稀土铜铁合金及制备方法和应用
第一、技术领域
本发明涉及有色金属材料技术领域，尤其涉及一种稀土铜铁合金及制备方法和应用。
第二、背景技术
铜合金由于具有很好的导电、导热性能，良好的耐蚀性，以及便于铸造，易于塑性加工和良好的焊接性等工艺性能，已成为现在工业的重要材料，广泛应用于电子、机电、航空、航天等部门。随着强磁场磁铁线圈、大规模集成电路引线框架及高速电气机车架空导线对导电材料强度和电导率的要求越来越高，如何在尽可能小的牺牲导电和导热性能的前提下大幅度提高材料的强度成为研究的热点。Cu-Fe合金因其具有综合性能好、生产成本低和环保等特点引起了人们的广泛关注。然而，当Cu-Fe合金中第二相组元Fe含量较高时，Fe原子加入势必大大降低铜基体的导电性能，如何降低Fe在铜基体中的固溶度成为提高合金导电性能的关键技术问题。
当前工业中提高Cu-Fe合金导电性能的方法主要有两种：
1、改变Cu-Fe合金的制备方法，如专利CN110923693A中记载了采用冷喷涂工艺制备Cu-Fe合金，制备过程中不发生熔融过程，不会产生Fe原子固溶于Cu中的现象，保证了铜基体的纯净度，有利于显著提高合金的电导率。但是这种制备方法主要用于复杂形状零件的3D打印成形，相较于传统熔铸法，产量低，无法大规模生产。
2、调整Cu-Fe合金中的元素成分，如《硼和铈对Cu-Fe-P合金显微组织和性能的影响》(中国稀土学报,上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,陆德平)中记载了，向Cu-Fe合金中加入P元素，形成Cu-Fe-P合金，然后加入稀土元素和硼元素，起到净化材质、提高合金导电率的作用。但是Cu-Fe-P合金中Fe元素的含量较低，一般为0.1～2.3%，而Cu-Fe合金中铁的含量为8～20%，铁元素含量的降低导致使铜的含量增加，既增加了成本，同时会使合金的力学性能发生较大的偏差，同时在Cu-Fe-P合金中稀土元素的添加量不能超过0.2wt.%，对合金导电率的提升效果较低，难以满足目前社会对合金材料强度和电导率的要求。而专利CN1417357A中虽然记载了能够使稀土元素在铜合金中的含量提高到0.3%，但是需要加入Zn元素和Ti元素，才能够使合金的综合性能达到平衡，从而提高铜合金的电导率，合金中元素种类复杂，Zn元素和Ti元素价格贵，铜合金的成本高，降低企业的竞争力。
因此，提供一种成本低、导电性能和力学性能好的Cu-Fe合金成为需要解决的技术问题。
第三、发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土铜铁合金及其制备方法和应用，本发明提供的稀土铜铁合金成本低，电导性能优异，抗拉强度和硬度高，能够应用到电子、机电、航空和航天领域。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种稀土铜铁合金，按照质量百分比计，包括0.25～0.5%的稀土元素，8～20%的Fe和余量的Cu。
优选地，按照质量百分比计，包括0.3～0.45%的稀土元素，10～18%的Fe和余量的Cu。
优选地，按照质量百分比计，包括0.4%的稀土元素，15%的Fe和余量的Cu。
优选地，所述稀土元素为Ce、La和Y中的一种或几种。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜源、铁源和稀土原料熔炼后浇铸，得到合金铸锭;
(2)对所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行热轧、固溶处理、冷轧、时效处理和终轧后，得到稀土铜铁合金。
优选地，所述步骤(2)中热轧的温度为850～950℃，热轧的总变形量为20～50%。
优选地，所述步骤(2)中固溶处理的保温温度为900～1100℃，固溶处理的保温时间为10～200min。
优选地，所述步骤(2)中冷轧的总变形量为60～90%。
优选地，所述步骤(2)中时效处理的保温温度为400～600℃，时效处理的保温时间为1～24h。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土铜铁合金或上述技术方案所述制备方法制备的稀土铜铁合金在电子、机电、航空和航天领域中的应用。
