CN110157944A - 一种高导热铜铁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高导热铜铁合金材料及其制备方法和应用，所述铜铁合金材料按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为10％‑30％，Cu为余量。所述制备方法包括：(1)配料：按照配比称取相应原料；(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu‑Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1500‑1700℃；(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品。本发明制备的CuFe合金材料气体含量低、夹杂物少、并且组织成分均匀，无Cu、Fe富集等宏观、微观缺陷，能够作为优良的热传导材料应用于多种领域。
Description
技术领域
本发明属于热传导材料制造技术领域，具体涉及一种高导热铜铁合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
铜和铁合金具有铜一样的导电性、热传导性、延展性、弹性等和铁一样的耐磨损性、引拉强度、硬度、磁性等特性,综合特性非常优秀。铁和铜在地球上的含量最为丰富，合金的再利用也不存在有害物质，因而引起了世界上很多的关注和研究。但铜和铁的相性差异大，铁含量为2.5％以下的固溶化而生成合金，含量为3％以上的，不发生固溶化，发生偏析生成的合金，很难使用。
很早以前，用热传导性高的铜和不锈钢结合，开发热传导性能好的不锈钢，到目前为止都没有成功。作为新型材料，铜铁合金的特性如下：(1)电磁波屏蔽性；(2)弹性；(3)导电性、热传导性及耐磨损性；(4)抗菌性。加工成型性能好，可以加工成棒、线材、板、箔、粉末等各样的形态。应用范围广泛，比如应用其抗菌效果开发公共场所、医院、学校、酒店、大众交通等的家具和设施及食品工厂、厨房器具、各种卫生器具等；应用其电磁波吸收和屏蔽效果开发电气电子装置外壳,建筑物电磁波屏蔽材料等；应用其耐磨耐蚀效果开发海洋构造物、轮船及海水构造物配件、养殖网等；应用其热传导效果开发电饭锅、IH烹饪器具、烹饪器具等。
铜铁合金一般的制备方法有：(1)机械合金化法制备；(2)形变原位复合制备；(3)快速凝固制备。传统方法工艺制备效率低、成本高、难以实现连续生产。随着市场需求的急剧增大，对材料的工艺、技术提出了更高的要求，需要一种能够实现铜铁合金材料的产业化生产的方法。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种高导热铜铁合金材料及其制备方法和应用。
本发明的技术方案为：一种高导热铜铁合金材料，按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为10％-30％，Cu为余量。
本发明还提供了一种高导热铜铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照Fe为10％-30％，Cu为余量的重量百分含量对铜铁合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；
(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu-Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1500-1700℃；
(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；
(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品。
进一步地，所述Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取65-75％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至1500-1700℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：将S2中的熔浆气雾化冷却成铜铁合金粉末；
S4：利用电子束滴熔工艺将所述铜铁合金粉末进行复熔，得到复熔浆，复熔的温度为1750-1800℃，真空度≤8Pa；利用电子束流对铜铁合金粉末的表面进行改性，降低内部杂质，并且提高Cu-Fe中间合金中铜铁单质的融合度，扩大了铁和铜任意比例结合的可能性。
S5：向所述复熔浆中通入氮气除气脱氧；
S5：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
更进一步地，所述气雾化冷却的工艺参数为：控制氮气喷出速率为760-800m/s；所述氮气和所述熔浆的流量比为15-18:1。
更进一步地，所述铜铁合金粉末的粒径大小为90-120μm。过小的粒径极易被氧化，并且对工艺的要求更高，而过大的粒径则会造成铜铁合金粉末的比表面积减小，进而利用电子束对铜铁合金表面进行改性的效果大大降低。
更进一步地，所述电子束滴熔工艺参数为：熔炼功率为900-1200kW、拉速为100-200mm/min。
更进一步地，步骤(3)中下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的75-85％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在3-5s内从低至高匀速调节至100-200mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的5-10％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
更进一步地，步骤(4)中所述产品包括电路板、散热板、电饭锅、模具材料、IH烹饪器具、烹饪器具。
更进一步地，所述Fe为纯度≥99.990％的高纯铁，Cu为纯度为≥99.990％的电解铜板。
本发明的有益效果为：本发明制备的CuFe合金材料气体含量低、夹杂物少、并且组织成分均匀，无Cu、Fe富集等宏观、微观缺陷，能够作为优良的热传导材料应用于多种领域，克服了传统方法工艺制备效率低、成本高、难以实现连续生产的缺点，本发明应用下引半连续铸造技术，突破了铜铁合金材料传统制备难题，获得不同成分及规格的铜铁合金，实现半连续生产，提高生产效率，提高材料利用率。
附图说明
图1是本发明实施例2中CuFe20的100X金相图。
具体实施方式
实施例1
一种高导热铜铁合金材料，按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为10％，Cu为余量。所述Fe为纯度≥99.990％的高纯铁，Cu为纯度为≥99.990％的电解铜板。
