CN108504892B - 铁铜合金棒材 - Google Patents

Abstract

铁铜合金棒材属于合金棒材技术领域，尤其涉及一种铁铜合金棒材。本发明提供一种高性能的铁铜合金棒材。本发明为铜基合金，其结构要点所添加元素为铁、混合稀土、锌、磷。

Description

铁铜合金棒材

技术领域

本发明属于合金棒材技术领域，尤其涉及一种铁铜合金棒材。

背景技术

近年来，随着轨道交通的迅速发展，特别是高铁事业的飞速发展，应用在这些行业的高端继电器需求越来越多，品质要求越来越好，因而对材料的要求越来越高，材料需具有维氏硬度达到135以上、导电率达到80%以上、良好焊接性以及800℃充氢环境下保持20分钟材料不腐蚀不变色且冷却后维氏硬度80以上等综合性能。发明本材料之前，我国现有继电器所用材料均为纯铜棒，该材料导电性虽好，但硬度低耐磨性较差，因此使用寿命较短，制约了高铁事业的发展，不利于国际市场竞争。

目前，从铜合金企业生产情况看，铬、锆铜系合金以及铁铜系合金，如C15000、C18150、C18200、C19200、C19400等，具有较高硬度及良好导电率。C18150、C18200两种合金制成棒材常用作电极材料，但在800℃充氢环境下保持20分钟材料变色；C19200、C19400常制作成带材作为引线框架材料，这两种材料虽在800℃充氢环境下保持20分钟材料变色，但不具有维氏硬度达到135以上、导电率达到80%以上的性能指标。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种高性能的铁铜合金棒材。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明为铜基合金，其结构要点所添加元素为铁、混合稀土、锌、磷。

作为一种优选方案，本发明所述铁质量含量为0.1-0.8%，磷质量含量为0.01-0.05%，锌质量含量不大于0.03%，混合稀土质量含量为0.005-0.03%，余量为铜。

作为另一种优选方案，本发明所述铁质量含量为0.5%，混合稀土质量含量为0.03%，锌质量含量为0.025%，磷质量含量为0.05%。

本发明有益效果。

经发明人研究发现，铁有细化晶粒作用，可提高基体机械性能、提高再结晶温度，铁在铜中固溶度随温度降低而减小，在一定温度时（比如759℃）铁在铜中固溶度0.6%，铁与磷形成化合物，高温时固溶于铜中，较低温时，该化合物可从铜固溶体中析出，使合金导电率提高。微量混合稀土金属能细化晶粒，提高合金机械性能和软化温度，对导电率影响较小；磷可做铜的脱氧剂，提高铜液流动性，改善焊接性，但降低导电率；因此，磷含量应小；微量锌固溶于铜中，提高工艺性能，对导电率影响不大。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1、2是本发明铁铜合金棒材的制备工艺流程图。

具体实施方式

本发明为铜基合金，所添加元素为铁、混合稀土、锌、磷。

所述铁质量含量为0.1-0.8%，磷质量含量为0.01-0.05%，锌质量含量不大于0.03%，混合稀土质量含量为0.005-0.03%，余量为铜。

本发明铁铜合金棒材导电率可达85%、维氏硬度可达140，同时具有良好焊接性，800℃充氢环境下保持20分钟不腐蚀不变色并且在其冷却后维氏硬度仍可达90以上。

所述铁质量含量为0.5%，混合稀土质量含量为0.03%，锌质量含量为0.025%，磷质量含量为0.05%。

如图所示，本发明铁铜合金棒材的制备方法包括以下步骤：

1）熔炼与铸造；

2）挤压与淬火；

3）拉伸与时效；

所述步骤1）熔炼与铸造包括以下步骤：

电解铜—装炉—加木炭覆盖—熔化—加铜铁中间合金、铜混合稀土中间合金—升温熔化—烫炉头－取样分析—加铜磷中间合金、金属锌—静置—取样分析、调整成分—烫炉头—铸造；使用前可将中间合金砸碎成小块，便于熔炼时熔化；

