CN107059073A - 一种铜铁合金‑低碳钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种铜铁合金‑低碳钢复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜铁合金‑低碳钢复合材料及其制备方法，涉及金属复合材料领域。本发明提供的铜铁合金‑低碳钢复合材料包括：低碳钢基体和复合在低碳钢表面的铜铁合金层，铜铁合金层厚度为50‑120μm；在铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，Cu的含量呈梯度升高，Fe的含量呈梯度降低。本发明所制备的铜铁合金‑低碳钢复合材料中，铜铁合金层与低碳钢基体呈冶金梯度结合，结合牢固；复合材料表面的铜含量可控，耐腐蚀性优良，具有铜铁合金和低碳钢的综合特性。

Description

一种铜铁合金-低碳钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料领域，更具体的涉及一种铜铁合金-低碳钢复合材料及其制备方法。
背景技术
碳钢具有成本低，冶炼性和工艺性强等优势，在众多领域广泛的应用。然而，新兴领域对碳钢的硬度、耐腐蚀性和韧性提出了更高的要求。因此，研制性能优良的合金钢成为碳钢发展的主要趋势。铜铁合金材料是一种在铁(碳钢)中加入铜而制备成的材料，因其具有极佳的成型性、卓越力学性能、优良的导电导磁能力、耐腐蚀性和耐磨性等优点，在众多领域中得以应用。然而，铜铁合金中铜含量往往较高，会造成大量金属铜的消耗，成本高昂，限制了铜铁合金的广泛应用。并且在制备铜铁合金材料上也存在不足，如机械合金化法制取铜铁合金粉易受到球磨机、球磨介质污染以及氧化作用而带入杂质元素，影响合金性能，球磨过程中温度难以控制易引起铁在铜中溶解，影响合金导电性，电镀法制备铜铁合金难以控制合金成分，且镀层较薄，镀层的质量和与基体结合力难以保证。目前尚无铜铁合金-低碳钢复合材料及其制备方法。
发明内容
本发明提供一种铜铁合金-低碳钢复合材料及其制备方法，使得铜铁合金和低碳钢形成梯度连接，具有铜含量可控，材料耐腐蚀性好等综合优良性能。
本发明提供的铜铁合金-低碳钢复合材料，包括低碳钢基体和复合在低碳钢基体表面的铜铁合金层；所述铜铁合金层的厚度为50-120μm；铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，铜含量呈梯度升高，铁含量呈梯度降低。
优选的，低碳钢基体的碳含量为0.15％。
本发明同时提供了上述铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、对低碳钢板进行预处理：
将低碳钢板用砂纸打磨后，浸泡于盐酸与无水乙醇的混合溶液，浸泡时间1-3min，然后再浸入温度40-60℃的NaOH溶液中，浸泡时间10-15min，然后对NaOH溶液浸泡过的低碳钢板进行超声清洗5-10min，再使用无水乙醇进行冲洗，经干燥处理后备用；
步骤2、对低碳钢板进行镀铜处理：
以步骤1处理后的低碳钢板作为阴极，以铜板作为阳极，使用CuSO4、NaHCO3、KNO3、柠檬酸钠和酒石酸钾钠的混合液作为电镀液，然后进行电镀，电镀时间30-40min，然后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀铜低碳钢板；
步骤3、对镀铜低碳钢板进行扩散处理：
将步骤2所得到的镀铜低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到950℃-1050℃，将镀铜低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为180-360min，恒温扩散达到预定时间后，将镀铜低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀铜低碳钢板，得到层状复合结构的铜铁合金-低碳钢复合材料。
优选的，在步骤1中，盐酸与无水乙醇的混合溶液是以盐酸与无水乙醇按体积比1:5配制而成，盐酸与无水乙醇的混合溶液配制所用的盐酸浓度为12mol/L；所用NaOH溶液的浓度为5％。
优选的，在步骤2中，所用电镀液由如下含量的组分组成：30g/L CuSO4，20g/LNaHCO3，8g/L KNO3，147g/L柠檬酸钠，45g/L酒石酸钾钠，溶剂为水。
优选的，步骤2中使用的铜板为纯铜板。
优选的，步骤2中电镀温度为70℃，镀液pH＝11，阴极电流密度为50mA·cm-2。
优选的，步骤2中采用双向脉冲给电进行镀铜。
优选的，步骤3中对镀铜低碳钢板进行扩散处理时，采用氩气进行保护。
优选的，步骤3中对镀铜低碳钢板进行扩散处理时，炉温为950℃-1050℃。
本发明具有如下有益效果：
本发明以低碳钢为基体，在高温下使铜向低碳钢基体中扩散，得到在基体外层厚度约为50-120μm的铜合金层，其中，铜铁合金层中由内到外呈现铜含量逐渐升高，铁含量逐渐降低的梯度状态，采用水溶液电镀的方法提供铜扩散源并实现扩散的金属铜与低碳钢之间紧密结合，降低铜在低碳钢中的扩散阻力，提高扩散速度；采用较高的扩散温度，加速铜铁合金层的增厚，铜的扩散进入使碳钢晶粒得到明显细化，随表面铜含量的升高材料的耐腐蚀性增强，铜铁合金与低碳钢呈梯度连接，结合牢固，复合材料表面结构致密，铜含量可控，耐腐蚀性好，具有铜铁合金和低碳钢的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的铜铁合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图2为本发明实施例2制备的铜铁合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图3为本发明实施例3制备的铜铁合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图4为本发明实施例1制备的铜铁合金-低碳钢复合材料金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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
本发明实施例1提供一种铜铁合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铜铁合金层，铜铁合金层的厚度为50μm，铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、对低碳钢板进行预处理：
