CN112877684A - 一种Cu合金导磁涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Cu合金导磁涂层及其制备方法。该技术方案首先设计了铜和铁的配比，然后通过熔炼，气雾化制粉获得近球形的Cu‑Fe合金粉体，选择合适粒径的Cu‑Fe合金粉，在真空或惰性气体保护下进行时效处理后，采用冷喷涂工艺在基材上喷涂制备Cu‑Fe合金涂层。本发明同时结合了铜的高热导率和铁的高磁导率，且铜和铁在合金中原位结合，具有优异的导热导磁性能。时效处理促进了Cu基体中固溶Fe原子的弥散析出，提高了合金粉的热导率和磁导率，并改善粉末塑性。冷喷涂工艺可以使Fe相形成类纤维结构，增大比表面面积，提高导磁效果。而且冷喷涂工艺在金属和非金属基材上均可实现有效的涂层制备，具有涂层结合强度高、涂层组织致密、生产效率高等技术优势。

Description

一种Cu合金导磁涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能涂层技术领域，具体涉及一种Cu合金导磁涂层及其制备方法。

背景技术

电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的。电磁炉的工作原理是磁场感应涡流加热。交变电流通过电磁炉的线圈产生磁场，当磁场内磁力线通过铁质锅的底部时，磁力线被切割，从而产生涡流，使铁质锅自身的铁分子高速旋转并产生碰撞磨擦生热令锅底迅速发热，达到加热锅内食品的目的。因此电磁炉适用于高导磁金属制成的炊具，如铁锅，不锈钢锅等。而对于铝、铜等金属制成的炊具，由于材料的磁导率太低，或者砂锅等采用非金属材料制备的炊具都无法在电磁炉上使用，从而限制了电磁炉的应用场景。

目前市场上采用在铝锅底部以热喷涂法制备铁涂层或铁铝涂层来改变锅底的导磁性能，但是热喷涂法制备铁基涂层有明显的缺陷：1、热喷涂制备涂层成本太高且生产效率低；2、热喷涂过程中铁涂层易发生氧化，涂层中孔隙率较高，在使用过程中易脱落；3、热喷涂制备的铁铝涂层在粉末熔化过程中易形成FeAl₃硬脆相，导致涂层性能恶化；4、铁的导热系数远低于铝和铜，导致热传导效率下降；5、热喷涂法仅适用于金属材质的基材，在非金属炊具如砂锅上无法应用。

铜作为金属良导体具有良好的热导率和良好的耐蚀性，铁作为铁磁材料具有高的磁导率。当铁含量大于5％时，铁以富铁相形式存在于铜铁合金中，因此将一定含量的铁与铜熔炼制备成的铜铁合金具有良好的热导率和磁导率。

冷喷涂技术是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。高压气体直接或经过气体加热器进入拉瓦尔喷嘴，形成超音速气流，带动粉末粒子(15～50μm)以极高的速度(300～1200m/s)碰撞基板，使颗粒发生强烈的塑性变形，从而沉积在基体表面形成涂层。相对热喷涂而言，冷喷涂具有以下优点：1)涂层的化学成分以及显微组织结构可与原材料保持一致；2)基体选择范围广；3)涂层中残余应力为压应力，涂层结合强度高；4)涂层致密，孔隙率低；5)喷涂速度快。

此外值得提到的，本申请人于2019年12月9日提交了名为“一种Cu-Fe原位合金箔材及其制备方法”的专利申请(公开号CN110923694A)，该技术方案通过气雾化制粉获得近球形的Cu-Fe原位合金粉体，然后采用冷喷涂工艺在基材上喷涂制备Cu-Fe原位合金涂层，最后去除基材并采用冷轧工艺对Cu-Fe合金板材进行轧制，获得具有宽频电磁屏蔽效果的Cu-Fe原位合金箔材。

尽管其同样具有配料、制粉、冷喷涂等工艺步骤，但其制备的箔材主要发挥电磁屏蔽作用，本质上是利用了铜的高电导率和铁的高磁导率对入射电磁波的屏蔽，屏蔽机理分为3部分：(1)屏蔽体表面因阻抗失配引起的反射损耗；(2)电磁波在屏蔽材料内部传输时，电磁能量被吸收引起传输损耗或吸收损耗；(3)电磁波在屏蔽材料内壁面之间多次反射引起的多次反射损耗。而本申请的Cu-Fe导磁涂层，除了在成分及制备工艺存在不同之外，本质上是利用了铜的高热导率(加快热量传递)和铁的高磁导率(电磁感应发热)，实现一个电磁感应快速传热的过程。而且冷喷涂可以实现在各种材质上的沉积，扩大了导磁涂层的范围。由此可见，本技术方案与CN110923694A在技术思路、技术原理、技术效果等方面存在本质区别，二者之间不具有启示意义，特此说明。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种Cu合金导磁涂层及其制备方法，以解决现有非铁磁基材上导磁涂层制备工艺复杂、适用面不广，且涂层缺陷明显等技术问题。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种Cu合金导磁涂层，该Cu合金导磁涂层以冷喷涂方法成型；该Cu合金导磁涂层包括以下重量百分比的成分：Fe 15％～50％，余量为Cu(其中允许含有不可避免的杂质成分)。