所述步骤2）挤压与淬火包括以下步骤：

铸锭—加热—挤压—淬火；

所述步骤3）拉伸与时效包括以下步骤：

挤压棒坯—拉伸—Ⅰ时效—拉伸—Ⅱ时效—拉伸。

所述步骤1）熔炼与铸造中选择带上下炉体、炉头结构的无芯感应炉。这种炉子密封性好。新打制炉子前期过度生产纯铜不低于3天，保证炉体充分干燥，然后再生产铁铜合金。

所述无芯感应炉采用型号为XVIF-600-0.3-2X1B-Cu的感应炉。

所述步骤1）熔炼与铸造中铸造步骤选择圆形结晶器，引锭头从铸锭出口方向伸入结晶器的1/3位置处。圆形结晶器便于后续棒材制作。引锭头从铸锭出口方向伸入结晶器大约的1/3位置处，保证结晶器内合金液不飞溅、液穴深度适中。

所述步骤1）熔炼与铸造中木炭使用前进行干流，封好待用。

所述步骤1）熔炼与铸造中投料包括金属铁、混合稀土、锌、磷，铁、混合稀土、磷分别做成铜-铁、铜-混合稀土、铜-磷中间合金。

所述金属铁按投料总量0.5%计算，混合稀土按总量0.03%计算，锌按总量0.025%计算，磷按总量0.05%计算；铁、混合稀土、磷分别做成铜-11%铁、铜-15%混合稀土、铜-10%磷中间合金。

所述步骤1）熔炼与铸造中炉内加Cu和木炭，木炭厚度为60mm，升温至1200～1250℃加入铜铁中间合金、铜混合稀土中间合金使之熔化，温度自然降低，3～5分钟再升温至1200～1250℃，这时倾动炉体使铜液流入炉头进行烫炉头10～15分钟，搅拌取样分析铁含量，Fe分析合格后加入铜磷中间合金、金属锌，再保温静置，取样分析磷元素含量，合格后保温准备铸造。

所述倾动炉体使铜液流入炉头进行烫炉头13分钟。

所述搅拌取样分析铁含量，视含量进行微调，保证铁在要求范围内。

所述铁的要求范围和Fe分析合格范围为总含量的0.1-0.8%，保温静置时间为5分钟，磷元素分析合格范围为总含量的0.01-0.05%。

所述步骤1）熔炼与铸造中铸造步骤包括以下步骤：

倾动炉体再烫炉头，让炉头充分预热后出炉浇铸，并调整铜合金液温度，倾动炉体使嵌入炉头的石墨管对准结晶器中心并垂直于结晶器水平面，打开限流阀，铜液经过阀门－石墨管路进入结晶器进行铸造；以烟灰覆盖结晶器内熔体表面。

所述倾动炉体再烫炉头10～15分钟，让炉头充分预热后出炉浇铸，并将铜合金液温度调整到1200～1250℃，这时倾动炉体使嵌入炉头的石墨管对准结晶器中心并垂直于结晶器水平面，打开限流阀，铜液经过阀门－石墨管路进入结晶器进行铸造，铜液在结晶器内高度为距结晶器上沿10～15mm并使石墨管浸入其中；以烟灰覆盖结晶器内熔体表面，铸造温度1200～1250℃，铸造速度1.1～1.3mm/s，铸造时冷却水压力为0.15～0.25MPa；铸造尺寸根据下道工序挤压加工的要求来确定。

所述铜液在结晶器内高度为距结晶器上沿103mm并使石墨管浸入其中。

所述步骤1）熔炼与铸造中铸造结束后，将铸锭吊出铸造井，切取试样分析化学成分，低倍检查内部质量，测量尺寸，检查表面质量，合格后根据需要切成齐尺铸锭，准备下道工序挤压使用。

所述步骤2）挤压与淬火中挤压生产前将模具充分预热，预热温度300-400℃，然后安装好，挤压工序产品加工率不低于85%；淬火温度800-850℃，利用挤出产品余热进行淬火，挤压、淬火在生产线上同时进行。

