CN113151704B

CN113151704B - 一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法

Info

Publication number: CN113151704B
Application number: CN202110235712.1A
Authority: CN
Inventors: 郑良玉; 周涛; 王永如; 巢国辉; 欧阳好; 翟素丹
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-03-03
Also published as: CN113151704A

Abstract

本发明公开了一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：包括以下制备工艺步骤：1)配料：Fe粉的质量百分占比为10～50％，余量为Cu粉和不可避免的杂质；2)球磨混粉：将铜粉和铁粉进行球磨并混粉；3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制形成坯料。本发明采用梯度烧结，铜粉颗粒和铁粉颗粒能够重新排布和充分烧结，为后续时效提供足够的时效动力，梯度热处理的方式保证了以细小的Fe相充分析出，实现铜铁合金强度与导电率的均衡，且弹性模量提高，本发明的铜铁合金的抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10％，导电率≥45％IACS，弹性模量≥120GPa。

Description

一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法

技术领域

本发明属于铜合金加工技术领域，具体涉及一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法。

背景技术

弹性合金广泛应用于制造各种弹性元件，例如，波纹管、膜片膜盒、压力弹簧管、弹簧接触片、热敏双金属弹簧、继电器用导电弹簧、断路器弹簧以及航空仪器仪表中用的各类弹簧。

铜铁合金也为弹性合金中的一种，即具有铜的导电性、导热性、延展性等特点，又具有铁的高强度、耐磨性以及电磁屏蔽特性，且弹性性能优异，在医疗卫生、电子信息、航天航空等方面有着巨大的应用前景。

目前，铜铁合金的方法主要包括合金化法和复合材料方法。传统合金化方法只能实现10％以下含Fe量的铜铁合金制备，粉末冶金方法能实现铜铁任意比例的铜铁合金制备，是复合材料方法中应用最为广泛的方法，在铜铁合金制备上也有应用实例。但现有的铜铁合金的制备通常采用压制后一个温度段控制烧结时间，以及冷加工后一个温度段进行热处理，但由于Cu、Fe元素的熔点相差454℃，较高温度下一定时间烧结，晶粒组织过大，铁颗粒易产生聚集，较低温度下一定时间内烧结，组织致密度不高，现有的制备方法难以获得高弹性的铜铁合金，弹性模量一般在110GPa以下，而现代工业的发展加速了电子元器件小型化、精密化、高性能化的发展，尤其是载人航天、探月工程、卫星导航系统、核心电子器件等行业，因此对铜合金在弹性性能方面提出了更高的要求。

如中国发明专利申请号为CN202010406862.X(公开号为CN111424188A)公开了一种高导电高强铜铁合金及其制备方法，包括下述的步骤：(1)按Fe含量为5-25wt.％，余量为Cu及不可避免的杂质，将合金原料采用雾化法制备成合金粉末；(2)首先将合金粉末在30-300MPa的压力下压制得到粉末压坯；然后在还原气氛下，将粉末压坯在900-1300℃条件下进行烧结，时间为0.5-2h，或者在还原气氛下，采用电火花活化烧结将合金粉末进行烧结，烧结温度为800-950℃，保压时间为10-45min。(3)将烧结坯进行冷加工变形处理，得到变形态Cu-Fe材料；(4)将变形态Cu-Fe材料进行时效处理；依次重复进行步骤(3)和(4)，变形-时效处理多次得到高导电高强铜铁合金；所述冷加工变形处理单次变形量为0-30％，总变形量为0-90％；所述时效处理的温度为200-400℃，时间为0.5-1.5h。该发明中烧结和时效处理的温度为一个时间段，并不能完全保证铜铁合金中铁的分散和析出，从而最终影响铜铁合金综合性能的获得，特别是对于弹性性能的提高不利。

发明内容

本发明提供一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，解决现有铜铁合金的弹性性能低，且具有高强度、高导电率，综合性能优异。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：包括以下制备工艺步骤：

1)配料：Fe粉的质量百分占比为10～50％，余量为Cu粉和不可避免的杂质；

2)球磨混粉：将铜粉和铁粉进行球磨并混粉；

3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制形成坯料；

4)烧结：将压制后的坯料进行梯度烧结；在还原气氛下进行烧结，先将坯料温度控制在1050～1300℃之间，保温1～15min，随后将坯料温度降至850～1000℃，保温0.5～2.5h，所述还原气氛为一氧化碳和氢气中的至少一种；

