CN113981256A - 一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用 - Google Patents

一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属合金制备技术领域，具体公开了一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用，包括如下步骤：在高温保护气氛下，通过物理或化学方式向液态Cu/Fe合金中加入纳米颗粒，混合并将其分散均匀，然后将混合均匀的具有纳米颗粒的Cu/Fe熔体铸造成坯，再将铸坯进行后处理。采用本发明方法制得的纳米颗粒铜铁复合合金铸坯化学成分稳定，Fe元素分布均匀、不偏析。本发明能解决铜铁合金中Fe析出相分布不均匀的问题，可实现铜基体内Fe析出相的亚微米级乃至纳米级的均匀分布，另外，本发明工艺相较于传统快冷工艺、粉末冶金工艺更简单，更适合规模化生产。

Description

一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用
技术领域
本发明涉及有色金属合金制备技术领域，特别是涉及一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用。
背景技术
铜铁合金(铁含量为5～50％)具有优良的导热性、抗弯折性能，铁含量大于30％时具有非常优良的磁性、电磁屏蔽性能，另外还有良好的低热膨胀系数，耐磨性和抑菌性等特性。据分析，该产品将具有巨大的应用前景，如铜铁板带可用于5G手机散热板、屏蔽罩、大尺寸OLED背板材料、大尺寸LED显示屏散热板(在日本已经应用)、电连接器接插件、无线充电线路板、空调冷凝管等；CuFe合金杆、棒、线、丝材可用于电磁屏蔽线、高保真音频线、无人机高速电机用电磁屏蔽电线、高压电缆线、机器人通讯控制线、射频线、编织电磁屏蔽网/带、海水养殖网箱、焊接丝材等；CuFe合金粉末可用于刹车片、吸波屏蔽涂料、3D打印，医用抗菌方面(如糖尿病伤口愈合)等；CuFe合金在三相异步电机、注塑模具、电火花加工、电烙铁头、电工触头等方面也具有潜在的应用前景。
目前制备高含量铜铁合金存在以下难题：铁在铜中的固溶度极低，室温时几乎完全不互溶，300℃时溶解度仍然为零，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＞wt.20％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(图1所示为Cu-Fe二元合金相图)
因此，通过在生产Cu-Fe二元合金过程中采用特定的纳米颗粒辅助工艺，以期改变所制备Cu-Fe二元合金的固溶性，优化其性能及拓展应用范围，对于高铁含量铜铁合金的规模化生产非常必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用，用于解决现有工艺生产的铜铁合金中Fe析出相分布不均匀的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种纳米颗粒铜铁复合合金的制备方法，包括如下步骤：
在高温保护气氛下，通过物理或化学方式向液态Cu/Fe合金中加入纳米颗粒，混合并将其分散均匀，然后将混合均匀的具有纳米颗粒的Cu/Fe熔体铸造成坯，再将铸坯进行后处理。
进一步，物理加入方式为金属箔包裹纳米颗粒。
进一步，所述金属箔为铁箔或铜箔。
进一步，化学加入方式为熔盐辅助法，熔盐辅助法为：将纳米颗粒与熔盐混匀后加入到Cu/Fe合金溶液中。
进一步，所述熔盐选自碱金属或碱土金属与卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成中的至少一种。
本发明中，熔盐的选取原则为：
a.由碱金属或碱土金属与卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成；
b.熔盐应搭配对应的纳米颗粒，其中熔盐进入液体以后转变成离子液体，能改变相应纳米颗粒表面电荷分布，从而利于纳米颗粒之间稳定分散且不团聚。
进一步，纳米颗粒加入到加入液态Cu/Fe合金中后，混合分散方式为机械搅拌分散或高能超声搅拌。通过大功率超声分散或者大转速机械搅拌等高能分散方式使得纳米颗粒均匀分布在合金溶液中。
进一步，所述后处理方式为一次或多次变形-时效处理。
进一步，所述液态Cu/Fe合金中Fe的质量分数为5～50wt.％。