所述步骤2）挤压与淬火中将铸锭加热到800-850℃，送进挤压筒挤压成棒坯，棒坯尺寸根据下道工序拉伸加工的要求确定，挤压机前机架出口安装水槽，使棒坯挤出模孔后直接进入水槽中快速冷却，不必再次加热进行水冷淬火，水温是20-30℃，水槽中自动翻料系统将棒坯推出，切除头尾，检查棒坯表面及内部质量、尺寸，合格后转入拉伸工序。

所述步骤3）拉伸与时效中准备好拉伸模具，拉伸前安装好，拉伸道次加工率20-30%；Ⅰ时效工艺：加热450-550℃、保温3-5h；Ⅱ时效工艺：加热400-500℃、保温3-5h。

所述步骤3）拉伸与时效中拉伸前制作夹头，夹头穿过模孔，然后小车牵引夹头使整根棒材通过模孔得到所需尺寸棒坯，第一次拉伸结束再次拉伸前不切头尾，但对夹头重新处理使之尺寸变小，继续进行拉伸；时效前棒坯不切除头尾，直接装炉时效，保温结束后棒坯在炉内随炉缓慢冷却至200℃以下，然后快速冷却至常温，出炉。

本发明还包括步骤4）精整与检验，时效拉伸结束后，对棒坯进行齐尺锯切，锯切后校直，然后对表面质量、尺寸进行外观检验，同时切取试样进行导电率、布氏硬度、充氢800℃/20min试验，检测成品是否合格。

所述成品合格的条件为：导电率达到80%、维氏硬度135，800℃充氢环境下保持20分钟材料不腐蚀不变色并且冷却后维氏硬度达到80。

通过本发明制备方法制备的铁铜合金棒材尤其适用于继电器用含有一定量铁的铜合金棒材，解决高端继电器需求。

通过本发明制备方法制备的铁铜合金棒材具有高硬度、高导电率、高耐磨性、良好焊接性、800℃充氢环境下保持一定时间材料不腐蚀不变色以及冷却后仍有较高硬度等综合性能。

本发明制备方法操作性好、生产效率高、生产成本较低，并能形成工业化批量生产。

本发明拉伸与时效步骤设置Ⅱ时效，可有效改善产品的综合性能。

本发明工艺技术方案，无需特制设备，没有设备投资，可充分利用一般有色金属加工企业现有的上下结构感应熔炼炉、半连续铸造机、感应加热炉、挤压机、拉伸机、光亮退火炉，操作方便、清洁环保。

实施例1：

采用本发明生产铁铜合金∮16mm圆形棒

熔铸工序：新打制炉子前期过度生产不低于3天，然后熔铸铁铜合金，铸锭直径∮220mm；在熔炼时将结晶器安装好，结晶器尺寸为∮225mm。

挤压工序：挤压前将挤压工具预热到300-400℃，挤压出口处水封槽放好水；挤压棒坯直径∮35mm，挤压筒尺寸∮230mm，挤压模尺寸为∮35.5mm，挤压总变形为89.9%；

拉伸工序：拉伸模具分别为∮31.0mm、∮26.0mm、∮23.5mm、∮20.5mm、∮18mm、∮16mm，拉伸总变形量为79.1%。

（1）熔炼与铸造

操作流程：

电解铜—装炉—加干流木炭覆盖—熔化—加铜铁中间合金、铜混合稀土中间合金—升温熔化—烫炉头－取样分析－加铜磷中间合金、金属锌—静置5分钟—取样分析，调整成分—烫炉头—铸造

工艺控制条件：

a、配料计算

选择2t中频感应炉，总投料2000kg，其中金属铁按投料总量0.5%计算，需Cu-11%Fe中间合金91kg，磷按总投料量的0.05%计算，需Cu-10%P中间合金10kg，混合稀土金属按0.015%计算，需Cu-15%Re中间合金2kg，金属锌按0.025%计算，需锌0.5kg，余量为铜，重量1896.5kg；分别将中间合金砸碎成小块，便于熔炼时熔化。

