CN113667859A - 一种具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法，包括：Fe：18～22 wt.%，B：0.1～0.5 wt.%，余量为Cu；其制备方法包括以下步骤：将纯铜在具有保护气的感应炉中熔化，熔化温度为1100～1200℃；待纯铜完全熔化后加入纯铁，提高熔化温度至1450～1550℃，保温时间为30～45分钟；随后加入Fe‑B中间合金，保温5～10分钟后施加电磁搅拌，搅拌后在1500～1600℃保温15～20分钟，然后将熔炼的合金液浇注到模具中。本发明通过B合金化元素的添加可显著地提高Cu‑Fe合金的软磁性能，尤其饱和磁化强度,且不劣化合金电导率，有利于合金宽频段电磁屏蔽性能提升。

Description

一种具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术，尤其涉及一种具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法。
背景技术
Cu-Fe合金作为一种典型的亚稳态难混溶合金，兼备Cu、Fe组元各自的优异性质：铜的良好导电性、导热性、延展性、弹性等，以及铁的高强度、高硬度、优异的耐磨性及磁性等，是一种性能优越的铜合金材料。高Fe含量Cu-Fe合金既具备高强度和良好延展性，又兼具优良的导电性和磁性能，表现优越的电磁波屏蔽效能，能满足高技术和特殊功能的需求，广泛应用于多种产业领域。通常，提高Fe含量是提高铜铁合金磁性能的有效手段之一，然而铁含量的增加却显著劣化合金的导电性，这会显著影响合金的电磁波屏蔽性能。因此，如何时实现高磁性能和高导电性面临着一定的困难和挑战。
发明内容
本发明的目的在于，面向宽频段电磁屏蔽使用特性，针对现有技术铜铁合金磁性能和导电性较难兼容的问题，提出一种具有优异软磁性能的铜铁合金，该合金既具有优异的软磁性能，又兼具良好导电性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有优异软磁性能的铜铁合金，包括铜（Cu）、铁（Fe）、硼（B）；所述铜铁合金中，硼的质量百分数为0.1～0.5%；优选的，所述铜铁合金中，铁的质量百分数为18～22 %，硼的质量百分数为0.2～0.35%，余量为Cu。
本发明公开的具有优异软磁性能的铜铁合金由含量为18～22 wt.%的Fe，含量为0.1～0.5 wt.%的B，余量Cu组成。进一步的，由含量为18～20 wt.%的Fe，含量为0.2～0.35wt.%的B，余量Cu组成。
本发明公开了上述具有优异软磁性能的铜铁合金的制备方法，包括以下步骤：将铜、铁、铁硼熔融混合后浇铸，得到铸锭；所述铸锭经过热处理后冷却处理，得到具有优异软磁性能的铜铁合金。优选的，所述熔融混合、浇铸在保护气体中进行；热处理为真空环境下，950～980℃保温4～6h；冷却处理为水冷处理。
优选的，将铁加入铜熔液中，熔化后加入铁硼，完成铜、铁、铁硼熔融混合。进一步优选的，于1100～1200℃将铜熔化，然后在1250～1300℃保温5～10分钟，然后加入Fe，于1450～1550℃将铁熔化，然后在1500～1550℃保温30～45分钟；再加入铁硼，保温5～10分钟后施加电磁搅拌；完成铜、铁、铁硼熔融混合。
本发明公开了一种轧制态铜铁合金，由上述具有优异软磁性能的铜铁合金轧制得到，具体的，上述具有优异软磁性能的铜铁合金经过热轧开坯后，进行固溶处理，然后进行室温轧制，得到轧制态铜铁合金。优选的，所述热轧的温度为800～850℃；固溶的温度为950～980 ℃，保温时间为1～2小时，水冷淬火；室温轧制的轧制变形量为70～80 %。
本发明公开了上述具有优异软磁性能的铜铁合金或者轧制态铜铁合金在制备软磁合金中的应用。
上述技术方案中，所述保护气为氩气气体，氩气为高纯氩气。
上述技术方案中，铜、铁为纯铜、纯铁，其中纯Cu纯度不低于99.95 wt.%，纯Fe纯度不低于99.95 wt.%。
本发明公开了具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法，与现有技术相比较具有以下优点：
