CN102294462A

CN102294462A - 一种铜铁合金材料的快速凝固制备方法

Info

Publication number: CN102294462A
Application number: CN2011102882012A
Authority: CN
Inventors: 周志明; 黄伟九; 唐丽文; 肖志佩; 魏炳伟; 曹敏敏
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2011-12-28

Abstract

本发明公开了一种制备具有显微组织均匀，性能优良的铜铁合金材料的方法，该合金成分按照重量百分比计为：Cu：70-95wt.%，Fe：5-30wt.%，按照合金成分配料，放入真空吸铸熔炼炉中，将原料在惰性气氛保护下通过非自耗电弧熔炼熔化，待合金完全熔化后，通过负压将熔化的铜铁合金液吸铸到水冷铜模中，合金液在水冷铜模中快速凝固得到合金锭，将得到合金锭在400～550℃进行时效处理。本发明制备的铜铁合金材料的合金成分均匀，气体含量低，组织致密、Fe相细小，成分均匀、纯净度高，夹杂物少，是一种高质量、高性能的新型合金材料。

Description

一种铜铁合金材料的快速凝固制备方法

技术领域

本发明涉及一种快速凝固制备的铜合金，具体来说是提供一种利用真空吸铸技术结合时效处理生产高性能铜铁合金材料的方法。

背景技术

由Cu-Fe合金相图可知高温时Fe在Cu中有较高的溶解度，而低温时Fe在Cu中的溶解度很少，固溶在Cu基体中的Fe原子会降低合金的电导率，因此通过合适的时效处理使固溶的Fe原子析出来，从而实现其强度和电导率的良好结合。此外，Cu-Fe合金还表现出巨大的磁阻效应和特殊的物理性能。目前，Cu-Fe合金已经作为一种优良的触头、触桥和真空器件材料广泛应用于工业中。然而，由于该合金凝固过程中极易形成偏析严重的组织，其应用受到限制。快速凝固可以细化晶粒，增加固溶度，并且是抑制或减轻Cu-Fe合金在凝固过程形成偏析组织的有效途径，因此Cu-Fe合金的快速凝固行为研究越来越受到人们的重视。

目前，国内外生产CuFe合金主要有以下几种方法。

1．机械合金化法：机械合金化法制备Cu-Fe合金是将按一定比例混合的Cu粉和Fe粉在高能球磨机中长时间研磨，使金属粉末在频繁的碰撞过程中，其组织结构不断细化，最终达到原子级混合而实现合金化之目的。机械合金化制备的Cu-Fe合金由于粉末的致密性能差，成本比较高，球磨过程中容易带入杂质元素而降低材料的性能，球磨过程中氧化问题难以解决以及产物难以控制和预测。

2．真空感应熔炼法：将一定比例的铜块和铁块在中频真空感应熔炼炉中熔化去气，待完全熔化后浇入模具中。通常将真空感应熔炼法和形变时效结合起来提高铜铁合金的性能。通过形变将真空感应熔炼的铜铁合金树枝状的Fe相变形成纤维状的的Fe相。

3．气体雾化法：将一定比例的铜块和铁块在中频真空感应熔炼炉中熔化成预制合金锭后，将预制合金锭通过气体雾化法快速凝固制备铜铁合金块体材料。这种方法制备的铜铁合金由于熔化温度高，对坩埚嘴有特殊的要求。

4．落管法：将一定比例的铜块和铁块在中频真空感应熔炼炉中熔化成预制合金锭后，将预制合金锭在中频感应线圈中熔化后，通过气体雾化成铜铁合金小液滴，小液滴在落管中做自由落体运动，在下落过程中实现快速凝固。这种方法制备的铜铁合金与雾化法一样由于熔化温度高，对坩埚嘴有特殊的要求，并且落管快速凝固法制备的铜铁合金颗粒很小。

5、电磁悬浮熔炼法：将一定比例的铜块和铁块在中频真空感应熔炼炉中熔化成预制合金锭后，将预制合金锭在超音频感应线圈中，合金锭在交变电磁场的作用下悬浮起来并熔化，待熔化完毕后充入氦气等让铜铁合金液在悬浮状态下实现凝固。由于冷却速度相对较慢，电磁悬浮熔炼法制备的铜铁合金晶粒比雾化法和落管法制备的铜铁合金都要大。

发明内容

本发明针对现有技术中的CuFe合金的制备方法存在的上述不足，提供了一种铜铁合金材料的快速凝固制备方法。本发明的方法采用真空非自耗电弧熔炼和真空吸铸的双联制备技术，属于一种能制备高性能、低气体含量的快速凝固高性能铜铁合金材料的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明铜铁合金的快速凝固制备方法，相对现有技术，具有以下特点：本方法制备的铜铁合金材料成分均匀、气体含量低、夹杂物少，并通过结合时效处理，将过饱和固溶在Fe相中的Cu和Cu基体中的Fe分别弥散析出来，从而得到高性能的铜铁合金材料。