b、熔炼

炉内加1896.5kg铜和干流木炭，木炭厚度60mm为宜，升温熔化至1200～1250℃，加入Ｃu-11%Fe合金91kg、Cu-15%Re中间合金2kg，温度略降， 约3～5分钟升温至1200～1250℃，这时倾动炉体使铜液流入炉头进行烫炉头（13分钟），搅拌取样分析铁含量（可视含量进行微调，使含铁量不低于0.3%），Fe分析合格后加入Ｃu-10%P合金10kg、锌0.5kg，保温5分钟左右，取样分析磷元素含量(炉前分析P要求不低于0.015%，否则进行补加磷），合格后保温准备铸造。

c、铸造

倾动炉体再次烫炉头，让炉头充分预热后方可出炉浇铸，并将铜合金液温度调整到1200～1250℃，这时倾动炉体使嵌入炉头的石墨管对准结晶器中心并垂直于结晶器（水平面），打开限流阀，铜液经过阀门－石墨管路进入结晶器进行铸造，铜液在结晶器内高度为距结晶器上沿13mm并使石墨管浸入其中。结晶器内以烟灰覆盖熔体表面，铸造温度1200～1250℃，铸造速度1.1～1.3mm/s，铸造时冷却水压力为0.15～0.25MPa。

d、检查与锯切

铸造结束后，将铸锭吊出铸造井，切取试样分析化学成分，低倍检查内部质量，测量尺寸，检查表面质量，合格后按规定长度锯切，准备下道工序加工使用。

（2）挤压与淬火

选择2500吨卧室挤压机生产，加热炉为工频感应炉；挤压生产。

前将模具预热至300-400℃，然后安装好；挤压出口水槽续好水。挤压工序产品加工率89.9%；淬火温度800-850℃，挤压、淬火在生产线上同时进行。

挤压操作流程：铸锭（∮220*400）—加热（800-850℃）—水封挤压（∮35）

a、挤压与淬火

将∮220mm*400mm铸锭加热到800-850℃，送进挤压筒挤压成∮35mm棒坯，棒坯挤出模孔后直接进入水槽中快速冷却，水温保持在20-30℃，在下一根产品挤出前水槽中自动翻料系统将棒坯推出，挤压、淬火完毕。

b、检查与锯切

按照下道工序要求将∮35mm棒坯切除头尾并进行中断，中断长度为3000mm，检查表面，合格后转入拉伸工序。

（3）拉伸与时效

选择20吨、10吨拉伸机进行拉伸，并准备好拉伸模具∮31.0mm、∮26.0mm、∮23.5mm、∮20.5mm、∮18mm、∮16mm拉伸模具，在拉伸前安装好模具；选择卧室光亮电加热炉进行退火时效。

拉伸操作流程：∮35—拉伸∮31—∮26—时效（450-550℃/3-5h）—拉伸∮23.5—拉伸∮20.5—时效（400-500℃/3-5h）—拉伸∮18—拉伸∮16。

拉伸时先对∮35mm棒坯制作夹头，然后将棒坯拉伸至∮31mm，之后在∮26mm、∮23.5mm、∮20.5mm、∮18mm、∮16mm拉伸前分别对夹头进行修理使尺寸变小，然后再进行拉伸，棒坯超过10000mm时进行中断；棒坯不必切除头尾，直接装炉时效，保温结束后棒坯在炉内随炉缓慢冷却至200℃以下，然后将炉胆推出快速冷却至常温，棒材出炉。

（4）精整与检验

a、精整

对∮16mm棒坯进行锯切，长度为2000mm-3000mm；锯切后棒坯校直处理，使直度达到1mm/mm。

c、检验

精整后的∮16mm棒坯需对表面、尺寸等进行外观检验，并切取试样进行布氏硬度、导电率，充氢800℃/20min试验以及冷却后维氏硬度试验，主要检验结果为：导电率86.6%、维氏硬度145、材料经充氢800℃/20min不腐蚀不变色以及冷却后维氏硬度97。