本发明的铜铁合金中含有18～20 wt.%的Fe、0.2～0.35 wt.%的B，其余为Cu。本发明中的具有优异软磁性能铜铁合金的凝固组织由枝晶状及球状富铁相、铜基体组成，且组织均匀，不存在大范围成分偏析。本发明中通过添加B合金化元素加能够显著地提高铜铁合金的饱和磁化强度，优化合金软磁性能，且不劣化合金电导率，有利于合金宽频段电磁屏蔽使用特性提升，在工程应用上意义重大，应用前景广阔。因此，本发明具有优异软磁性能Cu-Fe合金及其制备方法对促进Cu-Fe合金的潜在工业应用有着重要意义。
附图说明
图1为制备合金的XRD分析图谱；
图2为制备合金的室温下磁滞回线；
图3为制备合金的电导率。
具体实施方式
本发明的原料都是市售常规产品，具体制备操作以及测试方法都是常规方法。原料将纯Fe、纯Cu和Fe-B中间合金按照目标产物中的质量百分比进行配料，作为常识，物料放置烘干箱中烘干0.5～1小时，烘干温度在60～100℃。纯Cu纯度不低于99.95 wt.%，纯Fe纯度不低于99.95 wt.%，Fe-B中间合金为Fe-5wt.%中间母合金。
采用Lakershore-7400s型振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer,VSM)对制备样品进行磁性能测试，磁性能测试的样品尺寸为4×4×1mm3，测试后样品的重量采用精度为0.001g精密电子天平称重。采用ZY9858型微欧计对样品室温电阻进行测试，使用游标卡尺和千分尺测量出试样的长度和直径，按电阻计算公式R=ρL/A计算试样电阻率，将所测数据用常规公式转化为国际标准退火铜(%IACS)电导率。
本发明公开了一种具有优异软磁性能的铜铁合金及其制备方法，将铜、铁、铁硼熔融混合后浇铸，得到铸锭；所述铸锭经过热处理后冷却处理，得到具有优异软磁性能的铜铁合金。优选的，于1100～1200℃将铜熔化，然后在1250～1300℃保温5～10分钟，然后加入Fe，于1450～1550℃将铁熔化，然后在1500～1550℃保温30～45分钟；再加入铁硼，保温5～10分钟后施加电磁搅拌；完成铜、铁、铁硼熔融混合。具体步骤如下：
将纯Cu放置在氧化铝坩埚中，将纯Fe和Fe-B中间合金放入料斗中备用。在保护气体中感应加热至1100～1200℃；待纯Cu完全熔化，将温度设置在1250～1300℃，保温5～10分钟，然后放入纯Fe，提高熔化温度至1450～1550℃；待Fe完全熔化后，将温度设置在1500～1550℃，保温时间为30～45分钟；将料斗中的纯Fe-B中间合金加入，保温5～10分钟后施加常规电磁搅拌；搅拌后静置10～15分钟，期间温度控制在1550-1600℃，然后浇铸在预热的模具中；将得到的铸锭放置在真空热处理炉中进行均匀化热处理，热处理温度：950～980℃，保温时间4～6h，保温结束将铸锭放置于水中进行快速冷却，得到铸态合金，为具有优异软磁性能的铜铁合金。
将上述铸态合金先进行热轧开坯，随后进行固溶处理，固溶温度为950～980℃，保温时间为1～2小时，水冷淬火；去除表面氧化层后，进行室温轧制，轧制变形量70～80%，每道次下降10%，可得到轧制态铜铁合金。
上述技术方案中，所述浇铸采用的模具为铸铁铸模或石墨铸模；预热温度为400～600℃。
实施例
按表1将纯Fe、纯Cu和Fe-B中间合金进行配料，放置烘干箱中烘干1小时，烘干温度在80℃，用于实施例产品的制备，具体制备方法如下：
将纯Cu放置在氧化铝坩埚中，将纯Fe和Fe-B中间合金放入料斗中备用。在高纯氩气中感应加热至1150℃；待纯Cu完全熔化，将温度设置在1250℃，保温10分钟，然后放入纯Fe，提高熔化温度至1500℃；待Fe完全熔化后，将温度设置在1550℃，保温30分钟；再将料斗中的Fe-B中间合金加入，保温10分钟后施加常规电磁搅拌；搅拌后静置10分钟，期间温度控制在1550℃，然后浇铸在500℃预热的模具中，得到铸锭；将得到的铸锭放置在真空热处理炉中进行均匀化热处理，热处理温度：980℃，保温时间5h，保温结束将铸锭浸入常温水中冷却至室温，得到铸态合金，为具有优异软磁性能的铜铁合金，记为Cu-20Fe-xB，x为B的质量百分数×100，进行性能测试。