本发明提供了一种稀土铜铁合金，按照质量百分比计，包括0.25～0.5%的稀土元素，8～20%的Fe和余量的Cu。本发明以Cu-Fe合金作为基体，利用一定量的稀土元素净化合金中的杂质，减少固溶杂质造成的晶格畸变而降低点阵对电子的弹性散射，改善材料的导电性能，同时促进Fe相的析出，减少了Fe原子在铜基体中的固溶度，降低了铜基体的晶格畸变，进而提高了Cu-Fe合金的导电性能;此外，稀土可细化晶粒和Fe相树枝晶组织，促进Fe相在基体中均匀分布，有利于材料的力学性能的提高;合金中铁元素含量多，能够减少铜的用量，降低生产成本;稀土元素的用量较多，能够减少铁元素对于铜的导电性能的影响，提高合金的导电性能。实施例的结果显示，本发明提供的稀土铜铁合金的电导率达到56%IACS以上，抗拉强度达到768MPa以上，延伸率达到2.9%以上。
第四、附图说明
图1为本发明实施例1～4提供的稀土铜铁合金的制备工艺流程图。
第五、具体实施方式
本发明提供了一种稀土铜铁合金，按照质量百分比计，包括0.25～0.5%的稀土元素，8～20%的Fe和余量的Cu。
按照质量百分比计，本发明提供的稀土铜铁合金包括0.25～0.5%的稀土元素，优选为0.3～0.45%，更优选为0.4%。在本发明中，所述稀土元素优选为Ce、La和Y中的一种或几种，更优选为Ce。
按照质量百分比计，本发明提供的稀土铜铁合金包括8～20%的Fe，优选为10～18%，更优选为14%。
本发明将铜合金中铁元素和稀土元素的质量百分比控制在上述范围内，铁元素能够与铜元素形成Cu-Fe合金基体，利用一定量的稀土元素净化合金中的杂质，减少固溶杂质造成的晶格畸变而降低点阵对电子的弹性散射，改善材料的导电性能，同时促进Fe相的析出，减少了Fe原子在铜基体中的固溶度，降低了铜基体的晶格畸变，进而提高Cu-Fe合金的导电性能;此外，稀土可细化晶粒和Fe相树枝晶组织，促进Fe相在基体中均匀分布，有利于材料的力学性能的提高;合金中铁元素含量多，能够减少铜的用量，降低生产成本;稀土元素的用量较多，能够减少铁元素对于铜的导电性能的影响，提高合金的导电性能。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铜源、铁源和稀土原料熔炼后浇铸，得到合金铸锭;
(2)对所述步骤(1)得到的合金铸锭依次进行热轧、固溶处理、冷轧、时效处理和终轧后，得到稀土铜铁合金。
本发明将铜源、铁源和稀土原料熔炼后浇铸，得到合金铸锭。本发明对所述熔炼的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的熔炼设备即可。在本发明中，所述熔炼的设备优选为中频电磁感应炉。
在本发明中，所述铜源优选为电解铜;所述电解铜的纯度优选为≥99.9%，更优选为99.9%。
在本发明中，所述铁源优选为纯铁;所述纯铁的纯度优选为≥99.9%，更优选为99.9%。
在本发明中，所述稀土原料优选为稀土中间合金，更优选为铜稀土中间合金;所述铜稀土中间合金中稀土元素的含量优选为3～7wt%，更优选为5wt%。
本发明使用电解铜和纯铁作为原料，能够减少稀土铜铁合金中杂质的含量，使用稀土中间合金作为原料，既不会引入杂质元素，同时中间合金能够促进稀土元素在合金中分布均匀，从而达到净化合金、细化晶粒、促进Fe相析出的效果，进一步提高稀土铜铁合金的导电性能和力学性能。
本发明对所述铜源、铁源和稀土原料的来源没有特别的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述铜源、铁源和稀土原料的熔炼优选为：先将电解铜和纯铁进行第一熔炼，得到铜铁合金溶液;然后在所述铜铁合金溶液中加入铜稀土中间合金进行第二熔炼，得到稀土铜铁合金溶液。
本发明优选将电解铜和纯铁进行第一熔炼，得到铜铁合金溶液。在本发明中，所述第一熔炼的温度优选为1250～1400℃，更优选为1280～1350℃;所述第一熔炼的时间优选为10～30min，更优选为20min。本发明先将电解铜和纯铁进行第一熔炼，熔炼时间较长，能够保证铜元素与铁元素混合均匀。
得到铜铁合金溶液后，本发明优选在所述铜铁合金溶液中加入铜稀土中间合金进行第二熔炼，得到稀土铜铁合金溶液。在本发明中，所述第二熔炼的温度优选为1250～1400℃，更优选为1280～1350℃;所述第二熔炼的时间优选为2～5min，更优选为3min。本发明将铜稀土中间合金加入到铜铁合金溶液中进行第二熔炼，能够减少熔炼时间，降低稀土元素的烧损。
