CN110551915B - 一种铜铁中间合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜铁中间合金及其制备方法，按质量百分比计，铜铁中间合金包括如下成分：Fe：20～50％、Ni：0.01～1.0％、Cr：0.01～1.0％、Mg：0.01～0.5％、Y：0.01～0.5％、S:0.01～0.05％、P:0.005～0.03％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。本发明还提供了该铜铁中间合金的制备方法，添加Ni、Cr、Mg、Y、S、P等多种金属元素，在非真空条件采用熔炼吹入压缩空气和快速冷却结合的技术工艺。采用本发明方法制备的铜铁中间合金，避免了铸锭中的铁的偏析和富集，成分均匀性有很大改善，使得成分的均匀性可以达到±2％以内，富铁相的平均尺寸≤50μm。

Description

一种铜铁中间合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属合金技术领域，具体涉及一种铜铁中间合金制备方法。
背景技术
高铁含量铜铁合金(铁含量≥5％)性能优异，被视为新一代高端铜合金材料，其兼具铜的导电性、热传导性、延展性、弹性等，以及铁的耐磨性、硬度，并且具有高电磁波屏蔽性能、抗菌性等特性，在电子产品、汽车零部件、医疗器械等许多领域的应用前景广阔。
合金在冶炼过程中，一些元素是以中间合金的方式加入。利用中间合金加入的方式，一方面可以减少合金元素的熔炼损耗，从而实现对合金化学成分的精确控制；另一方面，在降低熔炼温度的同时也缩短了熔炼时间，有利于提高熔炼设备的寿命，且节约能源。
采用特定的中间合金母料生产高铁含量铜铁合金过程中，铜铁中间合金的制备存在以下难题：铁在铜中的固溶度极低，在1100℃时固溶度仍小于5％；铁和铜的密度相差较大，在熔炼过程中易发生分层；随着铁含量的升高，中间合金的熔炼温度很高，Fe含量＞20％wt时，Cu-Fe相图中液相线温度超过1400℃。而且铜和铁的熔点相差很大，约500℃，所以在浇铸时很容易发生偏析，导致成分不均和铁的富集。
专利CN 104975202A提供了一种真空条件下制备铜铁中间合金的方法，在真空熔炼、铸锭铣面、热轧和剪切等生产过程中，对设备要求高，工序繁多，存在产量低、成本高的问题。专利CN 104611592A提供了一种简单的铜铁中间合金熔制方法，该方法难以制备铁含量较高的铜铁中间合金，也无法保证铁元素的均匀分布和不偏析。
因此，提供一种工序简单、成分均匀的中间合金制备方法对于高铁含量铜铁合金的规模化生产非常必要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，采用吹入压缩空气，加入复合覆盖剂和复合变质剂的工艺，提供一种铜铁中间合金及其制备方法，所制备的铜铁中间合金成分均匀、无铁颗粒的富集，且制备工序操作简单，成本低。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明的第一方面提供了一种铜铁中间合金，按质量百分比计，包括如下成分：Fe：20～50％、Ni：0.01～1.0％、Cr：0.01～1.0％、Mg：0.01～0.5％、Y：0.01～0.5％、S:0.01～0.05％、P:0.005～0.03％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。
优选地，按质量百分比计，所述铜铁中间合金包括如下成分：Fe：20～45％、Ni：0.02～0.11％、Cr：0.06～0.2％、Mg：0.017～0.04％、Y：0.02～0.045％、S：0.011～0.022％，P：0.012～0.022％，余量为铜及不可避免的微量杂质。
优选地，按质量百分比计，所述铜铁中间合金包括如下成分：Fe：45.0％、Ni：0.11％、Cr：0.2％、Mg：0.04％、Y：0.042％、S：0.02％，P：0.02％，余量为铜及不可避免的微量杂质。
本发明的第二个方面是提供了一种铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，将电解铜板加入熔炼炉中升温熔化，待全部熔化后，升温到1300℃～1400℃，并加入Ni和Cr，10～30分钟后，逐渐加入纯铁片，铁片完全加入熔解后，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温2～4小时后，捞去表面复合覆盖剂，采用特制吹气装置，向熔体中持续通入压缩空气，流量为1～5m3/min，时间10～30分钟，直至完全除气且搅拌均匀；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1350℃～1500℃，10～40分钟后，加入复合变质剂，继续进行10～25分钟保温；
(4)浇铸：温度控制在1350～1450℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的快速冷却装置。
优选地，步骤(1)中所述Ni为纯镍片，所述Cr为纯铬粉，以装入薄壁铜管中的方式加入.
