CN115125456B - 一种FeCrAlNiCu合金及其制备方法及烙铁头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种FeCrAlNiCu合金及其制备方法及烙铁头，所述FeCrAlNiCu合金的组分及其质量百分比含量为：Fe 55.5%‑76.5%，Cr 18%‑30%，Al 4.0%‑9.0%，Ni 1%‑6%，Cu 0.5%‑1.5%。本发明技术方案的FeCrAlNiCu合金，是一种双相铁基合金（奥氏体相+铁素体相），具有优异的塑性与韧性，具有极良好的高温抗氧化性，具有优异的耐晶间腐蚀性能和可焊性，具有良好的耐锡蚀性。合金可以通过Al与Ni的配比调整双相的比例进而获得不同服役时间的合金烙铁头，平衡材料成本与性能。

Description

一种FeCrAlNiCu合金及其制备方法及烙铁头
技术领域
本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种FeCrAlNiCu合金及其制备方法及烙铁头。
背景技术
基于Sn(锡)的无铅焊料已被广泛研究，并在商业上用于替代Sn-Pb焊料。到目前为止，Sn-Ag-Cu焊料由于其优异的机械性能和润湿性，已经是消费电子产品中含铅焊料的最佳替代品。但是由于Sn的腐蚀性，在工业焊接的高温氧环境下，焊接中直接接触Sn基焊料的烙铁头使用寿命往往非常短暂，满足不了工业生产中连续焊接的需求。并且目前国内生产烙铁头的方法是将铜棒经过加工制成铜基体，再在尖端镀铁、镀镍、镀铬、挂锡，生产周期较长，同时铁镀层在高温下容易被Sn溶解并伴随着严重的氧化情况，使得烙铁头出现严重的氧化物增生对焊接品质造成极大的影响。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种FeCrAlNiCu合金及其制备方法及烙铁头，得到的合金具有优越的热传导性能，耐蚀性强，抗氧化性优良。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种FeCrAlNiCu合金，其组分及其质量百分比含量为：Fe 55.5％-76.5％，Cr18％-30％，Al 4.0％-9.0％，Ni 1％-6％，Cu 0.5％-1.5％。其中，五种金属的质量百分比之和为100％。
作为本发明的进一步改进，所述FeCrAlNiCu合金的组分及其质量百分比含量为：Fe 65.0％-72.0％，Cr 21％-25％，Al 4.2％-5.0％，Ni 1％-5％，Cu 0.5％-1.0％。
本发明还公开了如上所述的FeCrAlNiCu合金的制备方法，其包括如下步骤：
步骤S1，将Fe、Cr、Al、Ni，进行熔融混合，浇铸后得到铸坯；
步骤S2，将步骤S1得到的铸坯熔化，加入Cu，再次浇铸得到合金铸坯。
作为本发明的进一步改进，还包括步骤S3，对得到的合金铸坯加热、冷轧、锻压得到棒材，对得到的棒材进行再加热退火处理，处理温度为大于600℃。
采用此技术方案，可以得到具有致密且成分均匀的合金金属，以便于产品质量的控制。
作为本发明的进一步改进，以工业纯铁(例如DT4C，纯度需大于99.8％)、工业纯铬(纯度大于99.5％)、工业纯铝(例如1080A，纯度需大于98.8％)、工业纯镍(如Ni200,纯度需大于99.5％)、工业紫铜(纯度需大于99.0％)为原材料。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述处理温度600℃～900℃，退火时间0.5-5小时。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中，采用非真空感应炉进行熔炼前，采用氧气进行脱氢处理，然后使用脱氧剂进行脱氧处理，并采用除渣滓剂处理。其中，所述脱氧剂可以采用锰(Mn)与铝(Al)。采用真空感应炉不需要这一步骤。
本发明还公开了一种烙铁头，所述烙铁头或烙铁头的尖端包含如上所述的FeCrAlNiCu合金。用该材料制备的电烙铁头具有热传导性能优越，耐蚀性强，抗氧化性优良的特点，可持续服役24小时，焊接次数达到15000次以上。
进一步的，烙铁头的制备过程如下：
将棒状的FeCuAl合金的前段经过切削成为圆弧状，直接接入加热体。
除此之外，还有一种制备方法为：将棒状的FeCuAl合金通过摩擦焊与紫铜柱连接，再将前段切削成为圆弧状，将保护管套在烙铁头后端，通过螺母连接保护。