首先，以长、宽均为25mm，厚度1mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.15％的低碳钢，将低碳钢板依次使用320-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用体积比为1:5的盐酸(浓度12mol/L)和无水乙醇的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，将在盐酸无水乙醇混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为5％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后将在NaOH溶液中浸泡过的低碳钢板在超声波清洗器中使用去离子水清洗5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用无水乙醇对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将无水乙醇冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板进行镀铜处理：
将步骤1中处理后的低碳钢板作为阴极，纯铜板作为阳极，使用CuSO4、NaHCO3、KNO3、柠檬酸钠和酒石酸钾钠的混合液作为电镀液，所用电镀液由如下含量的组分组成：30g/L CuSO4，20g/L NaHCO3，8g/L KNO3，147g/L柠檬酸钠，45g/L酒石酸钾钠，溶剂为水；控制电镀温度为70℃，镀液pH＝11，阴极电流密度为50mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀30min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀铜低碳钢板。
步骤3、对镀铜低碳钢板进行扩散处理：
将步骤2中得到的镀铜低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到950℃，将镀铜低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为180min，恒温扩散达到预定时间后，将镀铜低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀铜低碳钢板，得到层状复合结构的铜铁合金-低碳钢复合材料。
如图1所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铜铁合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.360V。对铜铁合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面铜含量为100％。所制备的铜铁合金-低碳钢复合材料的金相图如图4所示，从图4中可以看出，采用本发明的制备方法成功的制备出了铜铁合金-低碳钢复合材料，而且界面结合良好。
实施例2
本发明实施例2提供一种铜铁合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铜铁合金层，铜铁合金层的厚度为90μm，铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、对低碳钢板进行预处理：
首先，以长、宽均为25mm，厚度1mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.15％的低碳钢，将低碳钢板依次使用320-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用体积比为1:5的盐酸(浓度12mol/L)和无水乙醇的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，将在盐酸无水乙醇混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为5％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后将在NaOH溶液中浸泡过的低碳钢板在超声波清洗器中使用去离子水清洗5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用无水乙醇对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将无水乙醇冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板进行镀铜处理：
将步骤1中处理后的低碳钢板作为阴极，纯铜板作为阳极，使用CuSO4、NaHCO3、KNO3、柠檬酸钠和酒石酸钾钠的混合液作为电镀液，所用电镀液由如下含量的组分组成：30g/L CuSO4，20g/L NaHCO3，8g/L KNO3，147g/L柠檬酸钠，45g/L酒石酸钾钠，溶剂为水；控制电镀温度为70℃，镀液pH＝11，阴极电流密度为50mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀35min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀铜低碳钢板。
步骤3、对镀铜低碳钢板进行扩散处理：
将步骤2中得到的镀铜低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到1000℃，将镀铜低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为240min，恒温扩散达到预定时间后，将镀铜低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀铜低碳钢板，得到层状复合结构的铜铁合金-低碳钢复合材料。
如图2所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铜铁合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.391V。对铜铁合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面铜含量为80％。
实施例3
本发明实施例3提供一种铜铁合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铜铁合金层，铜铁合金层的厚度为120μm，铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、对低碳钢板进行预处理：
