CN111826545A - 一种铜铁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种铜铁合金材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种铜铁合金材料及其制备方法和应用,按重量比成分为：5 wt.%‑20wt.%铁，0.002wt.%‑0.05wt.%RE，余量为铜。本发明容易操作，熔炼温度大幅降低，在坩埚炉中熔炼温度为1200℃～1250℃，相比于传统方法中的1600℃以上，可以节约能耗；采用真空熔炼技术，可避免高温过程中发生氧化，保证材料的高纯净度，氧元素含量可低于150ppm；采用真空熔炼技术，加上后续的冷拉拔形变，可保证铜铁合金线材的组织成分均匀，其延伸率可以达到24%以上，能降低制备电磁屏蔽线中的断丝问题，提高成材率，并能满足作为电磁屏蔽材料的导电和磁屏蔽的性能要求。

Description

一种铜铁合金材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属冶炼和加工技术领域，具体涉及一种铜铁合金材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着现代电子信息的快速发展，越来越多的电子、电气设备被投入使用，与此同时，这些电子设备所产生的不同频率和能量的电磁波正以一种新的污染源充斥着人们的生活，电磁波引起的电磁辐射危害主要包括对人体健康的负面影响、对自然环境的影响以及对电子设备的干扰三大方面。
Cu-Fe合金因成本低廉、原材料丰富以及巨大的磁阻效应和特殊的物理性能，在规模化工业制备和应用方面具有良好前景。铜铁材料兼具有高导电率和高磁导率，可以同时抑制或削弱电场和磁场，控制电磁波从一个区域向另一个区域的辐射传播。因此，铜铁合金材料是理想的电磁屏蔽功能材料。
感应炉熔炼和模铸是生产铜铁合金铸锭常用的方法。采用该技术生产的铸锭往往存在夹杂、缩孔、疏松等缺陷，在后续加工和热处理等工艺过程中难以消除，而成为拉拔形变的断丝点，不利于批量化工业生产。为减少铜铁合金的杂质含量，改善铜铁合金铸锭的铸态组织形态，提高铜铁合金材料的成材率和生产效率，有必要开发新的制备高性能铜铁合金材料的方法。
在现有专利技术中，CN110699571 A公布了一种具有电磁屏蔽性能的铜铁合金材料的制备方法：通过中频感应炉熔炼得到铜铁合金溶液，采用石墨内衬铜结晶器对上述合金溶液进行冷却结晶，得到矩形的合金铸锭。但是，中频感应熔炼过程中采用的磁搅拌对于熔体中占主体的无磁性铜而言，没有效果，并可导致铁与铜基体分离而产生不均匀的现象。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供一种铜铁合金材料及其制备方法，该方案1)解决铜铁合金冶炼中容易产生成分不均匀、易偏析的问题；2)由于铜(1089℃)和铁(1538℃)熔点差异较大，要直接生产铜铁合金材料，需要加热至1550℃以上，对设备要求高，能耗大。
技术方案：一种铜铁合金材料，按重量比成分为：5wt.％-20wt.％铁，0.002wt.％-0.05wt.％RE，余量为铜。
优选的，上述RE为La、Ce或Cu-RE中间合金。
铜铁合金材料的制备方法，步骤为：1)配料：按照Cu为5wt.％～20wt.％、Fe为余量进行配比，称取相应的原料；2)真空电弧熔炼：将称量好的原材料放入真空电弧熔炼炉中，熔化金属原料，通过电磁搅拌使熔体成分均匀，然后在水冷模具中得到铁铜中间合金锭；3)坩埚炉熔炼：将铁铜中间合金锭，与电解铜按照5wt.％～20wt.％Fe、0.002wt.％～0.05wt.％RE进行配料，置于石墨坩埚中，在真空条件下加热，熔炼温度为1200℃～1250℃，施加机械搅拌，搅拌均匀后，保温5～20min，通入氩气或氮气，使熔体冷却，得到铜铁合金铸锭；4)热锻：将得到的铜铁合金铸锭在850℃～950℃保温1-2小时后，热锻成直径
Figure BDA0002554974270000021
