CN114289725B - 一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法。通过真空熔炼和雾化工艺制备铜铁合金粉末，经冷等静压成型、真空烧结及变形加工制备板带及棒丝状铜铁合金。熔炼时添加高碳铬铁合金，一方面利用铬除去熔体中自由氧，提高铜铁合金导电率和延伸率；另一方面利用高碳铬铁合金中含有的碳元素，使固溶在铜基体中的Fe、Cr以均匀细小的(Fe,Cr)₇C₃硬质颗粒形式析出，进一步提高强度和导电率，并增强合金耐磨性。本发明技术能够实现高强度、高导电、高耐磨的宽范围铁含量(5～50wt％Fe)铜铁合金的制备加工，解决了传统熔炼法制备铜铁合金成分偏析、存在粗大枝状铁颗粒、加工性能差及导电率较低等问题，在新基建、电子通讯等领域有很大的应用潜力。

Description

一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，涉及一种高强度、高导电、高耐磨铜铁合金的制备方法。

背景技术

铜铁合金具有较高的强度和导电性，且原料成本较低，环境友好无污染，便于回收，在电子通讯、轨道交通等领域有很大的市场应用潜力，引起了人们广泛的研究兴趣。然而，现有的铜铁合金导电率偏低，耐磨性不足，无法满足新一代5G通讯、电连接器等对铜合金高应力、高频次的使用性能要求。同时，采用传统熔炼法制备高铁含量(＞10wt％)的铜铁合金难度大，存在铜铁两相偏析、铁颗粒粗大、性能较低等诸多问题。专利申请号202010635411.3公开了一种稀土铜铁合金的制备方法，该方法通过添加稀土起到净化合金、细化晶粒、促进固溶的Fe析出等作用，从而提高铜铁合金的力学和导电性能，但未涉及耐磨性能改善，同时稀土用量较多，成本较高。专利申请号202010406862.X和201810041350.0公开了一种粉末冶金结合随后变形加工制备铜铁合金的方法，该方法制备的铜铁合金氧含量较高，固溶在基体的Fe难以完全析出，造成导电率降低、耐磨性能不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低氧含量、晶粒细小、铁相细小且分布均匀的高强度、高导电、高耐磨的粉末冶金铜铁合金，解决传统熔炼法制备铜铁合金成分偏析、存在粗大枝状铁颗粒、加工性能差及导电率较低等问题。

本发明的技术原理为：在熔炼制备铜铁合金熔体时，添加一定量廉价的高碳铬铁，在熔体中生成含M₇C₃型碳化物硬质相(即(Fe,Cr)₇C₃)，雾化制备的铜铁合金粉经冷等静压成型、真空烧结得到铜铁合金锭坯，随后进行变形加工，得到高强度、高导电、高耐磨的铜铁合金棒丝材和板带材。熔炼时添加高碳铬铁合金，一方面利用铬除去熔体中自由氧，提高铜铁合金导电率和延伸率；另一方面利用高碳铬铁合金中含有的碳元素，使固溶在铜基体中的Fe、Cr以均匀细小的(Fe,Cr)₇C₃硬质颗粒形式析出，进一步提高导电率，并增强合金耐磨性。

为实现本发明的技术方案，具体制备工艺包括以下步骤：

(1)真空感应熔炼：将阴极铜板和电解铁放入熔炼室的坩埚中，加入一定量高碳铬铁合金，总铁含量在5～50wt％，待到真空度达到10^-1～10^-3Pa时开始加热，加热功率梯度上升，待坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统，充入高纯氮气或高纯氩气至标准大气压，随后对中间包进行预热，得到完全熔化的合金熔液。

(2)雾化制粉：当铜铁合金熔液过热后，经过导流嘴向下流出，由高压雾化介质通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成细小的液滴，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃硬质颗粒的铜铁合金粉末。

(3)冷等静压成型：将步骤(2)得到的铜铁合金粉末装入橡胶或硅胶包套，经冷等静压成型得到生坯，压制压力为100～400MPa，保压时间为10～300s。

(4)真空烧结：将步骤(3)得到的生坯放置在真空烧结炉的炉膛内进行真空烧结，抽真空待真空度达到10^-1～10^-3Pa进行升温，烧结温度为800～1000℃，保温时间为1～5h，得到铜铁合金的烧结锭坯。