本发明还提供了一种高导热铜铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照Fe为10％，Cu为余量的重量百分含量对铜铁合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；
(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu-Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1500℃；其中，所述Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取65％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至1500℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：将S2中的熔浆气雾化冷却成铜铁合金粉末；所述气雾化冷却的工艺参数为：控制氮气喷出速率为760m/s；所述氮气和所述熔浆的流量比为15:1。所述铜铁合金粉末的粒径大小为90μm。过小的粒径极易被氧化，并且对工艺的要求更高，而过大的粒径则会造成铜铁合金粉末的比表面积减小，进而利用电子束对铜铁合金表面进行改性的效果大大降低。
S4：利用电子束滴熔工艺将所述铜铁合金粉末进行复熔，得到复熔浆，复熔的温度为1750℃，真空度≤8Pa；所述电子束滴熔工艺参数为：熔炼功率为900kW、拉速为100mm/min。利用电子束流对铜铁合金粉末的表面进行改性，降低内部杂质，并且提高Cu-Fe中间合金中铜铁单质的融合度，扩大了铁和铜任意比例结合的可能性。
S5：向所述复熔浆中通入氮气除气脱氧；
S5：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的75％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在3s内从低至高匀速调节至100mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的5％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品，例如电路板、散热板、电饭锅、模具材料、IH烹饪器具、烹饪器具等热传导领域。
实施例2
一种高导热铜铁合金材料，按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为20％，Cu为余量。所述Fe为纯度≥99.990％的高纯铁，Cu为纯度为≥99.990％的电解铜板。
本发明还提供了一种高导热铜铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照Fe为20％，Cu为余量的重量百分含量对铜铁合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；
(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu-Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1600℃；其中，所述Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取70％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至1600℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：将S2中的熔浆气雾化冷却成铜铁合金粉末；所述气雾化冷却的工艺参数为：控制氮气喷出速率为780m/s；所述氮气和所述熔浆的流量比为16:1。所述铜铁合金粉末的粒径大小为100μm。过小的粒径极易被氧化，并且对工艺的要求更高，而过大的粒径则会造成铜铁合金粉末的比表面积减小，进而利用电子束对铜铁合金表面进行改性的效果大大降低。
S4：利用电子束滴熔工艺将所述铜铁合金粉末进行复熔，得到复熔浆，复熔的温度为1780℃，真空度≤8Pa；所述电子束滴熔工艺参数为：熔炼功率为1050kW、拉速为150mm/min。利用电子束流对铜铁合金粉末的表面进行改性，降低内部杂质，并且提高Cu-Fe中间合金中铜铁单质的融合度，扩大了铁和铜任意比例结合的可能性。
S5：向所述复熔浆中通入氮气除气脱氧；
S5：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的70％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在4s内从低至高匀速调节至150mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的5％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品，例如电路板、散热板、电饭锅、模具材料、IH烹饪器具、烹饪器具等热传导领域。
实施例3
一种高导热铜铁合金材料，按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为30％，Cu为余量。所述Fe为纯度≥99.990％的高纯铁，Cu为纯度为≥99.990％的电解铜板。
本发明还提供了一种高导热铜铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照Fe为30％，Cu为余量的重量百分含量对铜铁合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；
(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu-Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1700℃；其中，所述Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取75％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至600℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：将S2中的熔浆气雾化冷却成铜铁合金粉末；所述气雾化冷却的工艺参数为：控制氮气喷出速率为800m/s；所述氮气和所述熔浆的流量比为18:1。所述铜铁合金粉末的粒径大小为120μm。过小的粒径极易被氧化，并且对工艺的要求更高，而过大的粒径则会造成铜铁合金粉末的比表面积减小，进而利用电子束对铜铁合金表面进行改性的效果大大降低。
S4：利用电子束滴熔工艺将所述铜铁合金粉末进行复熔，得到复熔浆，复熔的温度为1800℃，真空度≤8Pa；所述电子束滴熔工艺参数为：熔炼功率为1200kW、拉速为200mm/min。利用电子束流对铜铁合金粉末的表面进行改性，降低内部杂质，并且提高Cu-Fe中间合金中铜铁单质的融合度，扩大了铁和铜任意比例结合的可能性。
S5：向所述复熔浆中通入氮气除气脱氧；