优选地，步骤(1)中所述纯铁片纯度在99.9％以上，厚度为0.5～3mm，宽度为50～100mm，长度为200～500mm，便于加入和快速熔解，铁片采用分批次加入的方式添加，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片。
优选地，步骤(1)与步骤(3)中所述复合覆盖剂的成分包括冰晶石、碳酸钠和萤石粉。
优选地，步骤(2)中所述吹气装置为空气压缩机和与空气压缩机连接的吹气管，吹气管将空气压缩机产生的压缩空气通入铜液中。
优选地，所述吹气管为耐热陶瓷材质，且所述吹气管的中下部均匀分布着通气孔，所述通气孔直径为0.1～1mm，气孔数目为20～50个。
优选地，步骤(3)中所述复合变质剂成分包括：铜镁合金(Mg含量20％)、铜钇合金(Y含量20％)、铜磷合金(P含量15％)及硫化亚铁。
进一步优选地，所述复合变质剂中铜镁合金(Mg含量20％)、铜钇合金(Y含量20％)、铜磷合金(P含量15％)及硫化亚铁的质量比为2:2:1:1。
优选地，步骤(3)中所述复合变质剂的添加量为熔体总质量的0.5～5％。
优选地，步骤(4)中所述快速冷却装置为带水冷却的铜制铸模，铸锭尺寸为：长600mm*宽200mm*高50mm。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明提供的铜铁中间合金，因其含有的Ni、Cr、Mg、Y、S、P等添加元素，具有改变铁的表面活性，促进其与铜的结合，以及细化富铁粒子等作用，从而保障铜铁合金成分均匀、无偏析。
(2)本发明采用非真空熔炼的方法，工序操作简单，成本低，满足大规模制造需求。
(3)本发明中吹入压缩空气的工艺，压缩空气通过气孔吹入铜液中，产生微小的气泡，利用气泡内外的分压之差，使溶于熔体中的氢不断向气泡扩散，并随着气泡的上升和逸出从而排出熔体；另一方面，压缩空气中的氧将铜氧化，然后氧化亚铜又与铜液中的氢反应，起到了氧化除气的作用，同时起到了搅拌的作用，使熔体中的铁分散细化，明显提高了铸锭的质量和成分均匀性。
(4)采用带水冷却的铜制铸模作为快速冷却装置，控制铜液凝固时间在10s以内，避免铸锭中的铁的偏析和富集。
(5)本发明提供的铜铁中间合金，相较于市面上的铜铁中间合金，其成分均匀性有很大改善，使得成分的均匀性可以达到±2％以内，富铁相的平均尺寸≤50μm。在制备铜铁合金过程中加入复合覆盖剂和复合变质剂，可以保证产品的成分稳定性，提高熔炼效率。
附图说明
图1为实施例1制备的铜铁中间合金微观组织形貌图；
图2为实施例2制备的铜铁中间合金微观组织形貌图；
图3为实施例3制备的铜铁中间合金微观组织新貌图；
图4为实施例4制备的铜铁中间合金微观组织新貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
一种铜铁中间合金，按质量百分比计，包括如下成分：
Fe：20.1％、Ni：0.03％、Cr：0.06％、Mg：0.017％、Y：0.02％、S：0.011％、P：0.012％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。
上述铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，测得纯铁片纯度为99.95％，厚度为0.8mm，将其裁剪为宽50～60mm，长度为400mm的长条，先将电解铜板加入中频感应炉中升温化料，待其全部熔化，温度升至1365℃，开始加入Ni和Cr，保温30分钟后，再逐渐加入纯铁片，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片，40分钟后所有铁片都已加入并完全熔解，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温3小时后，保温温度为1410℃左右，之后捞去表面覆盖剂，打开吹气装置：将耐热陶瓷通气管预热后插入炉底，打开空气压缩机，向熔体中持续通入压缩空气，流量控制为2m3/min，时间18分钟，铜液表面翻腾并不断有气泡冒出；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1400℃，35分钟后拨开表面覆盖剂，加入熔体总量约0.9％的复合变质剂；
