CN101705386B - 一种铜镍锰铁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种铜镍锰铁合金，按质量百分比，由以下组分组成：Ni：19％-21％，Mn：20％-22％，Fe：4％-5％，Ti：0％-1.5％，余量为Cu，各组分的质量百分比之和为100％。制备该合金的方法，按照以上比例称取合金材料，将称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4-6小时；将混合后的合金粉末装进坩埚，将称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入真空高温烧结炉内按照熔炼工艺进行熔炼，得到合金体；将合金体依次进行固溶处理和时效处理，得到本发明铜镍锰铁合金。本发明铜镍锰铁合金及其制备方法，解决了现有的铜镍锰铁合金铸态组织中树枝晶粗大且不均匀、组织不致密和成分偏析，不能满足在高温工作环境下正常工作而不发生组织转变的问题。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，涉及一种多元铜合金材料，具体涉及一种铜镍锰铁合金，本发明还涉及该铜镍锰铁合金的制备方法。
背景技术
铜及铜合金具有足够的机械性能，由于其具有良好的耐蚀性、导电导热性、无磁性和对水中微生物及藻类的防污性等一系列特殊性能，再加上便于铸造、易于塑性加工和良好的可焊性等工艺性能和极易回收利用的优良特征，它被广泛应用于各种电焊电极、电气工程开关的触头、发动机的集电环、电枢、转子、电力火车空架导线等环境中。自从20世纪中期，已成为现代工业的重要材料。
纯铜中加入适量的镍、锰、铁元素形成的新型铜镍锰铁合金是一种结构合金，有着许多优良的性能特别是足够的综合力学性能，在400℃的温度下仍然具有接近铍青铜的室温性能，但现有的铜镍锰合金作为结构材料，由于其铸态组织中树枝晶粗大且不均匀、组织不致密和成分偏析等缺陷，不能提供高的力学性能，不能满足在高温工作环境下正常工作而不发生组织转变。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜镍锰铁合金，解决了现有的铜镍锰铁合金铸态组织中树枝晶粗大且不均匀、组织不致密和成分偏析，不能满足在高温工作环境下正常工作而不发生组织转变的问题。
本发明的另一目的是提供一种制备上述铜镍锰铁合金的方法。
本发明所采用的技术方案是：一种铜镍锰铁合金，按照质量百分比，由以下组分组成：Ni：19％-21％，Mn：20％-22％，Fe：4％-5％，Ti：0％-1.5％，余量为Cu，各组分的质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是：一种制备铜镍锰铁合金的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量百分比称取19％-21％的Ni粉，20％-22％的Mn粉，4％-5％的Fe粉，0％-1.5％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将上步称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4-6小时；
步骤3：将上步得到的混合后的合金粉末装进坩埚，将步骤1称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入真空高温烧结炉内按照熔炼工艺进行熔炼，得到合金体；
步骤4：将上步得到的合金体依次进行固溶处理和时效处理，得到本发明铜镍锰铁合金
本发明的特点还在于，
其中步骤3中的熔炼工艺为：温度先在40分钟-60分钟内由室温升至900℃-1100℃，再在20分钟-40分钟内由900℃-1100℃升至1200℃-1300℃，保温60分钟-120分钟后开始降温，在40分钟-80分钟内温度由1200℃-1300℃降至900℃-1000℃，然后随炉冷却至室温。
其中步骤3中熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下。
其中步骤4中的固溶处理，固溶温度为500℃-580℃，保温时间为30min-90min，冷却方式为水冷。
其中步骤4中的时效处理，时效温度为430℃-500℃，保温时间为48h-72h，冷却方式为空冷。
本发明的有益效果是，添加变质剂钛对铜镍锰铁合金在真空炉内进行变质处理，可以细化铜镍锰铁合金中的树枝晶，起到细晶强化的作用；通过对铸态铜镍锰铁合金进行“固溶+时效”处理，可以起到析出相强化的作用，得到高性能铜镍锰铁多元合金。
附图说明
图1为不添加变质剂的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图；
图2为本发明实施例1制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图；
图3为本发明实施例2制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图；
图4为本发明实施例3制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图；
图5为本发明实施例4制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明铜镍锰铁合金，按照质量百分比，由以下组分组成：
Ni：19％-21％，Mn：20％-22％，Fe：4％-5％，Ti：0％-1.5％，余量为Cu，各组分的质量百分比之和为100％。