全部合格后将∮16mm棒材交付使用。

实施例2：

采用本发明生产铁铜合金∮18mm圆形棒

熔铸工序：新打制炉子前期过度生产不低于3天，然后熔铸铁铜合金，铸锭直径∮220mm；在熔炼时将结晶器安装好，结晶器尺寸为∮225mm。

挤压工序：挤压前将挤压工具预热到300-400℃，挤压出口处水封槽放好水；挤压棒坯直径∮38mm，挤压筒尺寸∮230mm，挤压模尺寸为∮38.5mm，棒坯尺寸∮38mm，挤压总变形为88.1%；

拉伸工序：拉伸模具分别为∮33.5mm、∮29mm、∮26mm、∮23.5mm、∮20.5mm、∮18mm，拉伸总变形量为77.6%。

（1）熔炼与铸造

操作流程：

电解铜—装炉—加干流木炭覆盖—熔化—加铜铁中间合金、铜稀土中间合金—升温熔化—烫炉头－取样分析－加铜磷中间合金、金属锌—静置5分钟—取样分析，调整成分—烫炉头—铸造

工艺控制条件：

a、配料计算

选择2t中频感应炉，总投料2000kg，其中金属铁按投料总量0.5%计算，需Cu-11%Fe中间合金91kg，磷按总投料量的0.05%计算，需Cu-10%P中间合金10kg，混合稀土金属按0.015%计算，需Cu-15%Re中间合金2kg，金属锌按0.025%计算，需锌0.5kg，余量为铜，重量1896.5kg；分别将中间合金砸碎成小块，便于熔炼时熔化。

b、熔炼

炉内加1896.5kg铜和干流木炭，木炭厚度60mm为宜，升温熔化至1200～1250℃，加入Ｃu-11%Fe合金91kg、Cu-15%Re中间合金2kg，温度略降， 约3～5分钟升温至1200～1250℃，这时倾动炉体使铜液流入炉头进行烫炉头（13分钟），搅拌取样分析铁含量（可视含量进行微调，使含铁量不低于0.3%），Fe分析合格后加入Ｃu-10%P合金10kg、锌0.5kg，保温5分钟左右，取样分析磷元素含量(炉前分析P要求不低于0.015%，否则进行补加磷），合格后保温准备铸造。

c、铸造

倾动炉体再次烫炉头，让炉头充分预热后方可出炉浇铸，并将铜合金液温度调整到1200～1250℃，这时倾动炉体使嵌入炉头的石墨管对准结晶器中心并垂直于结晶器（水平面），打开限流阀，铜液经过阀门－石墨管路进入结晶器进行铸造，铜液在结晶器内高度为距结晶器上沿13mm并使石墨管浸入其中。结晶器内以烟灰覆盖熔体表面，铸造温度1200～1250℃，铸造速度1.1～1.3mm/s，铸造时冷却水压力为0.15～0.25MPa。

d、检查与锯切

铸造结束后，将铸锭吊出铸造井，切取试样分析化学成分，低倍检查内部质量，测量尺寸，检查表面质量，合格后按规定长度锯切，准备下道工序加工使用。

（2）挤压与淬火

选择2500吨卧室挤压机生产，加热炉为工频感应炉；挤压生产前将模具预热至300-400℃，然后安装好；挤压出口水槽续好水。挤压工序产品加工率88.1%；淬火温度800-850℃，挤压、淬火在生产线上同时进行。

挤压操作流程：铸锭（∮220*400）—加热（800-850℃）—水封挤压（∮38）

d、挤压与淬火

将∮220mm*400mm铸锭加热到800-850℃，送进挤压筒挤压成∮38mm棒坯，棒坯挤出模孔后直接进入水槽中快速冷却，水温保持在20-30℃，在下一根产品挤出前水槽中自动翻料系统将棒坯推出，挤压、淬火完毕。

e、检查与锯切

按照下道工序要求将∮38mm棒坯切除头尾并进行中断，中断长度为3000mm除，检查棒坯尺寸及表面，合格后转入拉伸工序。

（3）拉伸与时效

选择20吨、10吨拉伸机进行拉伸，并准备好拉伸模具∮33.5mm、∮29.5mm、∮26mm、∮23.0mm、∮20.5mm、∮18mm拉伸模具，在拉伸前安装好模具；选择卧室光亮电加热退火炉进行时效。