(4)浇铸：加入复合变质剂后10分钟，将温度控制在1388℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的水冷却铜制铸模中；
(5)取出铸锭，进行成分检测和组织分析。
实施例2
一种铜铁中间合金，按质量百分比计，包括如下成分：
Fe：29.7％、Ni：0.02％、Cr：0.06％、Mg：0.028％、Y：0.03％、S：0.016％、P：0.015％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。
上述铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，测得纯铁片纯度为99.95％，厚度为0.8mm，将其裁剪为宽50～60mm，长度为400mm的长条，先将电解铜板加入中频感应炉中升温化料，待其全部熔化，温度升至1350℃，开始加入Ni和Cr，保温28分钟后，再逐渐加入纯铁片，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片，45分钟后所有铁片都已加入并完全熔解，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温3小时后，保温温度为1420℃左右，之后捞去表面覆盖剂，打开吹气装置：将耐热陶瓷通气管预热后插入炉底，打开空气压缩机，向熔体中持续通入压缩空气，流量控制为2m3/min，时间21分钟，铜液表面翻腾并不断有气泡冒出；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1420℃，35分钟后拨开表面覆盖剂，加入熔体总量约1.1％的复合变质剂；
(4)浇铸：加入复合变质剂后13分钟，将温度控制在1388℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的水冷却铜制铸模中；
(5)取出铸锭，进行成分检测和组织分析。
实施例3
一种铜铁中间合金，按质量百分比计，所述铜铁中间合金包括如下成分：
Fe：30.3％、Ni：0.04％、Cr：0.07％、Mg：0.04％、Y：0.045％、S：0.022％、P：0.022％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。
上述铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，测得纯铁片纯度为99.95％，厚度为0.8mm，将其裁剪为宽50～60mm，长度为400mm的长条，先将电解铜板加入中频感应炉中升温化料，待其全部熔化，温度升至1333℃，开始加入Ni和Cr，保温30分钟后，再逐渐加入纯铁片，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片，58分钟后所有铁片都已加入并完全熔解，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温3小时后，保温温度为1444℃左右，之后捞去表面覆盖剂，打开吹气装置：将耐热陶瓷通气管预热后插入炉底，打开空气压缩机，向熔体中持续通入压缩空气，流量控制为2m3/min，时间17分钟，铜液表面翻腾并不断有气泡冒出；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1430℃，35分钟后拨开表面覆盖剂，加入熔体总量约2％的复合变质剂；
(4)浇铸：加入复合变质剂后13分钟，将温度控制在1412℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的水冷却铜制铸模中。
(5)取出铸锭，进行成分检测和组织分析。
实施例4
一种铜铁中间合金，按质量百分比计，包括如下成分：
Fe：45.0％、Ni：0.11％、Cr：0.2％、Mg：0.04％、Y：0.042％、S：0.02％、P：0.02％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质。