S5：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的85％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在5s内从低至高匀速调节至200mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的10％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品，例如电路板、散热板、电饭锅、模具材料、IH烹饪器具、烹饪器具等热传导领域。
对比例1
本实施例与实施例2基本相同，不同之处在于：
本实施例的Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取70％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至1600℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：向所述熔浆中通入氮气除气脱氧；
S4：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
对比例2
本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：
铜铁合金粉末的粒径大小为200μm。过大的粒径则会造成铜铁合金粉末的比表面积减小，进而利用电子束对铜铁合金表面进行改性的效果大大降低，也影响了热传导性能。
对比例3
本对比例与实施例2基本相同，不同之处在于：
本对比例采用水平拉铸工艺，引拉速度为50mm/s，拉进15mm，反推0.5mm，推速为5mm/s，停2.0s。
对比例4
本对比例的下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的70％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在4s内从低至高匀速调节至80mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的5％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
对实施例1-3，以及对比例1-4中的铜铁合金材料进行热传导性能的测试，测试结果如表1所示。
表1各组铜铁合金材料的热传导性能测试结果
| 组别 | 材料 | 热导率λ(W/mk) |
| 实施例1 | CuFe10 | 162 |
| 实施例2 | CuFe20 | 152 |
| 实施例3 | CuFe30 | 142 |
| 对比例1 | CuFe20 | 144 |
| 对比例2 | CuFe20 | 148 |
| 对比例3 | CuFe20 | 143 |
| 对比例4 | CuFe20 | 146 |
备注：石墨热传导：20W/mk，铁皮热传导：70W/mk，铜的热传导：380W/mk。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (8)
1.一种高导热铜铁合金材料，其特征在于，按重量百分含量计，该合金化学成分中包括：Fe为10％-30％，Cu为余量。
2.如权利要求1所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料：按照Fe为10％-30％，Cu为余量的重量百分含量对铜铁合金元素进行配比，选择并称取相应的原料；
(2)熔炼：将原料装入真空中频感应炉，Fe采用Cu-Fe中间合金方式加入，Cu采用电解铜板，装炉后升温加热至1500-1700℃；
(3)除气浇铸：熔炼后精炼除气脱氧，根据需求，将熔体下引连续铸造成不同规格的铸锭；
(4)成型：所述铸锭经过锻造、轧制、挤压、拉拔几种不同工艺，制造出不同要求及规格的产品。
3.如权利要求1所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述Cu-Fe中间合金的制备方法包括以下步骤：
S1：按照重量百分含量称取65-75％Fe，余量为Cu的比例加入真空中频感应炉中；
S2：将真空中频感应炉温度加热至1500-1700℃，使铜铁原料熔化成熔浆；
S3：将S2中的熔浆气雾化冷却成铜铁合金粉末；
S4：利用电子束滴熔工艺将所述铜铁合金粉末进行复熔，得到复熔浆，复熔的温度为1750-1800℃，真空度≤8Pa；
S5：向所述复熔浆中通入氮气除气脱氧；
S5：浇筑后获得Cu-Fe中间合金铸锭。
4.如权利要求3所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述气雾化冷却的工艺参数为：控制氮气喷出速率为760-800m/s；所述氮气和所述熔浆的流量比为15-18:1。
5.如权利要求3所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，所述电子束滴熔工艺参数为：熔炼功率为900-1200kW，拉速为100-200mm/min。
6.如权利要求2所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中下引连续铸的工艺为：在惰性气体保护氛围下，当所述熔体流入连铸结晶器容积的75-85％时，开启下引速度按钮，将铸造速度在3-5s内从低至高匀速调节至100-200mm/min；当熔体量减少至铸结晶器容积的5-10％时，将铸造速度从高至低匀速减小直至停止，待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
7.如权利要求2所述的一种高导热铜铁合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述产品包括电路板、散热板、电饭锅、模具材料、IH烹饪器具、烹饪器具。
8.如权利要求1或2所述的一种高导热铜铁合金材料，其特征在于，所述Fe为纯度≥99.990％的高纯铁，Cu为纯度为≥99.990％的电解铜板。
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Denomination of invention: High-thermal-conductivity copper iron alloy material and preparation method and application thereof Effective date of registration: 20200522 Granted publication date: 20200327 Pledgee: Fufeng County Rural Credit Cooperative Association Pledgor: SHAANXI SIRUI ADVANCED MATERIALS Co.,Ltd. Registration number: Y2020980002403 |
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