表1具有优异软磁性能的铜铁合金的元素组成，wt%
Figure DEST_PATH_IMAGE001
将上述铸态合金先进行850℃热轧开坯，随后进行固溶处理，固溶温度为980 ℃，保温时间为1.5小时，水冷淬火；采用铣床去除表面氧化层后，进行室温轧制，轧制变形量80%，每道次下降10 %，可得到轧制态铜铁合金。
对比例
按20wt%纯Fe、80wt%纯Cu进行配料，放置烘干箱中烘干1小时，烘干温度在80℃，用于对比例产品的制备，具体制备方法如下：
将纯Cu放置在氧化铝坩埚中，将纯Fe放入料斗中备用。在高纯氩气中感应加热至1150℃；待纯Cu完全熔化，将温度设置在1250℃，保温10分钟，然后放入纯Fe，提高熔化温度至1500℃；待Fe完全熔化后，将温度设置在1550℃，保温30分钟后施加常规电磁搅拌；搅拌后静置10分钟，期间温度控制在1550℃，然后浇铸在500℃预热的石墨模具中，得到铸态铜铁合金，其饱和磁化强度和电导率分别为31.56 emu/g和37.78 IACS%。
对比的，改变上述石墨模具预热温度为室温（即不预热石墨模具），其余一样，得到铸态铜铁合金，其饱和磁化强度虽增至33.17 emu/g，但是电导率却降低至33.67 IACS%。
图1为制备合金的XRD分析图谱；图2为制备合金的室温下磁滞回线；图3为制备合金的电导率。分析实施例与对比例可看出，在其他条件一样的情况下，B的微量加入明显提升铜铁合金的软磁性能，尤其是，进一步提升了导电性能，这克服了现有技术认为提高铜铁合金软磁性能必然导致导电性能下降的技术偏见。
现有技术对于难混溶Cu-Fe而言，控制凝固过程中的冷却速度是调控合金凝固组织最为普遍且简易的方法。具体而言，通过加快合金冷却速度，合金的富铁相得到细化，因此使得饱和磁化强度能明显提升，然而显著恶化合金的电导率，不利于合金软磁性能的提升。本发明采用新的技术思路，在明显提高铜铁合金饱和磁化强度的基础上，还预料不到的提到其导电性，从而实现了优异软磁性能合金的制备。

Claims (10)

1.一种具有优异软磁性能的铜铁合金，包括铜、铁，其特征在于，还包括硼；所述铜铁合金中，硼的质量百分数为0.1～0.5%。
2.根据权利要求1所述具有优异软磁性能的铜铁合金，其特征在于，所述铜铁合金中，铁的质量百分数为18～22%，硼的质量百分数为0.2～0.35%，余量为Cu。
3.权利要求1所述具有优异软磁性能的铜铁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铜、铁、铁硼熔融混合后浇铸，得到铸锭；所述铸锭经过热处理后冷却处理，得到具有优异软磁性能的铜铁合金。
4.根据权利要求3所述具有优异软磁性能的铜铁合金的制备方法，其特征在于，所述熔融混合、浇铸在保护气体中进行；热处理为真空环境下，950～980℃保温4～6h；冷却处理为水冷处理。
5.根据权利要求3所述具有优异软磁性能的铜铁合金的制备方法，其特征在于，将铁加入铜熔液中，熔化后加入铁硼，完成铜、铁、铁硼熔融混合。
6.根据权利要求5所述具有优异软磁性能的铜铁合金的制备方法，其特征在于，于1100～1200℃将铜熔化，然后在1250～1300℃保温5～10分钟，然后加入Fe，于1450～1550℃将铁熔化，然后在1500～1550℃保温30～45分钟；再加入铁硼，保温5～10分钟后施加电磁搅拌；完成铜、铁、铁硼熔融混合。
7.一种轧制态铜铁合金，其特征在于，将权利要求1所述具有优异软磁性能的铜铁合金进行轧制，得到轧制态铜铁合金。
8.权利要求7所述轧制态铜铁合金的制备方法，其特征在于，权利要求1所述具有优异软磁性能的铜铁合金经过热轧开坯后，进行固溶处理，然后进行室温轧制，得到轧制态铜铁合金。
9.根据权利要求8所述轧制态铜铁合金的制备方法，其特征在于，所述热轧的温度为800～850℃；固溶的温度为950～980 ℃，保温时间为1～2小时，水冷淬火；室温轧制的轧制变形量为70～80 %。
10.权利要求1所述具有优异软磁性能的铜铁合金或者权利要求7所述轧制态铜铁合金在制备软磁合金中的应用。
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