5)轧制：形成带坯；

6)热处理：对轧制后的带坯进行梯度热处理；在保护气氛下进行热处理，先将带坯温度控制在450～550℃之间，保温1～2h，随后将带坯温度降至350～400℃之间，保温6～10h，所述保护气氛为氮气和氩气中的至少一种；

上述步骤完成后获得成品尺寸或者重复步骤5)和步骤6)直至获得成品尺寸，所获得的成品铜铁合金的弹性模量≥120GPa。

作为优选，所述步骤1)中，铜粉和铁粉的粒度控制在20μm以下。

作为优选，所述步骤2)中，在保护气氛下进行球磨，球磨机的转速300～500r/min，球磨时间3～6h，所述保护气氛为氮气和氩气中的至少一种。

作为优选，所述步骤3)中，压制力为120～180MPa，压制时间为5～15s。

作为优选，所述步骤4)中，在还原气氛下进行烧结，先将坯料温度控制在1050～1300℃之间，保温1～15min，随后将坯料温度降至850～1000℃，保温0.5～2.5h，所述还原气氛为一氧化碳和氢气中的至少一种。

先将坯料温度控制在1050～1300℃之间，保温1～15min，原因在于较高的温度下，金属原子运动加剧，颗粒重新排布速度加快，尖角处更容易被颗粒填充，保温时间过短，重新排布不均匀，保温时间过长，铁颗粒产生聚集，导致偏析；再降低温度，进行较长时间保温，保证坯料的充分烧结，冶金结合更为充分，因此，梯度烧结工艺会获得气孔少，致密度高的烧结坯，提高铜铁合金最终的强度和弹性模量。

梯度退火原因在于铜铁合金的强化方式由时效析出强化和加工硬化组成，较高温度短时间保温下保证Fe颗粒的析出，对于Fe含量大于3％高铁含量的铜铁合金(本专利中Fe含量高于10％)轧制后如果进行高温长时间时效后，铁颗粒发生聚集、长大，故而后续在进行低温段保温，保证固溶在铜基体中Fe颗粒的充分析出且析出相小于10μm、分布均匀。

作为优选，所述步骤5)中，采用异步轧制工艺，上下轧辊的异速比为1.1～3.0，异速比通过上下轧辊的直径或速度进行控制，单次轧制率控制在5～20％，总轧制率控制在30～90％。

采用异步轧制工艺，导致轧件与轧辊接触面上的摩擦力中性面发生移动，上下接触面的摩擦力形成一个额外的搓轧区，搓轧区造成的切位变形影响了轧制板材的织构和晶粒大小，同时改善了粉末颗粒间接触成型的性能，可以大幅提高带坯的机械性能，另外相对于普通的轧制(对称轧制)的压缩孪晶，异步轧制的剪切应变形会导致拉伸孪晶织构的形成，提高了成品弹性模量。异速比越大，形成的搓轧区越大，材料的变形程度越大，增强了时效析出动力，过大的异速比会导致轧制坯料材料变形严重，甚至开裂，因此将上下轧辊的异速比控制在1.1～3.0。

作为优选，所述转速相对较快的上轧辊或者下轧辊的转速为330～3000r/min；直径相对较大的上轧辊或者下轧辊的直径控制在100～1200mm。

作为优选，所述步骤6)中，在保护气氛下进行热处理，先将带坯温度控制在450～550℃之间，保温1～2h，随后将带坯温度降至350～400℃之间，保温6～10h，所述保护气氛为氮气和氩气中的至少一种。

作为优选，成品铜铁合金的抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10％，导电率≥45％IACS。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用梯度烧结，铜粉颗粒和铁粉颗粒能够重新排布和充分烧结，为后续时效提供足够的时效动力，梯度热处理的方式保证了以细小的Fe相充分析出，实现铜铁合金强度与导电率的均衡，且弹性模量提高，本发明的铜铁合金的抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10％，导电率≥45％IACS，弹性模量≥120GPa。

附图说明

图1为本发明实施例4的异步轧制示意图；

图2为本发明实施例1的成品金相组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至实施例5为采用本发明方法制备的铜铁合金，成分见表1。

实施例1

制备厚度为0.5mm、含铁10％的铜铁合金带材，包括以下步骤：

(1)配料：原料为市购的电解铜粉和电解铁粉，铁粉和铜粉粒度控制在20μm以下，按照Fe含量10％进行配料，余量为Cu和不可避免的杂质；

(2)球磨混粉：将铜铁粉末在氮气保护气氛下进行球磨混粉，球磨工艺为500r/min，球磨时间为5h；

(3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制，压制力为150MPa，压制时间为5s，压制得到8mm厚带坯；