圆杆状；5)去应力退火：将热锻得到的铜铁合金杆在370℃～390℃保温3～5h，消除热锻中产生的残余热应力；6)拉拔成型：最后将铜铁合金杆在拉拔机上进行拉拔形变，得到均匀的铜铁合金丝材。
优选的，上述Fe为纯度≥99.99％的高纯铁粉、粒或块，Cu为纯度为≥99.99％的电解铜。
上述拉拔形变为多道次拉拔，所述拉拔次数为6～15次。
上述铜铁合金材料在生产电磁屏蔽线中的应用。
有益效果：本发明1)容易操作，熔炼温度大幅降低，在坩埚炉中熔炼温度为1200℃～1250℃，相比于传统方法中的1600℃以上，可以节约能耗；2)采用真空熔炼技术，可避免高温过程中发生氧化，保证材料的高纯净度，氧元素含量可低于150ppm；3)采用真空熔炼技术，加上后续的冷拉拔形变，可保证铜铁合金线材的组织成分均匀，其延伸率可以达到24％以上，能降低制备电磁屏蔽线中的断丝问题，提高成材率，并能满足作为电磁屏蔽材料的导电和磁屏蔽的性能要求。
附图说明
图1是本发明实施例1中铁铜中间合金的SEM照片；
图2是本发明实施例2中铁铜中间合金的SEM照片；
图3是本发明实施例3中铁铜中间合金的SEM照片；
图4是本发明实施例1中铁铜中间合金的EDS能谱图；
图5是本发明实施例2中铁铜中间合金的EDS能谱图；
图6是本发明实施例3中铁铜中间合金的EDS能谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
1.配料：按照Cu为5wt.％、Fe为95wt.％进行配比，称取相应的原料，其中Fe为纯度≥99.99％的高纯铁粉、粒或块，Cu为纯度为≥99.99％的电解铜；
2.真空电弧熔炼：将配料称量好的原材料放入真空电弧熔炼炉中，控制电弧枪熔化金属原料，通过电磁搅拌使熔体成分均匀，然后在水冷模具中得到铁铜中间合金锭；扫描照片见图1，EDS能谱见图4，测得其化学成分(wt.％)为Fe：95.01％，Cu：4.99％；
3.坩埚炉熔炼：将铁铜中间合金锭，与电解铜按照20wt.％Fe、0.002wt.％La重量百分含量进行配料，进行配料，置于石墨坩埚中，在真空条件下加热，熔炼温度为1250℃，施加机械搅拌，搅拌均匀后，保温10min，通入氩气或氮气，使熔体冷却，得到铜铁合金铸锭；通过直读光谱测得其化学成分(wt.％)为Fe：19.85％，Cu：80.15％；
4.热锻：将铜铁合金铸锭在950℃下保温1小时，然后热锻至
Figure BDA0002554974270000031
圆杆状；
5.去应力退火：将热锻得到的铜铁合金杆在380℃保温4h，消除热锻中产生的残余热应力；
6.拉拔成型：将铜铁合金杆在拉拔机上进行15道次拉拔，中间反复高温退火，退火温度550℃，退火的次数为3次，保温1.5小时，保温能够消除加工硬化，去除应力，便于后续拉丝加工，最终获得直径1.41mm铜铁合金线材。制备的
Figure BDA0002554974270000032
铜铁合金线材的物理性能和力学性能见表1。
实施例2
1.配料：按照Cu为10wt.％、Fe为90wt.％进行配比，称取相应的原料，其中Fe为纯度≥99.99％的高纯铁粉、粒或块，Cu为纯度为≥99.99％的电解铜；
2.真空电弧熔炼：将配料称量好的原材料放入真空电弧熔炼炉中，控制电弧枪熔化金属原料，通过电磁搅拌使熔体成分均匀，然后在水冷模具中得到铁铜中间合金锭；扫描照片见图2，EDS能谱见图5，测得其化学成分(wt.％)为Fe：90.04％，Cu：9.96％；
3.坩埚炉熔炼：将铁铜中间合金锭，与电解铜按照10wt.％Fe、0.05wt.％La重量百分含量进行配料，进行配料，置于石墨坩埚中，在真空条件下加热，熔炼温度为1230℃，施加机械搅拌，搅拌均匀后，保温20min，通入氩气或氮气，使熔体冷却，得到铜铁合金铸锭；通过直读光谱测得其化学成分(wt.％)为Fe：10.22％，Cu：89.76％；
4.热锻：将铜铁合金锭在850℃下保温2小时，然后热锻至
Figure BDA0002554974270000041
圆杆状；