(5)变形加工及热处理：将步骤(4)得到的烧结坯锭进行热挤压/拉拔或热轧/冷轧得到铜铁合金棒丝材或板带材，根据不同使用需求进行退火热处理。

优选的是，步骤(1)所述高碳铬铁合金中碳含量为5～15wt％，铁含量为20～40wt％，其余为铬；高碳铬铁合金加入量占原料总质量的1～5wt％。

优选的是，步骤(2)所述的合金熔液过热温度为100～200℃，高压雾化介质可为氮气、氩气、水中的一种或几种，铜铁合金粉末平均粒径为5～100μm。

优选的是，步骤(5)所述的热挤压温度为500～950℃，热轧温度为600～900℃，退火热处理温度为200～600℃。

本发明技术关键点在于：

(1)本发明在铜铁合金基础上加入一定量的高碳铬铁合金，总铁含量在5～50wt％，制备出含M₇C₃型碳化物的粉末冶金铜铁合金，碳化物及铁相的尺寸细小，分布均匀，氧含量低，晶粒细小，塑韧性良好，具备高强度、高导电、高耐磨的优异综合性能。与对比文件202010406862.X和201810041350.0相比，本发明的优点在于：氧含量低，在保证高导电率的条件下仍拥有较高的抗拉强度；引入(Fe,Cr)₇C₃碳化物硬质颗粒，提高铜铁合金硬度，进而提升耐磨性，综合性能优异。

(2)本发明通过控制热挤压、热轧、退火热处理温度，达到了保证产品性能的作用，在热挤压温度500～950℃，热轧温度600～900℃，退火温度200～600℃条件下，性能比传统的熔炼法加工出来的产品提高50％，成本降低30％，生产周期缩短30％。

本发明的有益效果在于：

(1)制备的含M₇C₃型碳化物的粉末冶金铜铁合金，碳化物及铁相的尺寸细小，分布均匀，氧含量低，晶粒细小，塑韧性良好，具备高强度、高导电、高耐磨的优异综合性能。

(2)相较于传统熔铸工艺，在制备高铁含量(＞10wt％)的铜铁合金具有独特优势，工艺流程短，控制简单，生产成本较低，可实现大规模工业化生产。

具体实施方式

实施例1

a.按照制备总铁含量5wt％的铜铁合金称取阴极铜板、电解铁和高碳铬铁(C5wt％，Fe 20wt％，其余为铬)，放入熔炼室的坩埚中，其中高碳铬铁加入量为1wt％，待真空度达到10^-1Pa时开始感应加热，当坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统。充入高纯氩气至标准大气压，得到完全熔化的合金熔液，熔炼时间30min，随后对中间包进行预热，预热温度为400℃。

b.当合金熔液过热度达到100℃时，在雾化室中进行气雾化，具体步骤为：铜铁合金熔液经过导流嘴向下流出，4MPa高压氩气通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成大量细小的液滴，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃碳化物的气雾化铜铁合金粉末，平均粒径为100μm。

c.将铜铁合金粉末装入硅胶包套，包套尺寸为150×100×25mm，封装好放入冷等静压机内，冷等静压压力400MPa，保压时间为30s，得到147×98×22mm的板材生坯。

d.将冷等静压得到的板材生坯放入真空烧结炉内，抽真空进行真空烧结，真空度为10^-1Pa，烧结温度为1000℃，升温速率为5℃/min，保温时间为3h，得到铜铁合金烧结板坯。

e.将烧结板坯进行热轧，热轧温度为600℃，热轧后厚度为5mm，随后去除表面氧化皮进行多道次冷轧，冷轧至厚度为0.5mm。最后进行200℃低温退火1h，得到Fe含量为5wt％、厚度为0.5mm的铜铁合金带材。经性能测试，抗拉强度为692MPa，导电率为69.6％IACS，维氏硬度为HV 232。

实施例2

a.按照制备总铁含量50wt％的铜铁合金称取阴极铜板、电解铁和高碳铬铁(C15wt％，Fe 40wt％，其余为铬)，放入熔炼室的坩埚中，其中高碳铬铁加入量为5wt％，待真空度达到10^-3Pa时开始感应加热，当坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统。充入高纯氩气至标准大气压，得到完全熔化的合金熔液，熔炼时间50min，随后对中间包进行预热，预热温度为450℃。

b.当合金熔液过热度达到100℃时，在雾化室中进行水雾化，具体步骤为：铜铁合金熔液经过导流嘴向下流出，70MPa高压水通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成大量细小的液滴，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃碳化物的水雾化铜铁合金粉末，平均粒径为5μm。

c.将干燥后的铜铁合金粉末装入橡胶包套，包套内腔尺寸为

，封装好放入冷等静压机内，冷等静压压力为100MPa，保压时间为10s，得到

的棒材生坯。

d.将冷等静压得到的棒材生坯放入真空烧结炉内，抽真空进行真空烧结，真空度为10^-3Pa，烧结温度为800℃，升温速率为5℃/min，保温时间为6h，得到铜铁合金烧结棒坯。

e.将烧结棒坯进行热挤压，热挤压温度为950℃，挤出直径为

的棒材，随后拉拔至直径为

。最后进行600℃退火1h，得到Fe含量为50wt％、直径为

的铜铁合金细棒材。经性能测试，抗拉强度为1480MPa，导电率为45.8％IACS，维氏硬度为HV 465。

实施例3

a.按照制备总铁含量20wt％的铜铁合金称取阴极铜板、电解铁和高碳铬铁(C10wt％，Fe 30wt％，其余为铬)，放入熔炼室的坩埚中，其中高碳铬铁加入量为3wt％，待真空度达到10^-2Pa时开始感应加热，当坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统。充入高纯氩气至标准大气压，得到完全熔化的合金熔液，熔炼时间30min，随后对中间包进行预热，预热温度为400℃。