(4)烧结：烧结工艺首先温度控制在1050℃左右，保温8min，随后温度降至850℃，保温1.5h，烧结气氛为氢气；

(5)轧制-梯度热处理：烧结后8mm带坯异步轧制至2mm，异速比控制在2.3左右，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为1000r/min，经梯度退火后异步轧制0.5mm，异速比控制在3.0，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为500r/min，再成品梯度退火；两次梯度退火工艺为将温度控制在470℃，保温1h，随后温度降至350℃，保温6h。热处理保护气氛为氮气。

实施例2

制备厚度为0.5mm、含铁20％的铜铁合金带材，包括以下步骤：

(1)配料：原料为市购的电解铜粉和电解铁粉，铁粉和铜粉粒度控制在20μm以下，按照Fe含量20％进行配料，余量为Cu和不可避免的杂质；

(2)球磨混粉：将铜铁粉末在氮气保护气氛下进行球磨混粉，球磨工艺为450r/min，球磨时间为3h；

(3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制，压制力为160MPa，压制时间为10s，压制得到6mm厚带坯；

(4)烧结：烧结工艺首先温度控制在1200℃左右，保温10min，随后温度降至900℃，保温2h，还原气氛为一氧化碳；

(5)轧制-梯度热处理：烧结后6mm带坯异步轧制至1.5mm；异速比控制在1.8，下轧辊转速大，上轧辊转速小，下轧辊的转速为2000r/min，经梯度退火后异步轧制0.5mm，异速比控制在2.5，下轧辊转速大，上轧辊转速小，下轧辊的转速为1000r/min，再成品梯度退火；两次梯度退火工艺为将温度控制在500℃，保温1h，随后温度降至350℃，保温6h。热处理保护气氛为氮气。

实施例3

厚度为0.5mm、含铁30％的铜铁合金带材，包括以下步骤：

(1)配料：原料为市购的电解铜粉和电解铁粉，铁粉和铜粉粒度控制在20μm以下，按照Fe含量30％进行配料，余量为Cu和不可避免的杂质；

(2)球磨混粉：将铜铁粉末在氩气保护气氛下进行球磨混粉，球磨工艺为300r/min，球磨时间为6h；

(3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制，压制力为120MPa，压制时间为8s，压制得到6mm厚带坯；

(4)烧结：烧结工艺首先温度控制在1150℃左右，保温10min，随后温度降至950℃，保温1.0h。还原气氛为一氧化碳；

(5)轧制-梯度热处理：烧结后6mm带坯异步轧制至1.5mm；异速比控制在1.6，异速比通过上下轧辊的直径控制，上轧辊直径大，下轧辊直径小，上轧辊的直径为500mm，梯度退火后异步轧制至0.5mm，异速比控制在2.1，异速比通过上下轧辊的直径控制，上轧辊直径大，下轧辊直径小，上轧辊的直径为200mm，最后成品梯度退火。两次梯度退火工艺为将温度控制在500℃，保温1.5h，随后温度降至380℃，保温7h。热处理保护气氛为氩气。

实施例4

厚度为0.5mm、含铁40％的铜铁合金带材，包括以下步骤：

(1)配料：原料为市购的电解铜粉和电解铁粉，铁粉和铜粉粒度控制在20μm以下，按照Fe含量40％进行配料，余量为Cu和不可避免的杂质；

(2)球磨混粉：将铜铁粉末在氮气保护气氛下进行球磨混粉，球磨工艺为400r/min，球磨时间为4h；

(3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制，压制力为170MPa，压制时间为15s，压制得到5mm厚带坯；

(4)烧结：烧结工艺首先温度控制在1250℃左右，保温3min，随后温度降至1000℃，保温1.5h。还原气氛为氢气和一氧化碳的混合气体；

(5)轧制-梯度热处理：烧结后6mm带坯异步轧制至2mm；异速比控制在1.3，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为1500r/min，经梯度退火后异步轧制0.5mm，异速比控制在1.7，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为800r/min，再成品梯度退火；两次梯度退火工艺将温度控制在520℃，保温1h，随后温度降至370℃，保温6h。保护气氛为氮气和氩气。