进一步，所述纳米颗粒占合金溶液体积比为1～20％。
本发明中，纳米颗粒的选取原则为：
a.纳米颗粒具有热稳定性以及化学稳定性，在制备过程中纳米颗粒不应分解或与基体元素(Fe、Cu)反应。
b.纳米颗粒(NP)在生长相(Fe)和基体相(Cu)之间的界面上应具有热力学稳定性。理想情况下，NP/Fe和NP/Cu界面自由能应相互接近，以获得系统总界面能的极大减少。
c.纳米颗粒应快速移动到生长界面(Fe/Cu界面)。通过模型计算模拟，纳米颗粒应该具有小的尺寸(50-100nm)。
进一步，所述纳米颗粒选自纳米碳化物陶瓷颗粒、纳米氮化物陶瓷颗粒、纳米氧化物陶瓷颗粒、纳米硼化物陶瓷颗粒中的至少一种。
进一步，所述纳米颗粒的尺寸为50-100nm。
进一步，所述纳米颗粒选自SiC、MoC、WC、Al2O3、BN、TiB2中的至少一种。
本发明第二方面提供一种由第一方面所述的方法制备得到的纳米颗粒铜铁复合合金。
本发明第三方面提供由第一方面所述的方法在制备铜铁合金上的应用。
如上所述，本发明的纳米颗粒铜铁复合合金及其制备与应用，具有以下有益效果：
采用本发明方法制得的纳米颗粒铜铁复合合金铸坯化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀，Fe元素分布均匀、不偏析，无Fe颗粒的富集。本发明不仅有效解决了铜铁合金中Fe析出相分布不均匀的问题，还能够实现铜基体内Fe析出相的亚微米级乃至纳米级的均匀分布。同时，相较于传统快冷工艺、粉末冶金工艺，本发明的纳米颗粒铜铁复合合金制备工艺操作更加简单，成本低，更适合规模化、工业化生产。
附图说明
图1显示为Cu-Fe二元合金相图。
图2显示为本发明的纳米颗粒铜铁复合合金的原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供了一种纳米颗粒铜铁复合合金的制备方法，包括如下步骤：
在高温保护气氛下，通过物理或化学方式向液态Cu/Fe合金中加入纳米颗粒，通过机械搅拌分散或高能超声搅拌混合均匀，然后将混合均匀的具有纳米颗粒的Cu/Fe熔体铸造成坯，再将铸坯进行后处理。
具体的，物理加入方式为金属箔包裹纳米颗粒，所述金属箔为铁箔或铜箔。
具体的，化学加入方式为熔盐辅助法，熔盐辅助法为：将纳米颗粒与熔盐混匀后加入到Cu/Fe合金溶液中。可选地，所述熔盐选自碱金属或碱土金属与卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成中的至少一种。
本发明中，熔盐的选取原则为：
a.由碱金属或碱土金属与卤化物、硅酸盐、碳酸盐、硝酸盐以及磷酸盐组成；
b.熔盐应搭配对应的纳米颗粒，其中熔盐进入液体以后转变成离子液体，能改变相应纳米颗粒表面电荷分布，从而利于纳米颗粒之间稳定分散且不团聚。
具体的，所述后处理方式为一次或多次变形-时效处理。
具体的，所述液态Cu/Fe合金中Fe的质量分数为5～50wt.％，所述纳米颗粒占合金溶液体积比为1～20％。
本发明中，纳米颗粒的选取原则为：
a.纳米颗粒具有热稳定性以及化学稳定性，在制备过程中纳米颗粒不应分解或与基体元素(Fe、Cu)反应。
b.纳米颗粒(NP)在生长相(Fe)和基体相(Cu)之间的界面上应具有热力学稳定性。理想情况下，NP/Fe和NP/Cu界面自由能应相互接近，以获得系统总界面能的极大减少。
c.纳米颗粒应快速移动到生长界面(Fe/Cu界面)。通过模型计算模拟，纳米颗粒应该具有小的尺寸和更低的密度。
具体的，所述纳米颗粒选自纳米碳化物陶瓷颗粒、纳米氮化物颗粒、纳米氧化物陶瓷颗粒、纳米硼化物陶瓷颗粒中的至少一种。优选地，所述纳米颗粒选自SiC、MoC、WC、Al2O3、BN、TiB2中的至少一种。
本发明的纳米颗粒铜铁复合合金制备原理如下：
如图2所示，在二元合金(Cu/Fe)中引入分布均匀且稳定的纳米颗粒，通过用热稳定的纳米颗粒快速包围住形核相来控制晶核的增长；当合适的纳米颗粒均匀分散在合金溶液中时，冷却进入到不混溶区过程中，纳米颗粒会自发地聚集在少数的晶核(Fe)和液体基体(Cu/Fe)之间的界面上，迅速在少数的晶核(Fe)周围形成一层纳米颗粒墙，阻碍晶核与液体基体之前的扩散运输，从而大大限制晶核生长，并使新的晶核在整个冷却期间持续形成在没有纳米颗粒纯体系(Cu/Fe)的冷却过程中，首先形核的Fe快速长大会消耗周围液体基体(Cu/Fe)中的过饱和溶质(Fe)，并释放潜热提高周围液体基体的温度，从而造成缺乏足够的过冷度，无法形成新的晶核；最初形成的晶核(Fe)不断长大，最后发生偏析，导致成分不均和Fe的富集。