本发明还公开了如上所述的FeCrAlNiCu合金用于制备烙铁头的应用。可以用该合金可以单独生产烙铁头，也可以与铜棒通过搅拌摩擦焊接后生产烙铁头。制得的烙铁头可以用于装在烙铁尖端或者焊接机器人尖端。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
第一，本发明技术方案的FeCrAlNiCu合金，是一种双相铁基合金(奥氏体相+铁素体相)，具有优异的塑性与韧性，具有极良好的高温抗氧化性，具有优异的耐晶间腐蚀性能和可焊性，具有良好的耐锡蚀性。由于Ni元素的存在，形成一种双相铁基合金，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，还具有优良的耐孔蚀性能。由于Cu元素的存在，提高合金热导性以及合金对Sn的抗蚀性，所以该合金用作烙铁头时，在高温下工作过程中消耗很少，可以实现连续作业，减少更换烙铁头频率。Al与Cr元素的存在提高了合金的抗氧化性，提高耐热性能；并且Cr元素与Al元素之间存在竞争氧化关系，使得合金表面出现致密的氧化物薄膜(AlxCry)2O3，该层氧化物薄膜阻止合金基体进一步被氧化，减少了赘生氧化物对连续焊接作业的影响；而且Ni元素还起到稳定合金表面氧化物(AlxCry)2O3的作用。另外，Ni元素实现对合金第二相(奥氏体相)的控制，在合金中得到细小的弥散分布的奥氏体相来稳定显微结构。而且可以通过Al与Ni的配比调整双相的比例进而获得不同服役时间的合金烙铁头，平衡材料成本与性能。
第二，本发明技术方案的FeCrAlNiCu合金，适用于能与Sn生成金属间化合物的各种金属镀层的基板的连接，适用范围很广。
第三，采用本发明的材料制作烙铁头，最好的可持续服役24小时，焊接次数达到15000次以上；而且不需要经过镀铁、镀镍等过程，因此生产周期较短，工艺简单，兼顾成本与性能。
附图说明
图1是本发明实施例1的FeCrAlNiCu合金的电子显微镜照片。
图2是本发明实施例1的FeCrAlNiCu合金的能谱分析图。
图3是本发明实施例1的FeCrAlNiCu合金的XRD衍射结果。
图4是本发明实施例1的FeCrAlNiCu合金制备过程流程图。
图5是本发明实施例4和实施例5所制备的烙铁头与烙铁头前端结构示意图；(a)为实施例4，(b)为实施例5。
图6是本发明实施例4与市售烙铁头420℃下工作24小时后的表面对比图；其中(a)为市售烙铁头420℃下工作24小时后，(b)为实施例烙铁头420℃下工作24小时后。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种FeCrAlNiCu合金，其成分按质量比为：铁(Fe)55.5％-76.5％，铬(Cr)18％-30％，铝(Al)4.0％-9.0％，镍(Ni)1％-5％，铜(Cu)0.5％-1.5％；五种金属(铁，铬，镍，铜，铝)的质量百分比之和为100％。
合金的制作包括以下步骤：
第一步，以工业纯铁(例如DT4C，纯度需大于99.8％)，工业纯铬(纯度大于99.5％)，工业纯铝(例如1080A，纯度需大于98.8％)，工业纯镍(如Ni200,纯度需大于99.5％),工业紫铜(纯度需大于99.0％)为原材料。取工业纯铁、工业纯铬、工业纯铝与工业纯镍放入真空中频感应炉加热，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
以及1份工业纯铜，混合均匀后浇铸得到铸坯。
第二步，取第一步铸坯与工业紫铜放入真空中频感应炉加热，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。将铸坯加热，冷轧，锻压得到棒材。
第三步，对棒材进行再结晶退火处理，退火温度在600℃至900℃中间。根据不同型号烙铁头的需求，对热处理后的棒材进行切削加工以适配不同型号的合金烙铁头。
其中，第一步中，在放入铝金属前依次脱氢与脱氧，脱氢使用氧气，氧气分压为0.5atm-2.5atm，温度应大于1500℃。脱氢后使用脱氧剂，脱氧剂为锰(Mn)与铝(Al)，并配合除渣滓剂。使用真空感应炉可以跳过这一步骤。
通过上树工艺，可以得到具有致密且成分均匀的合金金属，以便于产品质量的控制。
下面结合实施例进行具体说明。
实施例1
FeCrAlNiCu合金材料的制备，如图4所示，包括如下步骤：
第一步，称量准备85Kg工业纯铁，20Kg工业纯铬，1Kg工业紫铜，5kg工业纯铝，1.5Kg工业纯镍与一定量除渣滓剂。
第二步，将10Kg工业纯铁放入真空感应炉进行洗炉。