拉伸操作流程：∮38—拉伸∮33.5—∮29.5—时效（450-550℃/3-5h）—拉伸∮26—拉伸∮23.5—时效（400-500℃/3-5h）—拉伸∮20.5—拉伸∮18

拉伸时先对∮38mm制作夹头，然后对棒坯拉伸，首次拉伸尺寸为∮33.5mm，之后在∮29mm、∮26mm、∮23.5mm、∮20.5mm、∮18mm拉伸前分别对夹头进行修理使尺寸变小，然后再继续拉伸，棒坯超过10000mm时进行中断；棒坯不必切除头尾，直接装炉时效，保温结束后棒坯在炉内随炉缓慢冷却至200℃以下，然后将炉胆推出快速冷却至常温，棒材出炉。

（4）精整与检验

a、精整

对∮18mm棒坯进行锯切，长度为2000mm-3000mm；锯切后棒坯校直处理，使直度达到1mm/mm。

f、检验

精整后的∮16mm棒坯需对表面、尺寸等进行外观检验，并切取试样进行布氏硬度、导电率，充氢800℃/20min试验以及冷却后维氏硬度试验，主要检验结果为：导电率87.0%、维氏硬度144、材料经充氢800℃/20min不腐蚀不变色以及冷却后维氏硬度97。

全部检验合格后将∮18mm棒材交付使用。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.铁铜合金棒材，为铜基合金，其特征在于所添加元素为铁、混合稀土、锌、磷；

所述铁质量含量为0.1-0.8%，磷质量含量为0.01-0.05%，锌质量含量不大于0.03%，混合稀土质量含量为0.005-0.03%，余量为铜；

铁铜合金棒材的制备方法包括以下步骤：

1）熔炼与铸造；

2）挤压与淬火；

3）拉伸与时效；

所述步骤1）熔炼与铸造包括以下步骤：

电解铜—装炉—加木炭覆盖—熔化—加铜铁中间合金、铜混合稀土中间合金—升温熔化—烫炉头－取样分析—加铜磷中间合金、金属锌—静置—取样分析、调整成分—烫炉头—铸造；使用前可将中间合金砸碎成小块，便于熔炼时熔化；

所述步骤2）挤压与淬火包括以下步骤：

铸锭—加热—挤压—淬火；

所述步骤3）拉伸与时效包括以下步骤：

挤压棒坯—拉伸—Ⅰ时效—拉伸—Ⅱ时效—拉伸；

所述步骤2）挤压与淬火中挤压生产前将模具充分预热，预热温度300-400℃，然后安装好，挤压工序产品加工率不低于85%；淬火温度800-850℃，利用挤出产品余热进行淬火，挤压、淬火在生产线上同时进行；

所述步骤2）挤压与淬火中将铸锭加热到800-850℃，送进挤压筒挤压成棒坯，棒坯尺寸根据下道工序拉伸加工的要求确定，挤压机前机架出口安装水槽，使棒坯挤出模孔后直接进入水槽中快速冷却，不必再次加热进行水冷淬火，水温是20-30℃，水槽中自动翻料系统将棒坯推出，切除头尾，检查棒坯表面及内部质量、尺寸，合格后转入拉伸工序；

所述步骤3）拉伸与时效中准备好拉伸模具，拉伸前安装好，拉伸道次加工率20-30%；Ⅰ时效工艺：加热450-550℃、保温3-5h；Ⅱ时效工艺：加热400-500℃、保温3-5h；

所述步骤1）熔炼与铸造中木炭使用前进行干流，封好待用；

所述步骤1）熔炼与铸造中铸造结束后，将铸锭吊出铸造井，切取试样分析化学成分，低倍检查内部质量，测量尺寸，检查表面质量，合格后根据需要切成齐尺铸锭，准备下道工序挤压使用。

2.根据权利要求1所述铁铜合金棒材，其特征在于所述铁质量含量为0.5%，混合稀土质量含量为0.03%，锌质量含量为0.025%，磷质量含量为0.05%。

Images