采用本发明方法制备得到的纳米颗粒铜铁复合合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀，Fe元素分布均匀、不偏析。
下面具体的例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行具体的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
本实施例制备一种纳米颗粒铜铁复合合金，其制备方法步骤如下：
(1)通过加热炉在氧化铝坩埚中熔化纯铜(400g)、纯铁(100g)，得铜铁合金溶液；
(2)在氮气保护氛围中，通过铁箔包裹SiC纳米颗粒，SiC纳米颗粒占铜铁溶液体积比为1％，以棒状(棒状的铁箔包裹的SiC纳米颗粒)喂食的方法将纳米颗粒送入合金溶液中；
(3)在溶液中进行机械搅拌分散纳米颗粒，转速200rpm；
(4)通过浇铸成坯，并进行冷轧时效得到纳米颗粒铜铁复合合金样品。
实施例2
本实施例制备一种纳米颗粒铜铁复合合金，其制备方法步骤如下：
(1)通过加热炉在氧化铝坩埚中熔化纯铜(250g)、纯铁(250g)，得铜铁合金溶液；
(2)在氮气保护氛围中，通过熔盐辅助法加入MoC纳米颗粒，具体方式为：将占铜铁溶液体积比为20％的MoC纳米颗粒与NaCl混匀以后直接加入到Cu/Fe合金溶液中；
(3)在溶液中进行高能超声搅拌分散纳米颗粒，超声振幅120μm，频率20kHz；
(4)通过压铸成坯，并进行多次形变时效处理得到纳米颗粒铜铁复合合金样品。
实施例3
本实施例制备一种纳米颗粒铜铁复合合金，其制备方法步骤如下：
(1)通过加热炉在氧化铝坩埚中熔化纯铜(375g)、纯铁(125g)，得铜铁合金溶液；
(2)在惰性气体(氩气)保护氛围中，通过熔盐辅助法加入TiB2纳米颗粒，具体方式为：将占铜铁溶液体积比为10％的TiB2纳米颗粒与CaF2混匀以后直接加入到Cu/Fe合金溶液中；
(3)在溶液中进行高能超声搅拌分散纳米颗粒，超声振幅120μm，频率20kHz；
(4)通过压铸成坯，并进行多次形变时效处理得到纳米颗粒铜铁复合合金样品。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种纳米颗粒铜铁复合合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在高温保护气氛下，通过物理和/或化学方式向液态Cu/Fe合金中加入纳米颗粒，混合并将其分散均匀，然后将混合均匀的具有纳米颗粒的Cu/Fe熔体铸造成坯，再将铸坯进行后处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：物理加入方式为金属箔包裹纳米颗粒；
和/或，化学加入方式为熔盐辅助法，熔盐辅助法为：将纳米颗粒与熔盐混匀后加入到Cu/Fe合金溶液中；
和/或，纳米颗粒加入到加入液态Cu/Fe合金中后，混合分散方式为机械搅拌分散或高能超声搅拌。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述金属箔为铁箔或铜箔。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述后处理方式为一次或多次变形-时效处理。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述液态Cu/Fe合金中Fe的质量分数为5～50wt.％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒占合金溶液体积比为1～20％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒选自纳米碳化物陶瓷颗粒、纳米氮化物颗粒、纳米氧化物陶瓷颗粒、纳米硼化物陶瓷颗粒中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述纳米颗粒选自SiC、MoC、WC、Al2O3、BN、TiB2中的至少一种。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的纳米颗粒铜铁复合合金。
10.根据权利要求1-8任一项所述的方法在制备铜铁合金上的应用。
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