本发明对所述浇铸的具体工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的浇铸工艺即可。在本发明中，所述浇铸的温度优选为1250～1400℃，更优选为1280～1350℃，最优选为1290～1310℃。本发明对所述浇铸的模具没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的模具即可。在本发明中，所述浇铸的模具优选为石墨模具。
浇铸完成后，本发明优选将所述浇铸的产物进行剥皮处理，得到合金铸锭。本发明对所述剥皮处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的剥皮处理的技术方案即可。本发明通过对合金铸锭进行剥皮处理，能够去除合金铸锭表面的氧化层，防止杂质元素对合金的性能造成影响。
得到合金铸锭后，本发明对所述合金铸锭依次进行热轧、固溶处理、冷轧、时效处理和终轧后，得到稀土铜铁合金。
在本发明中，所述热轧优选为将所述合金铸锭在热轧温度进行均匀化处理，然后进行轧制。在本发明中，所述均匀化处理的时间优选为1～5h，更优选为3h。本发明通过进行均匀化处理，能够使合金中的化学成分变得更加均匀，为后续热轧处理打下基础。
在本发明中，所述热轧的温度优选为850～950℃，更优选为900℃;所述热轧的总变形量优选为20～50%，更优选为30～40%。本发明通过进行热轧工艺，可破碎合金内部的Fe相枝晶，使其转变为细小的颗粒状组织，有利于后续变形过程中的组织细化和显微增强相的形成。
本发明对所述热轧的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的设备即可。在本发明中，所述热轧的设备优选为热轧机。
热轧完成后，本发明优选将所述热轧的产物不经冷却直接加热至固溶处理的保温温度。
在本发明中，所述固溶处理的保温温度优选为900～1100℃，更优选为920～1000℃，最优选为950℃;所述固溶处理的保温时间优选为10～200min，更优选为50～190min，最优选为180min。本发明通过进行固溶处理，能够使Fe相在Cu基体中充分溶解，增强合金的塑性，有利于后续的冷轧和时效处理。
本发明对所述固溶处理的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的设备即可。在本发明中，所述固溶处理的设备优选为热处理炉。
在本发明中，所述固溶处理的冷却方式优选为淬火冷却。本发明对所述淬火冷却的具体操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的淬火冷却工艺即可。
在本发明中，所述冷轧的总变形量优选为60～90%，更优选为80%。本发明对所述冷轧的工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷轧工艺即可。本发明通过冷轧工艺能够使合金中的Fe相逐渐细并形成定向排列的纤维增强相。
在本发明中，所述时效处理的保温温度优选为400～600℃，更优选为500℃;时效处理的保温时间优选为1～24h，更优选为5～20h，更优选为10～15h。本发明通过时效处理能够对最终变形合金的综合性能进行调控，以获得高强高导Cu-Fe合金。
时效处理完成后，本发明优选将所述时效处理的产物不经冷却，直接在时效处理的保温温度下进行终轧。在本发明中，所述终轧的总变形量优选为30～60%，更优选为50%。本发明对所述终轧的工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的轧制工艺即可。本发明通过控制终轧的温度和总变形量，能够调控合金中的晶粒尺寸和晶相组织，使合金具有优异的机械性能。
终轧结束后，本发明优选对所述终轧的产物进行冷却，得到稀土铜铁合金。在本发明中，所述冷却的终点温度优选为室温。本发明对所述冷却的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的合金冷却工艺即可。
在本发明的实施例中，所述稀土铜铁合金的制备方法的流程优选如图1所示，首先进行原料准备和配料，将配好的原料依次进行熔炼、浇铸得到合金铸锭，然后将合金铸锭依次进行热轧固溶处理、冷轧、时效处理和终轧，得到稀土铜铁合金。
本发明提供的制备方法为熔铸法，制备工艺简单，成本低，适于工业大规模生产，从而是实现稀土铜铁合金在强磁场磁铁线圈、大规模集成电路引线框架及高速电气机车架空导线等方面的广泛应用。