具体实施方式

本发明铜铁合金材料的快速凝固制备方法，其特征包括以下步骤：

（1）按照合金成分的工艺要求，按将铜金属和铁金属材料按照铁含量为5 wt％～30wt％的比例配样，对应的铜金属重量含量为70wt%～95wt%；铜金属与铁金属混合均匀；本发明的铜铁合金，其配方有若干个，如铜重量为71％，铁重量为29％；铜75％，铁重量为25％；铜78％，铁重量为22％；铜80％，铁重量为20％；铜83％，铁重量为17％；铜88％，铁重量为12％；铜90％，铁重量为10％；铜93％，铁重量为7％；铜95％，铁重量为5％等，都能满足本发明要求。

（2）在惰性气体保护下，将配制好的铜铁材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧熔炼；重复熔炼若干次，如反复3-5次；在重复熔炼过程中，需要时，将合金样品翻转，以增强熔炼效果；

在惰性气氛保护下熔化，能降低铜铁合金内夹杂的气体含量并使两者混合均匀，满足铜铁合金高性能、低气体含量的需要；

（3）将完全熔化的铜铁合金迅速熄弧，并打开真空阀门，利用负压的作用力，将熔化的铜铁合金液吸铸到水冷铜模中实现快速冷却凝固得到铜铁合金锭；

（4）将制备得到的铜铁合金锭进行时效处理，时效处理温度为400～550℃，时间为1～8h。根据铜铁合金锭不同的含量和性能要求，选择合适的时效处理温度和时间，提高铜铁合金锭的理化性能。常用的时效处理温度为400℃、410℃、450℃、460℃、480℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃等，常用的时效处理时间为1h、1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h、2.8h、3h、3.5h、3.8h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、6.8h、7h、7.5h、7.8h、8h等，都能满足工艺需要；

在真空非自耗电弧熔炼中，先抽真空，待真空度为2×10^-3～5×10^-4Pa后充入高纯氩气作为性保护气体，充入氩气后压力为0.2～0.7MPa。

在真空吸铸冷却过程中，采用铜模进行吸铸冷却凝固。铜铁合金是铜粉和铁粉或者铜块和铁块，按照上述比例配制；将按照比例配好的铜铁合金原材料通过真空非自耗电弧熔炼技术熔炼铜铬合金，利用真空的负压作用进行吸铸，铜铁合金液吸铸到铸模中实现快速冷却凝固。

实施例1：

取紫铜块与铁块重量比为80:20，放入真空吸铸熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空至1.2×10^-3Pa后充入高纯氩气至0.3MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至4Pa，接通真空非自耗电弧熔炼电源，调节输入电流至200A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金样品完全熔化后，熄弧并迅速打开真空吸铸真空室的阀门，熔化的铜铁合金液在负压的作用下吸铸到水冷铜模中快速冷却凝固得到铜铁合金锭。将上述快速凝固得到的合金锭在550℃时效3个小时，得到高性能的CuFe20合金材料。

实施例2：

取紫铜块、铁块，按照重量百分比为Cu：Fe＝85：15的比例配好，放入真空吸铸熔炼炉的水冷铜坩埚中，抽真空至9.0×10^-4Pa后充入高纯氩气至0.4MPa，并通过真空系统抽真空吸铸用真空室至5Pa，接通真空非自耗电弧熔炼电源，调节输入电流至210A，通过红外测温仪观察合金液的温度，待合金样品完全熔化后，熄弧并迅速打开真空吸铸真空室的阀门，熔化的铜铁合金液在负压的作用下吸铸到水冷铜模中快速冷却凝固得到铜铁合金锭。将上述快速凝固得到的合金锭在475℃时效4个小时，得到高性能的CuFe15合金材料。

Claims

1.一种铜铁合金材料的快速凝固制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）按照工艺要求，按将铜金属和铁金属材料按照铁含量为5 wt％～30wt％的比例配样，对应的铜金属重量含量为70wt%～95wt%；铜金属与铁金属混合均匀；

（2）在惰性气体保护下，将配制好的铜铁材料粉末或者块体通过真空非自耗电弧熔炼；重复熔炼若干次；

（4）将制备得到的铜铁合金锭进行时效处理，时效处理温度为400～550℃，时间为1~8h。

2.根据要求1所述铜铁合金材料的快速凝固制备方法，其特征在于：在真空非自耗电弧熔炼中，先抽真空，待真空度为2×10^-3～5×10^-4Pa后充入高纯氩气作为惰性保护气体，充入氩气后压力为0.2～0.7MPa。