板、銅鐵中間合金（自制的Cu50Fe50中間合金），采用3T非真空感應熔煉爐，下引半連續(xù)鑄造加電磁攪拌制成Cu-5%Fe合金錠，扁錠尺寸為(W)420 mm×(t)150 mm×(L)5000 mm；將Cu-5%Fe合金扁錠，經步進爐加熱、熱軋及雙面銑削后再冷軋，中間退火采用帶保護氣氛的強對流鐘罩爐，成品退火采用氣墊式連續(xù)退火爐，合金薄帶經表面清洗、拉伸彎曲矯直、切邊后即是成品薄帶。

1.2 性能測試

用ZEISS-Axio vert.Al型金相顯微鏡觀察分析鑄態(tài)、軋制態(tài)的顯微組織。用450SVD型維氏顯微硬度儀測量顯微硬度。用XLB-D型試樣沖模液壓機制備抗拉樣品，并用CMT-5105型萬能試驗機檢測抗拉強度、延伸率。用DX200GH電橋檢測電導率。電磁屏蔽性能按GB/T 30142—2013《平面型電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》，委托北京郝安輻源環(huán)境科技有限公司檢測。

2 結果與討論

2.1 合金的宏觀形貌

Cu-5%Fe合金鑄錠宏觀外貌如圖1(a)所示,鑄錠外觀平整,無任何冷隔、裂紋等缺陷。從圖1(b)鑄錠鋸切冒口后的端面可以看出,鑄錠結構致密,無中心氣孔、夾雜、疏松等鑄造缺陷。圖1(c)為軋制的成品板帶形貌。

圖1 合金的宏觀形貌

2.2 合金的顯微組織

圖2為Cu-Fe合金二元相圖。從圖2可以看出，在高溫下Cu與Fe能夠完全互溶，但是在室溫下，Fe相幾乎不溶于Cu基體中；而且兩者之間不生成任何中間相，合金的相組成為兩相混合物，屬于一種“假合金”。文中合金的Fe元素的占比是5%，已超過其最大固溶度4.1%，所以合金在凝固的過程中，Fe首先以γ-Fe（富Fe固溶體）從溶體中形核，通常以樹枝晶形態(tài)生長；隨著溫度的降低，在1096℃時發(fā)生包晶反應：γ-Fe+L→(Cu)；當溫度降至850℃時，發(fā)生共析轉變形成α-Fe；在600℃以下Fe和Cu基本不互溶，所以基體組織基本上以枝晶態(tài)的Fe相和Cu基體組成。

圖2 Cu-Fe合金二元相圖

圖示3(a)為Cu-5%Fe合金鑄態(tài)的顯微組織。Cu-5%Fe合金的顯微組織主要由富Cu基體和富Fe枝晶所組成，還可以觀察到少量球形Fe相顆粒存在，它的形成原因主要是外加磁場的攪拌作用，將部分Fe枝晶組織打散所形成。Fe相在基體中分布較為均勻，并無特定的取向分布，說明在熔化過程中Fe和Cu之間得到了充分的混合，并且在合金液鑄造凝固過程中，未出現大范圍的成分偏析現象。

圖3(b)為板帶軋制到厚度為0.1 mm時,在500X光鏡下的顯微組織,從圖3(b)可以看出，Cu-5%Fe合金隨著軋制過程中的不斷變形，第二相Fe枝晶由最初的無序分布逐漸轉變?yōu)檠剀堉品较蚍植?，并逐漸呈現為“纖維”狀；但是可以看出纖維粗細不均勻，纖維間距也不均勻，主要是Fe枝晶的一次晶和二次晶形貌差異導致的。

圖3

2.3 Cu-5%Fe合金薄帶的性能

根據客戶的使用要求，通過改變軋制參數（道次變形量、熱處理溫度等），制備了不同狀態(tài)下的Cu-5%Fe合金薄帶：硬態(tài)（H）、半硬態(tài)（1/2H）、軟態(tài)（1/4H），其性能指標與狀態(tài)之間的關系如圖4所示。

圖4 不同程度的軋制變形量后板帶的抗拉強度、延伸率的變化曲線

從檢測結果來看，Cu-5%Fe合金薄帶硬態(tài)抗拉強度達550 MPa、硬度達160 HV、導電率達到60%IACS，與目前市場上應用的C19400(Cu-Fe-P)相比較，性能較優(yōu)。具體性能參數如表1所示。

2.4 Cu-5%Fe合金薄帶的電磁屏蔽性能

由Cu-5%Fe合金的顯微組織可以看出，合金中存在Fe相，而Fe是鐵磁性物質，具有自發(fā)磁化現象。張盼[4]研究了不同Fe含量下，銅鐵合金的磁性變化規(guī)律，隨著Fe含量的增大，飽和磁感應強度也隨之增大，但是矯頑力、剩余磁化強度表現為先增大后減小的趨勢。那么銅鐵合金的電磁屏蔽性能如何，是否可以作為電磁屏蔽器件材料，為驗證其磁屏蔽性能，對Cu-5%Fe合金薄帶的電磁屏蔽性能進行了測試。

材料的屏蔽效能分類為[5]：0～10 dB幾乎沒有屏蔽作用；10～30 dB有較小的屏蔽作用；30～60 dB中等屏蔽效能，可用于一般工業(yè)或商業(yè)用電子產品；60～90 dB屏蔽效能較高，可用于航空航天及軍用儀器設備的屏蔽；90dB以上的屏蔽材料則具有最好的屏蔽效能，適用于要求苛刻的高精度、高敏感的產品。對Cu-5%Fe薄帶進行電磁屏蔽效能檢測，結果如圖5所示，從圖中可以看出，在14 kHz～18 GHz頻率范圍內，Cu-5%Fe合金的屏蔽效能都能達到60 dB（除14 kHz外）以上，可以作為軍用設備的屏蔽材料。

圖5 Cu-5%Feδ=0.1 mm板帶電磁屏蔽效能

Cu-5%Fe薄帶具有優(yōu)異的屏蔽性能，是因為合金中含有Fe相，在大塑性變形之后，Cu基體內部的Fe相呈現“纖維狀”組織，這種“纖維狀”組織類似“避雷針”的作用，可以吸收周邊電場,電場的磁場和磁場的磁場具有反向性，引起磁滯現象并相互抵消，從而獲得完美的屏蔽效果。

2.5 Cu-5%Fe合金薄帶的其他領域應用

Cu-5%Fe薄帶因含Cu量在95%，所以具有較高的導熱性，可以作為消費電子產品的背板材料，起到很好的散熱作用，據了解日本某公司已經開始使用Cu-Fe合金帶材來作CPU蓋板材料。銅鐵合金也具有一定的抗菌性能，可以作為抗菌器材。

3 結論

（1）采用非真空感應熔煉、電磁攪拌及半連續(xù)鑄造技術，制備了Cu-5%Fe合金錠，單錠重量約2700 kg，鑄錠規(guī)格尺寸為420 mm(W)×150 mm(t)×5000 mm(L)，并通過現代化的成套軋制設備，軋制出t=0.1 mm厚度的Cu-5%Fe合金薄板帶。

（2）檢測了t=0.1 mm厚度Cu-5%Fe合金薄板帶不同狀態(tài)下的性能參數，其硬態(tài)抗拉強度達550 MPa、硬度達160 HV、導電率達到60%IACS。

（3）檢測了t=0.1 mm厚度Cu-5%Fe合金薄板帶的電磁屏蔽性能，在14 kHz～18 GHz頻率范圍內，Cu-5%Fe合金薄板帶的屏蔽效能都能達到60 dB以上，可以作為軍用設備的屏蔽材料。