第三步，将75Kg工业纯铁与20Kg工业纯铬，5kg工业纯铝，1.5Kg工业纯镍放入真空中频感应炉加热至1600℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
第四步，将上述铸坯与1Kg工业紫铜继续放入中频真空感应炉加热至1500℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。之后将铸坯加热至350℃，冷轧，轧制温度控制在150～400℃，轧制分多道次进行，单道次的下压量压下率≥5％，总压下率≥40％。在最后一道次轧制结束后淬火冷却直到室温；可采用往复式轧管、孔型轧制、万能轧制或拉拨的方法进行冷变形，以获得产品要求的尺寸、规格。
第五步，将冷却后的金属棒材在马弗炉中加热至660℃，保温30分钟后随炉冷却。
本实施例得到的FeCrAlNiCu合金的电子显微镜照片如图1所示，可见，这种合金的金相组织为面心立方的FCC相(奥氏体)夹杂在体心立方的BCC相(铁素体)中，两相融合性好，所以双相Fe基体合金兼有奥氏体(面心立方晶体)和铁素体(体心立方晶体)的特点。能谱分析图、XRD衍射结果如图2和图3所示。
本实施例与铁素体合金相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体与超塑性导热系数高的特点，具有超塑性等特点。与奥氏体合金相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐应力腐蚀有明显提高。双相合金还具有优良的耐孔蚀性能。
实施例2
FeCrAlNiCu合金材料的制备，包括如下步骤：
第一步，将70Kg工业纯铁与25Kg工业纯铬，5kg工业纯铝，3.5Kg工业纯镍放入真空中频感应炉加热至1600℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
第二步，将上述铸坯与1Kg工业紫铜继续放入中频真空感应炉加热至1500℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。之后将铸坯加热至350℃，冷轧，轧制温度控制在150～400℃，轧制分多道次进行，单道次的下压量压下率≥5％，总压下率≥40％。在最后一道次轧制结束后淬火冷却直到室温；可采用往复式轧管、孔型轧制、万能轧制或拉拨的方法进行冷变形，以获得产品要求的尺寸、规格。
实施例3
FeCrAlNiCu合金材料的制备，包括如下步骤：
将70Kg工业纯铁与25Kg工业纯铬，5kg工业纯铝，5.5Kg工业纯镍放入真空中频感应炉加热至1600℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
将上述铸坯与1Kg工业紫铜继续放入中频真空感应炉加热至1500℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。之后将铸坯加热至350℃，冷轧，轧制温度控制在150～400℃，轧制分多道次进行，单道次的下压量压下率≥5％，总压下率≥40％。在最后一道次轧制结束后淬火冷却直到室温；可采用往复式轧管、孔型轧制、万能轧制或拉拨的方法进行冷变形，以获得产品要求的尺寸、规格。
实施例4
FeCrAlNiCu合金材料的制备，包括如下步骤：
将59Kg工业纯铁与30Kg工业纯铬，5kg工业纯铝，5Kg工业纯镍放入真空中频感应炉加热至1600℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
将上述铸坯与1Kg工业紫铜继续放入中频真空感应炉加热至1500℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。之后将铸坯加热至350℃，冷轧，轧制温度控制在150～400℃，轧制分多道次进行，单道次的下压量压下率≥5％，总压下率≥40％。在最后一道次轧制结束后淬火冷却直到室温；可采用往复式轧管、孔型轧制、万能轧制或拉拨的方法进行冷变形，以获得产品要求的尺寸、规格。
实施例5
FeCrAlNiCu合金材料的制备，包括如下步骤：
将73.5Kg工业纯铁与18Kg工业纯铬，5kg工业纯铝，2.5Kg工业纯镍放入真空中频感应炉加热至1600℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分后浇铸为铸坯。铸坯在空气中冷却。