在以上技术方案的基础上，本发明进一步提供了上述Cu合金导磁涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)取配方量的Fe和Cu混合；

2)将步骤1)所得的混合料放入真空感应熔炼气雾化制粉设备中，待所述混合料熔化均匀后，熔体过热度为100-150℃时，注入中间包(位于雾化喷嘴之上)内(合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末)；气体采用氩气；收集Cu-Fe合金粉末，并进行干燥、筛分；

3)将步骤2)所得Cu-Fe合金粉末在真空或惰性气体保护下进行时效处理；

4)将基材去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，将步骤3)处理后的Cu-Fe合金粉末喷涂至步骤4)处理后的基材表面，即得到所述Cu合金导磁涂层。

作为优选，步骤1)是以电解铜和纯铁为原料按配方量混合，或以铜铁中间合金、电解铜、纯铁为原料按配方量混合。

作为优选，步骤2)中所述Cu-Fe合金粉末为近球形，其氧含量O≤1000ppm，粒度范围为10～50μm。

作为优选，步骤3)中所述惰性气体为氩气；所述时效处理包括：450-650℃保温，时间为60-180分钟。

作为优选，步骤4)中所述基材为非铁磁金属材质或非金属材质。

作为优选，所述非铁磁金属材质为铁、钴、镍及其合金之外的金属或其对应合金。

作为优选，所述非金属材质为陶瓷。

作为优选，步骤5)所述的冷喷涂工艺中，工作气体为氩气或氮气，喷涂时的气体压力为3～7MPa，气体温度为400～750℃，喷嘴距基体表面的喷涂距离为10～30mm。

作为优选，步骤5)中所述Cu合金导磁涂层(亦可称为Cu-Fe原位合金涂层)的厚度为100～2000μm。

本发明基于冷喷涂技术制备Cu-Fe合金导磁涂层，形成一种可用于非铁磁基材的Cu合金导磁涂层及其制备工艺。具体来看，本发明首先设计了铜和铁的配比，在此基础上，通过熔炼，气雾化制粉获得近球形的Cu-Fe原位合金粉体，然后选择合适粒径范围的Cu-Fe合金粉，在真空或惰性气体保护下进行时效处理后，采用冷喷涂工艺在基材上喷涂制备Cu-Fe合金涂层。

与现有导磁涂层相比，本发明具有以下优点：1、同时结合了铜的高导电、高导热和铁的高磁导率，且铜和铁为在合金中原位结合，不存在界面结合问题，具有优异的导热导磁功能；2、冷喷涂工艺中高温高压气体可以使Cu-Fe合金粉末以超音速在基体表面碰撞发生剧烈塑性变形，粉末形状呈扁平化，粉体内部的Fe相形成类纤维结构，增大了比表面面积，大大提高了导磁效果。同时本发明中采用的冷喷涂工艺适合广泛的基体材料表面喷涂，在金属和非金属基材上均可实现有效的涂层制备。冷喷涂工艺相较热喷涂工艺简单，同时涂层结合强度高，涂层厚度可调控性高，涂层组织致密，生产效率高。

本发明工艺的独特之处在于在冷喷涂前对Cu-Fe合金粉末进行了时效预处理，Cu-Fe合金在气雾化制粉过程中，由于熔炼会使Fe原子固溶于Cu基体中，而在气雾化快速凝固过程中大量Fe原子来不及从Cu基体中析出从而形成过饱和固溶体，从而严重降低材料的电导率和热导率，并造成Cu基体的硬化，降低粉末的塑性。时效处理可以促进固溶于Cu基体中的Fe原子以Fe单质粒子形式析出，从而显著提高合金的导电性和导热性，同时Fe单质粒子的大量弥散化析出可显著提高合金的磁导率，并改善粉末的塑性。

附图说明

图1为本发明工艺流程图。

图2为实施例1中Cu-Fe合金粉的显微组织。

图3为实施例2中Cu-Fe合金涂层的截面形貌。

图4为实施例3中Cu-Fe粉末经时效处理后析出的Fe单质粒子形貌。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。

实施例1

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁15％，铜85％，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空感应熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为100℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在真空环境下进行时效处理，时效工艺为450℃，保温时间120分钟。