本发明制备铜镍锰铁合金的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量百分比称取19％-21％的Ni粉，20％-22％的Mn粉，4％-5％的Fe粉，0％-1.5％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；
步骤2：将上步称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料机内混料4-6小时；
步骤3：将上步得到的混合后的合金粉末装进坩埚，将步骤1称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉内熔炼，熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下，熔炼工艺为：温度先在40分钟-60分钟内由室温升至900℃-1100℃，再在20分钟-40分钟内由900℃-1100℃升至1200℃-1300℃，保温60分钟-120分钟后开始降温，在40分钟-80分钟内由1200℃-1300℃降至900℃-1000℃，然后随炉冷却至室温，得到合金体；
步骤4：将上步得到的合金体在SX-10-12型热处理炉中依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理时，固溶温度为500℃-580℃，保温时间为30min-90min，冷却方式为水冷；时效处理时，时效温度为430℃-500℃，保温时间为48h-72h，冷却方式为空冷。得到本发明铜镍锰铁合金。
本发明铜镍锰铁合金性能与普通铜镍锰铁合金性能相比，
(1)密度：普通铜镍锰铁合金密度为8.04g/cm3，本发明铜镍锰铁合金密度为8.0g/cm3。
(2)硬度：普通铜镍锰铁合金的硬度为HB110-130，本发明铜镍锰铁合金硬度为HB330-375。
(3)强度：普通铜镍锰铁合金的强度为300-500MPa，本发明铜镍锰铁合金强度为800-1200Mpa。
(4)耐腐蚀性：本发明铜镍锰铁合金在模拟海水中的腐蚀速率为0.01395mm/a，根据我国耐蚀性标准，其耐蚀性评价为优良，级别为1级，是一种很好的耐海水腐蚀材料；在浓硫酸中腐蚀速率为0.2156mm/a，其耐蚀性评价为良好；在8％(Wt)Na2S溶液中腐蚀速率为0.0163mm/a，耐蚀性评价为优良，级别为1级。
(5)耐磨性：在载荷20N及速度0.60m/s室温煤油润滑的条件下，对本发明铜镍锰铁合金摩擦30min后摩擦失重量为74.8mg(与30CrMnSi对磨)，磨损率ω为4.26×10-4mm3/(m·N)。
(6)热膨胀性(20℃-00℃)：普通铜镍锰铁合金的线膨胀率为20.9×10-6/℃，本发明铜镍锰铁合金的线膨胀率为17.5×10-6/℃。
实施例1
按照质量百分比称取19％的Ni粉，20％的Mn粉，4％的Fe粉，0.5％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；将称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料机内混料4小时；将混合后的合金粉末装进坩埚，将称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉内熔炼，熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下，熔炼工艺为：温度先在40分钟内由室温升至900℃，再在20分钟内由900℃升至1200℃，保温60分钟后开始降温，在40分钟内由1200℃降至900℃，然后随炉冷却至室温，得到合金体；将合金体在SX-10-12型热处理炉中依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理时，固溶温度为500℃，保温时间为30min，冷却方式为水冷；时效处理时，时效温度为430℃，保温时间为48h，冷却方式为空冷，得到本发明铜镍锰铁合金。
实施例2
按照质量百分比称取21％的Ni粉，22％的Mn粉，5％的Fe粉，0.75％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；将称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料机内混料6小时；将混合后的合金粉末装进坩埚，将称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉内熔炼，熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下，熔炼工艺为：温度先在60分钟内由室温升至1100℃，再在40分钟内由1100℃升至1300℃，保温120分钟后开始降温，在80分钟内由1300℃降至1000℃，然后随炉冷却至室温，得到合金体；将合金体在SX-10-12型热处理炉中依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理时，固溶温度为580℃，保温时间为90min，冷却方式为水冷；时效处理时，时效温度为500℃，保温时间为72h，冷却方式为空冷，得到本发明铜镍锰铁合金。
实施例3
按照质量百分比称取20％的Ni粉，21％的Mn粉，4.5％的Fe粉，1.0％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；将称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料机内混料5小时；将混合后的合金粉末装进坩埚，将称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉内熔炼，熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下，熔炼工艺为：温度先在50分钟内由室温升至1000℃，再在30分钟内由1000℃升至1250℃，保温100分钟后开始降温，在60分钟内由1250℃降至950℃，然后随炉冷却至室温，得到合金体；将合金体在SX-10-12型热处理炉中依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理时，固溶温度为550℃，保温时间为60min，冷却方式为水冷；时效处理时，时效温度为450℃，保温时间为60h，冷却方式为空冷，得到本发明铜镍锰铁合金。