实施例5

厚度为0.5mm、含铁50％的铜铁合金带材，包括以下步骤：

(1)配料：原料为市购的电解铜粉和电解铁粉，铁粉和铜粉粒度控制在20μm以下，按照Fe含量50％进行配料，余量为Cu和不可避免的杂质；

(2)球磨混粉：将铜铁粉末在氮气保护气氛下进行球磨混粉，球磨工艺为400r/min，球磨时间为3.5h；

(3)压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制，压制力为180MPa，压制时间为7s，压制得到5mm厚带坯；

(4)烧结：烧结工艺首先温度控制在1300℃左右，保温10min，随后温度降至1000℃，保温1.5h。还原气氛为一氧化碳；

(5)轧制-梯度热处理：烧结后4mm带坯异步轧制至1.2mm；异速比控制在1.1，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为500r/min，经梯度退火后异步轧制0.5mm，异速比控制在1.5，上轧辊的转速大，下轧辊的转速小，上轧辊的转速为1000r/min，再成品梯度退火；梯度退火工艺为将温度控制在480℃，保温1h，随后温度降至400℃，保温6h。保护气氛为氩气。

对比例

1)配料：按合金组成中Fe/(Cu+Fe)的质量分百分数为10％，即所需铜铁合金中Fe含量为10wt.％配比纯铜块和铜铁中间合金块；

2)雾化制粉在氮气气氛下，采用气雾化法制备合金粉末，气雾化过程的压力为0.5-0.7MPa，熔化温度为1200℃；

3)压制烧结：将合金粉末在200MPa的压力下压制得到粉末压坯；粉末压坯在氢气气氛下，温度为1050℃条件下，烧结1小时，得到烧结坯；

4)对称轧制变形与热处理：将烧结坯进行单次变形量为30％的冷变形(轧制)加工，之后经温度为300℃，时间为1h的时效处理，完成一个变形+时效的循环；

5)重复步骤(4)两次，总变形量达到90％，之后得到高导电高强Cu-Fe合金。

室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。

导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。

弹性模量的检测按照《GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法》在拉力试验机上进行，引伸计精度优于0.5级，试样要求以《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》为标准。

表1实施例的铜铁合金的化学成分(wt％)

其中，C、H、O、S为杂质。

表2实施例制得的铜铁合金带材的性能测试结果

Claims

1.一种粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：包括以下制备工艺步骤：

1）配料：Fe粉的质量百分占比为10～50%，余量为Cu粉和不可避免的杂质；

2）球磨混粉：将铜粉和铁粉进行球磨并混粉；

3）压制：将球磨好的铜铁混合粉末进行压制形成坯料；

4）烧结：将压制后的坯料进行梯度烧结；在还原气氛下进行烧结，先将坯料温度控制在1050～1300℃之间，保温1～15min，随后将坯料温度降至850～1000℃，保温0.5～2.5h，所述还原气氛为一氧化碳和氢气中的至少一种；

5）轧制：形成带坯；

6）热处理：对轧制后的带坯进行梯度热处理；在保护气氛下进行热处理，先将带坯温度控制在450～550℃之间，保温1～2h，随后将带坯温度降至350～400℃之间，保温6～10h，所述保护气氛为氮气和氩气中的至少一种；

上述步骤完成后获得成品尺寸或者重复步骤5）和步骤6）直至获得成品尺寸，所获得的成品铜铁合金的弹性模量≥120GPa。

2.根据权利要求1所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：所述步骤1）中，铜粉和铁粉的粒度控制在20μm以下。

3.根据权利要求1所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：所述步骤2）中，在保护气氛下进行球磨，球磨机的转速300～500r/min，球磨时间3～6h，所述保护气氛为氮气和氩气中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：所述步骤3）中，压制力为120～180MPa，压制时间为5～15s。

5.根据权利要求1所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：所述步骤5）中，采用异步轧制工艺，上下轧辊的异速比为1.1～3.0，异速比通过上下轧辊的直径或速度进行控制，单次轧制率控制在5～20%，总轧制率控制在30～90%。

6.根据权利要求5所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：速度相对较快的上轧辊或者下轧辊的转速为330～3000r/min；直径相对较大的上轧辊或者下轧辊的直径控制在100～1200mm。

7.根据权利要求1所述的粉末冶金制备高弹性铜铁合金的方法，其特征在于：成品铜铁合金的抗拉强度≥600MPa，延伸率≥10%，导电率≥45%IACS。