上述铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，测得纯铁片纯度为99.95％，厚度为0.8mm，将其裁剪为宽50～60mm，长度为400mm的长条，先将电解铜板加入中频感应炉中升温化料，待其全部熔化，温度升至1355℃，开始加入Ni和Cr，保温30分钟后，再逐渐加入纯铁片，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片，70分钟后所有铁片都已加入并完全熔解，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温3小时后，保温温度为1450℃左右，之后捞去表面覆盖剂，打开吹气装置：将耐热陶瓷通气管预热后插入炉底，打开空气压缩机，向熔体中持续通入压缩空气，流量控制为2m3/min，时间15分钟，铜液表面翻腾并不断有气泡冒出；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1460℃，35分钟后拨开表面覆盖剂，加入熔体总量约2％的复合变质剂；
(4)浇铸：加入复合变质剂后10分钟，将温度控制在1428℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的水冷却铜制铸模中。
(5)取出铸锭，进行成分检测和组织分析。
组织分析测试
对实施例1-4制备的铜铁中间合金进行金相分析，分析结果见下表。
表1组织分析实验结果
名称 富铁相平均尺寸 富铁相分布
实施例1 ≤28μm 均匀分布在基体中
实施例2 ≤35μm 均匀分布在基体中
实施例3 ≤36μm 均匀分布在基体中
实施例4 ≤38μm 均匀分布在基体中
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种铜铁中间合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下成分：Fe：20～50％、Ni：0.01～1.0％、Cr：0.01～1.0％、Mg：0.01～0.5％、Y：0.01～0.5％、S:0.01～0.05％、P:0.005～0.03％，余量为铜和其它不可避免的微量杂质；
所述铜铁中间合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料、熔炼：按照铜铁中间合金的成分进行配料，将电解铜板加入熔炼炉中升温熔化，待全部熔化后，升温到1300℃～1400℃，并加入Ni和Cr，10～30分钟后，逐渐加入纯铁片，铁片完全加入熔解后，加入复合覆盖剂；
(2)吹入压缩空气：保温2～4小时后，捞去表面复合覆盖剂，采用特制吹气装置，向熔体中持续通入压缩空气，流量为1～5m3/min，时间10～30分钟，直至完全除气且搅拌均匀；
(3)加入复合变质剂：通完压缩空气后，加入复合覆盖剂进行覆盖，温度控制在1350℃～1500℃，10～40分钟后，加入复合变质剂，继续进行10～25分钟保温；
(4)浇铸：温度控制在1350～1450℃，捞去覆盖剂，开始浇铸，将铜液倒入特制的快速冷却装置；
步骤(2)中所述吹气装置为空气压缩机和与空气压缩机连接的吹气管，空气压缩机产生的压缩空气经过吹气管通入铜液中；
所述吹气管为耐热陶瓷材质，且所述吹气管的中下部均匀分布着通气孔，所述通气孔直径为0.1～1mm，气孔数目为20～50个；
步骤(4)中所述快速冷却装置为带水冷却的铜制铸模，铸锭尺寸为：长600mm*宽200mm*高50mm。
2.根据权利要求1所述的铜铁中间合金，其特征在于，按质量百分比计，包括如下成分：Fe：45.0％、Ni：0.11％、Cr：0.2％、Mg：0.04％、Y：0.042％、S：0.02％，P：0.02％，余量为铜和不可避免的微量杂质。
3.根据权利要求1所述的铜铁中间合金，其特征在于，步骤(1)中所述Ni为纯镍片，所述Cr为纯铬粉，以装入薄壁铜管中的方式加入。
4.根据权利要求1所述的铜铁中间合金，其特征在于，步骤(1)中所述纯铁片纯度在99.9％以上，厚度为0.5～3mm，宽度为50～100mm，长度为200～500mm，铁片采用分批次加入的方式添加，每次加入5～10块铁片，待其全部熔化后再加入下一批铁片。
5.根据权利要求1所述的铜铁中间合金，其特征在于，步骤(1)与步骤(3)中所述复合覆盖剂成分包括冰晶石、碳酸钠和萤石粉。
6.根据权利要求1所述的铜铁中间合金，其特征在于，步骤(3)中所述复合变质剂成分包括：铜镁合金、铜钇合金、铜磷合金和硫化亚铁，质量比为2:2:1:1，且所述复合变质剂的添加总量为熔体总质量的0.5～5％。
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