将上述铸坯与1Kg工业紫铜继续放入中频真空感应炉加热至1500℃，当料开始熔化时，充氩气保护，待料完全熔化后，电磁搅拌精炼10分钟后浇铸为铸坯；铸坯在空气中冷却。之后将铸坯加热至350℃，冷轧，轧制温度控制在150～400℃，轧制分多道次进行，单道次的下压量压下率≥5％，总压下率≥40％。在最后一道次轧制结束后淬火冷却直到室温；可采用往复式轧管、孔型轧制、万能轧制或拉拨的方法进行冷变形，以获得产品要求的尺寸、规格。
实施例6
采用实施例1～实施例5制备得到的合金材料制备烙铁头，包括如下步骤：
第一步，将制备好的合金棒材制成直径2cm、长5cm的圆柱。
第二步，将金属柱前端切削出6mm直径、1cm长的尖头，如图附图5a)。然后表层电镀一层铬，将金属柱后端套入加热体中，固定在保护管中。
第三步，用螺母将托座与手柄固定，手柄接电缆线。
实施例5
采用实施例1～实施例3制备得到的合金材料采用另一种方式制备烙铁头，包括如下步骤：
第一步，将制备好的合金棒材制成直径2cm,长2cm的圆柱。准备好直径2cm,长4cm的紫铜柱。
第二步，将制备好的合金棒与紫铜柱通过摩擦焊连接成直径2cm,长5cm的圆柱。
第三步，将金属柱前端切削出6mm直径，1cm长的尖头，如图5b)。然后表层电镀一层铬，将金属柱后端套入加热体中，固定在保护管中。
第四步，用螺母将托座与手柄固定，手柄接电缆线。
将实施例4制备得到的烙铁头进行测试，并以市售烙铁头作为对比，结果如表1所示，其中，可用焊接次数的测试以400℃下焊接，每次焊接3s的次数。焊接时长的测试采用400℃下连续焊接，直到无法使用的时间。可见，采用本发明实施例的技术方案，可焊接次数可以大大送13000以上，焊接时长达到17h以上，远远高于市售烙铁头的6203次和9h。
表1
合金成分 可用焊接次数 焊接时长(h) 焊接温度(℃)
实施例1 13072 17 400±20
实施例2 14344 24 400±20
实施例3 15380 30 400±20
实施例4 14980 26 400±20
实施例5 13844 20 400±20
一种市售烙铁头 6203 9 400±20
将实施例1的合金采用实施例4的方法制备得到的烙铁头在420℃下24小时，并以市售的烙铁头在420℃下24小时作为对比例，24h后两者的表面状态如图6所示，可见，采用本实施例的烙铁头在高温下工作过程中消耗少。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种FeCrAlNiCu合金，其特征在于：其组分及其质量百分比含量为： Fe 55.5%-76.5%，Cr 18%-30%，Al 4.0%-9.0%，Ni 1%-6%，Cu 0.5%-1.5%；所述FeCrAlNiCu合金为双相Fe基体合金，其金相组织为面心立方的FCC相奥氏体夹杂在体心立方的BCC相铁素体中；
所述FeCrAlNiCu合金采用如下步骤制备：
步骤S1，将Fe、Cr、Al、Ni，进行熔融混合，浇铸后得到铸坯；
步骤S2，将步骤S1得到的铸坯熔化，加入Cu，再次浇铸得到合金铸坯；
步骤S3，对得到的合金铸坯加热、冷轧、锻压得到棒材，对得到的棒材进行再加热退火处理，处理温度为600℃~900℃，退火时间0.5-5 小时。
2. 根据权利要求1所述的FeCrAlNiCu合金，其特征在于，其组分及其质量百分比含量为： Fe 65.0%-72.0%，Cr 21%-25%，Al 4.2%-5.0%，Ni 1%-5%，Cu 0.5%-1.0%。
3.如权利要求1或2所述的FeCrAlNiCu合金的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤S1，将Fe、Cr、Al、Ni，进行熔融混合，浇铸后得到铸坯；
步骤S2，将步骤S1得到的铸坯熔化，加入Cu，再次浇铸得到合金铸坯；
步骤S3，对得到的合金铸坯加热、冷轧、锻压得到棒材，对得到的棒材进行再加热退火处理，处理温度为600℃~900℃，退火时间0.5-5 小时。
4.根据权利要求3所述的FeCrAlNiCu合金的制备方法，其特征在于：步骤S1中，采用非真空感应炉进行熔炼前，采用氧气进行脱氢处理，然后使用脱氧剂进行脱氧处理，并采用除渣滓剂处理。
5.一种烙铁头，其特征在于：所述烙铁头或烙铁头的尖端包含如权利要求1或2所述的FeCrAlNiCu合金。
6.根据权利要求5所述的烙铁头，其特征在于：将所述FeCrAlNiCu合金通过切削加工成圆弧状，或将所述FeCrAlNiCu合金与紫铜柱焊接后通过切削加工成圆弧状。
7.如权利要求1或2所述的FeCrAlNiCu合金用于制备烙铁头的应用。
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