4)预处理：基体材料选择纯铝，去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

4)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氮气，气体压力为3MPa，工作气体温度为500℃，喷枪距基体表面距离为25mm。在纯铝基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为100μm。

实施例2

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁20％，铜80％，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在中频感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为100℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在真空环境下进行时效处理，时效工艺为500℃，保温时间120分钟。

4)预处理：基体材料选择纯铜，去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氮气，气体压力为3MPa，工作气体温度为550℃，喷枪距基体表面距离为20mm。在纯铜基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为150μm。

实施例3

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁30％，铜70％，将符合配方质量百分比的纯铁、铜铁中间合金混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在中频感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为150℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在氩气气氛环境下进行时效处理，时效工艺为600℃，保温时间60分钟。

4)预处理：基体材料选择6061铝合金，去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

4)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氩气，气体压力为4MPa，工作气体温度为600℃，喷枪距基体表面距离为20mm。在6061铝合金基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为500μm。

实施例4

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁50％，铜50％，将符合配方质量百分比的电解铜、铜铁中间合金混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在中频感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为150℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在氩气气氛环境下进行时效处理，时效工艺为600℃，保温时间180分钟。

4)预处理：基体材料选择氧化镁，去除表面杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氮气，气体压力为6MPa，工作气体温度为600℃，喷枪距基体表面距离为20mm。在陶瓷基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为1mm。

实施例5

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁45％，铜55％，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铁混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在中频感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为100℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在真空环境下进行时效处理，时效工艺为550℃，保温时间120分钟。

4)预处理：基体材料选择ZL101合金，去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氮气，气体压力为7MPa，工作气体温度为500℃，喷枪距基体表面距离为30mm。在ZL101合金基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为2mm。

实施例6

1)配料：材料成分按质量百分比取：铁40％，铜60％，将符合配方质量百分比的纯铁、铜铁中间合金混合得到配料；

2)制粉：将配好的材料放入真空熔炼气雾化制粉设备中，待原材料在中频感应炉中充分熔化均匀后，熔体过热度为150℃时，注入位于雾化喷嘴之上的中间包内。合金液由中间包底部漏眼流出，通过喷嘴时与高速气流相遇被雾化为细小液滴，气体采用高纯氩气，雾化液滴在封闭的雾化筒内快速凝固成粉末，制备获得Cu-Fe合金粉，并进行干燥、筛分。

3)时效：将Cu-Fe合金粉末放置在真空环境下进行时效处理，时效工艺为500℃，保温时间60分钟。

4)预处理：基体材料选择刚玉，去除表面杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，在经过预处理的基体上进行Cu-Fe合金粉末的喷涂。冷喷涂工艺为：工作气体为氩气，气体压力为5MPa，工作气体温度为550℃，喷枪距基体表面距离为20mm。在陶瓷基体上制备Cu-Fe合金涂层，涂层厚度为1.5mm。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种Cu合金导磁涂层，其特征在于，该Cu合金导磁涂层以冷喷涂方法成型；该Cu合金导磁涂层包括以下重量百分比的成分：Fe 15％～50％，余量为Cu。

2.权利要求1所述Cu合金导磁涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取配方量的Fe和Cu混合；

2)将步骤1)所得的混合料放入真空感应熔炼气雾化制粉设备中，待所述混合料熔化均匀后，熔体过热度为100-150℃时，注入中间包内；气体采用氩气；收集Cu-Fe合金粉末，并进行干燥、筛分；

3)将步骤2)所得Cu-Fe合金粉末在真空或惰性气体保护下进行时效处理；

4)将基材去除表面氧化物和杂质，表面用丙酮进行超声除油清洗，吹干；

5)采用冷喷涂工艺，将步骤3)处理后的Cu-Fe合金粉末喷涂至步骤4)处理后的基材表面，即得到所述Cu合金导磁涂层。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)是以电解铜和纯铁为原料按配方量混合，或以铜铁中间合金、电解铜、纯铁为原料按配方量混合。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述Cu-Fe合金粉末为近球形，其氧含量O≤1000ppm，粒度范围为10～50μm。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述惰性气体为氩气；所述时效处理包括：450-650℃保温，时间为60-180分钟。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述基材为非铁磁金属材质或非金属材质。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述非铁磁金属材质为铁、钴、镍及其合金之外的金属或其对应合金。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述非金属材质为陶瓷。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤5)所述的冷喷涂工艺中，工作气体为氩气或氮气，喷涂时的气体压力为3～7MPa，气体温度为400～750℃，喷嘴距基体表面的喷涂距离为10～30mm。

10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中所述Cu合金导磁涂层的厚度为100～2000μm。

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