实施例4
按照质量百分比称取21％的Ni粉，20％的Mn粉，4％的Fe粉，1.5％的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100％；将称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料机内混料4-6小时；将混合后的合金粉末装进坩埚，将称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入ZRS-18Q型微机程控真空高温烧结炉内熔炼，熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下，熔炼工艺为：温度先在45分钟内由室温升至980℃，再在35分钟内由980℃升至1230℃，保温100分钟后开始降温，在60分钟内由1230℃降至910℃，然后随炉冷却至室温，得到合金体；将合金体在SX-10-12型热处理炉中依次进行固溶处理和时效处理，固溶处理时，固溶温度为560℃，保温时间为80min，冷却方式为水冷；时效处理时，时效温度为490℃，保温时间为70h，冷却方式为空冷，得到本发明铜镍锰铁合金。
表1不添加变质剂的铜镍锰铁合金组织和本发明实施例中制备的铜镍锰铁合金组织的二次枝晶间距对比表
| Ti含量(wt％) | 0 | 0.5 | 0.75 | 1.0 | 1.5 |
| 二次枝晶间距(d/μm) | 153.710 | 118.921 | 69.139 | 69.628 | 74.279 |
图1为不添加变质剂的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图，图2为实施例1制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图，图3为实施例2制备得到的铜镍锰铁合金中的树枝晶形貌组织图，图4为实施例3制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图，图5为实施例4制备得到的铜镍锰铁合金组织中的树枝晶形貌图，表1为不添加变质剂的铜镍锰铁合金组织和本发明实施例中制备的铜镍锰铁合金组织的二次枝晶间距对比表，从图1、图2、图3图4和表1中可以看出，Ti元素的添加量在0-1.5wt％范围内时，随着Ti元素的添加量的增加，CuNiMnFe合金枝晶组织开始细化，二次枝晶间距减小，在未添加Ti元素时，一次枝晶异常发达，二次枝晶也非常粗大，甚至产生了三次枝晶，二次枝晶间距达到了153.710mm，当添加Ti元素后，组织开始细化，当Ti的添加量达到0.75-1.00wt％之间时，枝晶组织细化效果最为明显，二次枝晶间距缩短至69.139-69.628mm之间；当Ti元素的添加量超过1.0wt％时，枝晶组织又有向粗大方向长大趋势。
本发明铜镍锰铁合金及其制备方法，添加变质剂钛对铜镍锰铁合金在真空炉内进行变质处理，可以细化铜镍锰铁合金中的树枝晶，起到细晶强化的作用；通过对铸态铜镍锰铁合金进行“固溶+时效”处理，可以起到析出相强化的作用，得到高性能铜镍锰铁多元合金。
Claims (6)
1. 一种铜镍锰铁合金，其特征在于，按照质量百分比，由以下组分组成：Ni：19%-21％，Mn：20％-22％，Fe：4%-5％，Ti：0.75％-1.0%，余量为Cu，各组分的质量百分比之和为100%。
2. 一种制备权利要求1所述的铜镍锰铁合金的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：按照质量百分比称取19%-21％的Ni粉，20％-22％的Mn粉，4%-5％的Fe粉，0.75％-1.0%的Ti粉，余量为铜棒，各组分的质量百分比之和为100%；
步骤2：将上步称取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4-6小时；
步骤3：将上步得到的混合后的合金粉末装进坩埚，将步骤1称取的铜棒放在坩埚内的混合粉末上，将装有铜棒及混合粉末的坩埚放入真空高温烧结炉内按照熔炼工艺进行熔炼，得到合金体；
步骤4：将上步得到的合金体依次进行固溶处理和时效处理，得到上述铜镍锰铁合金。
3. 根据权利要求2所述的制备铜镍锰铁合金的方法，其特征在于，所述步骤3中的熔炼工艺为：温度先在40分钟-60分钟内由室温升至900℃-1100℃，再在20分钟-40分钟内由900℃-1100℃升至1200℃-1300℃，保温60分钟-120分钟后开始降温，在40分钟-80分钟内温度由1200℃-1300℃降至900℃-1000℃，然后随炉冷却至室温。
4. 按照权利要求2所述的制备铜镍锰铁合金的方法，其特征在于，所述步骤3中熔炼时真空度保持在6.0×10-1Pa以下。
5. 按照权利要求2所述的制备铜镍锰铁合金的方法，其特征在于，所述步骤4中的固溶处理，固溶温度为500℃-580℃，保温时间为30min-90min，冷却方式为水冷。
6. 按照权利要求2所述的制备铜镍锰铁合金的方法，其特征在于，所述步骤4中的时效处理，时效温度为430℃-500℃，保温时间为48h-72h，冷却方式为空冷。
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