本发明还提供了上述技术方案所述稀土铜铁合金或上述技术方案所述制备方法制备的稀土铜铁合金在电子、机电、航空和航天领域中的应用。在本发明中，所述电子、机电、航空和航天领域优选为强磁场磁铁线圈、大规模集成电路引线框架及高速电气机车架空导线。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的组成为0.05%的Ce，14%的Fe和85.95%的Cu。
制备方法如下：
(1)配料：将质量百分比为85%电解铜、14%纯铁和1%铜稀土中间合金(Cu-5wt%Ce)配置成合金成分;
(2)熔炼：先将电解铜和纯铁混合后放入中频电磁感应炉中，按照常规Cu-Fe系材料冶炼工艺进行熔炼，熔化后熔炼20min，然后加入铜稀土中间合金，熔炼3min，在1300℃范围内浇铸到石墨模具中，经剥皮后得到合金铸锭;
(3)热轧：将合金铸锭加热到900℃区间进行均匀化处理，保温3h，然后在900℃的温度下进行总变形量为50%的热轧。
(4)固溶处理：将热轧后的产物装入热处理炉中，在950℃下保温180min，然后进行淬火冷却;
(5)冷轧：将固溶处理后的产物进行总变形量为80%的轧制;
(6)时效处理：将冷轧后的产物升温至500℃，保温1h;
(7)终轧：将时效处理后的产物在500℃进行总变形量为60%的轧制后，得到稀土铜铁合金。
实施例2
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的组成为0.1%的Ce，14%的Fe和85.9%的Cu。
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的原料为14%的纯铁，84%电解铜和2%铜稀土中间合金(Cu-5wt%Ce)。
制备方法与实施例1相同。
实施例3
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的组成为0.2%的Ce，14%的Fe和85.8%的Cu。
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的原料为14%的纯铁，82%电解铜和4%铜稀土中间合金(Cu-5wt%Ce)。
制备方法与实施例1相同。
实施例4
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的组成为0.2%的Ce，14%的Fe和85.8%的Cu。
按照质量百分比计，稀土铜铁合金的原料为14%的纯铁，82%电解铜和4%铜稀土中间合金(Cu-5wt%Ce)。
制备方法中步骤(6)时效处理的温度为450℃，其余步骤与实施例3相同。
对比例1
按照质量百分比计，铜铁合金的组成为14%的Fe和86%的Cu。
制备方法如下：
(1)配料：将质量百分比为86%电解铜和14%纯铁配置成合金成分;
(2)熔炼：先将电解铜和纯铁混合后放入中频电磁感应炉中，按照常规Cu-Fe系材料冶炼工艺进行熔炼，熔化后熔炼20min，在1300℃范围内浇铸到石墨模具中，经剥皮后得到合金铸锭;
(3)热轧：将合金铸锭加热到900℃区间进行均匀化处理，保温3h，然后进行总变形量为50%的轧制。
(4)固溶处理：将热轧后的产物装入热处理炉中，在950℃下保温90min，然后进行淬火冷却;
(5)冷轧：将固溶处理后的产物进行总变形量为80%的轧制;
(6)时效处理：将冷轧后的产物升温至500℃，保温1h;
(7)终轧：将时效处理后的产物在500℃进行总变形量为60%的轧制后，得到铜铁合金。
对实施例1～4制备的稀土铜铁合金与对比例1制备的铜铁合金进行性能检测，结果如表1所示。
表1实施例1～4制备的稀土铜铁合金与对比例1制备的铜铁合金的性能参数
合金成分抗拉强度(MPa)延伸率(%)导电率(%IACS)实施例17783.058实施例28003.262实施例38253.160实施例47682.956对比例17602.855
由表1可知，实施例1～4制备的稀土铜铁合金与对比例1制备的铜铁合金相比，具有优异的力学性能和导电性能，稀土铜铁合金的电导率达到56%IACS以上，抗拉强度达到768MPa以上，延伸率达到2.9%以上，能够在强磁场磁铁线圈、大规模集成电路引线框架及高速电气机车架空导线等方面进行广泛的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