b.当合金熔液过热度达到200℃时，在雾化室中进行水气联合雾化，具体步骤为：铜铁合金熔液经过导流嘴向下流出，70MPa高压水通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成大量细小的液滴，同时向系统中通入0.15MPa氮气，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃碳化物的超细近球形铜铁合金粉末，平均粒径为10μm。

c.将铜铁合金粉末装入硅胶包套，包套尺寸为200×150×30mm，封装好放入冷等静压机内，冷等静压压力200MPa，保压时间为20s，得到196×147×27mm的板材生坯。

d.将冷等静压得到的板材生坯放入真空烧结炉内，抽真空进行真空烧结，真空度为10^-2Pa，烧结温度为950℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1h，得到铜铁合金烧结板坯。

e.将烧结板坯进行热轧，热轧温度为900℃，热轧后厚度为8mm，随后去除表面氧化皮进行多道次冷轧，冷轧至厚度为1mm。最后进行600℃退火1h，得到Fe含量为20wt％、厚度为1mm的铜铁合金板材。经性能测试，抗拉强度为1220MPa，导电率为56.5％IACS，维氏硬度为HV 320。

实施例4

a.按照制备总铁含量30wt％的铜铁合金称取阴极铜板、电解铁和高碳铬铁(C10wt％，Fe 30wt％，其余为铬)，放入熔炼室的坩埚中，其中高碳铬铁加入量为5wt％，待真空度达到10^-2Pa时开始感应加热，当坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统。充入高纯氩气至标准大气压，得到完全熔化的合金熔液，熔炼时间40min，随后对中间包进行预热，预热温度为450℃。

b.当合金熔液过热度达到100℃时，在雾化室中进行气雾化，具体步骤为：铜铁合金熔液经过导流嘴向下流出，3.5MPa高压氮气通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成大量细小的液滴，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃碳化物的气雾化铜铁合金粉末，平均粒径为30μm。

c.将铜铁合金粉末装入硅胶包套，包套内腔尺寸为

，封装好放入冷等静压机内，冷等静压压力为300MPa，保压时间为20s，得到

的棒材生坯。

d.将冷等静压得到的棒坯放入真空烧结炉内，抽真空进行真空烧结，真空度为10^{- 1}Pa，烧结温度为950℃，保温时间为3h，得到铜铁合金的烧结棒坯。

e.将烧结棒坯进行热挤压，热挤压温度为950℃，挤出直径为

的棒材，随后拉拔至直径为

的铜铁合金丝材。最后进行300℃低温退火1h，得到Fe含量为30wt％、直径为

的铜铁合金丝材。经性能测试，抗拉强度为1375MPa，导电率为52.3％IACS，维氏硬度为HV 372。

Claims (4)

1.一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

(1)真空感应熔炼：将阴极铜板和电解铁放入熔炼室的坩埚中，加入一定量高碳铬铁合金，总铁含量在5～50wt％，待到真空度达到10^-1～10^-3Pa时开始加热，加热功率梯度上升，待坩埚内金属完全熔化，关闭真空系统，充入高纯氮气或高纯氩气至标准大气压，随后对中间包进行预热，得到完全熔化的合金熔液；

(2)雾化制粉：当铜铁合金熔液过热后，经过导流嘴向下流出，由高压雾化介质通过喷嘴将铜铁合金熔液破碎成细小的液滴，迅速冷却得到含(Fe,Cr)₇C₃硬质颗粒的铜铁合金粉末；

(3)冷等静压成型：将步骤(2)得到的铜铁合金粉末装入橡胶或硅胶包套，经冷等静压成型得到生坯，压制压力为100～400MPa，保压时间为10～300s；

(4)真空烧结：将步骤(3)得到的生坯放置在真空烧结炉的炉膛内进行真空烧结，抽真空待真空度达到10^-1～10^-3Pa进行升温，烧结温度为800～1000℃，保温时间为1～5h，得到铜铁合金的烧结锭坯；

(5)变形加工及热处理：将步骤(4)得到的烧结坯锭进行热挤压/拉拔或热轧/冷轧得到铜铁合金棒丝材或板带材，根据不同使用需求进行退火热处理。

2.根据权利要求1所述的一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述高碳铬铁合金中碳含量为5～15wt％，铁含量为20～40wt％，其余为铬；高碳铬铁合金加入量占原料总质量的1～5wt％。

3.根据权利要求1所述的一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的合金熔液过热温度为100～200℃，高压雾化介质可为氮气、氩气、水中的一种或几种，铜铁合金粉末平均粒径为5～100μm。

4.根据权利要求1所述的一种高强高导高耐磨粉末冶金铜铁合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)所述的热挤压温度为500～950℃，热轧温度为600～900℃，退火热处理温度为200～600℃。