5.去应力退火：将热锻得到的铜铁合金杆在390℃保温3h，消除热锻中产生的残余热应力；
6.拉拔成型：将铜铁合金杆在拉拔机上进行6道次拉拔，中间反复高温退火，退火温度550℃，退火的次数为3次，保温1.5小时，保温能够消除加工硬化，去除应力，便于后续拉丝加工，最终获得直径1.41mm铜铁合金线材。制备的
Figure BDA0002554974270000042
铜铁合金线材的物理性能和力学性能见表1。
实施例3
1.配料：按照Cu为20wt.％、Fe为余量进行配比，称取相应的原料，其中Fe为纯度≥99.99％的高纯铁粉、粒或块，Cu为纯度为≥99.99％的电解铜；
2.电真空电弧熔炼：将配料称量好的原材料放入真空电弧熔炼炉中，控制电弧枪熔化金属原料，通过电磁搅拌使熔体成分均匀，然后在水冷模具中得到铁铜中间合金锭；其扫描照片见图3，EDS能谱见图6，测得其化学成分(wt.％)为Fe：79.99％，Cu：20.01％；
3.坩埚炉熔炼：将铁铜中间合金锭，与电解铜按照5wt.％Fe、0.02wt.％La进行配料，置于石墨坩埚中，在真空条件下加热，熔炼温度为1200℃，施加机械搅拌，搅拌均匀后，保温5～20min，通入氩气或氮气，使熔体冷却，得到铜铁合金铸锭。通过直读光谱测得其化学成分(wt.％)为Fe：4.90％，Cu：95.09％；
4.热锻：将铜铁合金锭在900℃保温1.5小时，热锻成直径
Figure BDA0002554974270000043
圆杆状；
5.去应力退火：将热锻得到的铜铁合金杆在370℃保温5h，消除热锻中产生的残余热应力；
6.拉拔成型：将铜铁合金杆在拉拔机上进行12道次拉拔，中间反复高温退火，退火温度550℃，退火的次数为3次，保温1.5小时，保温能够消除加工硬化，去除应力，便于后续拉丝加工，最终获得直径1.41mm铜铁合金线材。制备的
Figure BDA0002554974270000044
铜铁合金线材的物理性能和力学性能见表1。
表1
Figure BDA0002554974270000051
综合比较物理性能和力学性能，实施例2中制备的铜铁合金线材具备良好的导电性能和塑性，同时饱和磁化强度也比较强，其综合性能最优。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铜铁合金材料，其特征在于按重量比成分为：5 wt.%-20wt.%铁，0.002wt.%-0.05wt.%RE，余量为铜。
2.根据权利要求1所述铜铁合金材料，其特征在于所述稀土为La、Ce或Cu-RE中间合金。
3.权利要求1或2所述铜铁合金材料的制备方法，其特征在于步骤为：1）配料：按照Cu为5 wt.％～20 wt.％、Fe为余量进行配比，称取相应的原料；2）真空电弧熔炼：将称量好的原材料放入真空电弧熔炼炉中，熔化金属原料，通过电磁搅拌使熔体成分均匀，然后在水冷模具中得到铁铜中间合金锭；3）坩埚炉熔炼：将铁铜中间合金锭，与电解铜按照5 wt.％～20wt.％Fe、0.002 wt.％～0.05 wt.％RE进行配料，置于石墨坩埚中，在真空条件下加热，熔炼温度为1200℃～1250℃，施加机械搅拌，搅拌均匀后，保温5～20min，通入氩气或氮气，使熔体冷却，得到铜铁合金铸锭；4）热锻：将得到的铜铁合金铸锭在850℃～950℃保温1-2小时后，热锻成直径φ8～12mm圆杆状；5）去应力退火：将热锻得到的铜铁合金杆在370℃～390℃保温3～5h，消除热锻中产生的残余热应力；6）拉拔成型：最后将铜铁合金杆在拉拔机上进行拉拔形变，得到均匀的铜铁合金丝材。
4.根据权利要求3所述铜铁合金材料的制备方法，其特征在于所述Fe为纯度≥99.99％的高纯铁粉、粒或块，Cu为纯度为≥99.99％的电解铜。
5.根据权利要求3所述铜铁合金材料的制备方法，其特征在于所述拉拔形变为多道次拉拔，所述拉拔次数为6～15次。
6.权利要求1或2所述铜铁合金材料在生产电磁屏蔽线中的应用。
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