首先，以长、宽均为25mm，厚度1mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.15％的低碳钢，将低碳钢板依次使用320-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用体积比为1:5的盐酸(浓度12mol/L)和无水乙醇的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，将在盐酸无水乙醇混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为5％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后将在NaOH溶液中浸泡过的低碳钢板在超声波清洗器中使用去离子水清洗5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用无水乙醇对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将无水乙醇冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板进行镀铜处理：
将步骤1中处理后的低碳钢板作为阴极，纯铜板作为阳极，使用CuSO4、NaHCO3、KNO3、柠檬酸钠和酒石酸钾钠的混合液作为电镀液，所用电镀液由如下含量的组分组成：30g/L CuSO4，20g/L NaHCO3，8g/L KNO3，147g/L柠檬酸钠，45g/L酒石酸钾钠，溶剂为水；控制电镀温度为70℃，镀液pH＝11，阴极电流密度为50mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀40min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀铜低碳钢板。
步骤3、对镀铜低碳钢板进行扩散处理：
将步骤2中得到的镀铜低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到1050℃，将镀铜低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为360min，恒温扩散达到预定时间后，将镀铜低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀铜低碳钢板，得到层状复合结构的铜铁合金-低碳钢复合材料。
如图3所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铜铁合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.520V。对铜铁合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层Cu含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面铜含量为40％。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种铜铁合金-低碳钢复合材料，其特征在于，包括低碳钢基体和复合在低碳钢基体表面的铜铁合金层；所述铜铁合金层的厚度为50-120μm；铜铁合金层中，由低碳钢基体向铜铁合金层方向，铜含量呈梯度升高，铁含量呈梯度降低。
2.根据权利要求1所述的一种铜铁合金-低碳钢复合材料，其特征在于，所述低碳钢基体的碳含量为0.15％。
3.一种如权利要求1-2任一所述铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对低碳钢板进行预处理：
将低碳钢板用砂纸打磨后，浸泡于盐酸与无水乙醇的混合溶液，浸泡时间1-3min，然后再浸入温度40-60℃的NaOH溶液中，浸泡时间10-15min，然后对NaOH溶液浸泡过的低碳钢板进行超声清洗5-10min，再使用无水乙醇进行冲洗，经干燥处理后备用；
步骤2、对低碳钢板进行镀铜处理：
以步骤1处理后的低碳钢板作为阴极，以铜板作为阳极，使用CuSO4、NaHCO3、KNO3、柠檬酸钠和酒石酸钾钠的混合液作为电镀液，然后进行电镀，电镀时间30-40min，然后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀铜低碳钢板；
步骤3、对镀铜低碳钢板进行扩散处理：
将步骤2所得到的镀铜低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到950℃-1050℃，将镀铜低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为180-360min，恒温扩散达到预定时间后，将镀铜低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀铜低碳钢板，得到层状复合结构的铜铁合金-低碳钢复合材料。
4.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1中，盐酸与无水乙醇的混合溶液是以盐酸与无水乙醇按体积比1:5配制而成，盐酸与无水乙醇的混合溶液配制所用的盐酸浓度为12mol/L；所用NaOH溶液的浓度为5％。
5.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤2中，所用电镀液由如下含量的组分组成：30g/L CuSO4，20g/L NaHCO3，8g/L KNO3，147g/L柠檬酸钠，45g/L酒石酸钾钠，溶剂为水。
6.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中使用的铜板为纯铜板。
7.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中电镀温度为70℃，镀液pH＝11，阴极电流密度为50mA·cm-2。
8.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中采用双向脉冲给电进行镀铜。
9.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中对镀铜低碳钢板进行扩散处理时，采用氩气进行保护。
10.根据权利要求3所述的铜铁合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中对镀铜低碳钢板进行扩散处理时，炉温为950℃-1050℃。
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