CN115927975B - 一种Fe-Cu合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Fe‑Cu合金及其制备方法和应用。该合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，适用于开发具有高性能并且低成本的电机转子材料，改善电机性能，降低电机能耗。本发明还提供了Fe‑Cu合金的制备方法和含有该Fe‑Cu合金的电机转子。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种Fe-Cu合金及其制备方法和应用。
背景技术
电能是生产和生活使用动力的主要来源。电动机是电能转换的主要设备，在工农业生产、交通运输和医疗设备等方面广泛应用。目前普遍使用的电动机仍然存在许多问题，比如起动时电流大，起动转矩小等，影响电机的使用性能同时也会造成能源浪费。随着科技的发展，进一步提高电机性能，降低成本和能耗，是当前的研究热点。
在电机转子材料方面，虽然已经有很多研究，但仍然存在制备工艺复杂、成本高等问题，为了提高电机性能和节能降耗，仍需开发一种高性能、制备简单并且价格合理的新型导磁导电材料。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种Fe-Cu合金，不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，适用于开发具有高性能并且低成本的电机转子材料，改善电机性能，降低电机能耗。
本发明还提供了一种Fe-Cu合金的制备方法。
本发明还提供了一种Fe-Cu合金的应用。
本发明的第一方面提供了一种Fe-Cu合金，包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：10wt％～30.0wt％，
Si：0.01wt％～0.2wt％，
Mg：0.01wt％～0.1wt％，
Zn：0.01wt％～0.1wt％。
本发明关于Fe-Cu合金的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
Cu是一种典型的高导热高导电合金，导热系数为401(W/m·K)，然而其热膨胀系数较高，达17.5×10-6/℃(25℃～100℃)，同时不具备磁性。Fe则是一种价格低廉的工业常见的金属，具有很好的延展性和磁性，热膨胀系数较小，为(12～12.5)×10-6/℃，然而导热率较差，只有46.5W/m·℃。相关研究发现，转子槽采用Fe-Cu合金时电机的起动性能较好，Fe-Cu合金具有成本低、易熔炼的特点，然而，目前的Fe-Cu合金热膨胀系数高、导热不理想，不适合用于电机转子。相关技术中，Fe-Cu合金存在成本较高，热膨胀系数高和导热不理想的问题。
Cu和Fe这两种元素还存在相互作用关系。具体而言，对于Cu来说，Fe是一种可以产生明显析出强化效果的合金元素，高温下Fe在Cu中的最大固溶度可达到4.35wt％，然而室温下固溶度却很低，因此通过时效处理使Fe从过饱和固溶体中析出，起到强化效果的同时可以使电导率得到大幅度提升。对于Fe来说，850℃时Cu在铁素体中的最大溶解度为2.1％，随温度降低最大溶解度迅速降低，远远少于在相应温度条件下奥氏体中的最大固溶度。因此在经过时效后进行淬火处理时将从过饱和α-铁素体相中析出ε-Cu，从而引起强化。同时其析出相还具有良好的塑性，因而它能够在Fe中产生析出强化的同时，仍使Fe保持比较高的塑性，是高纯净Fe的一种非常理想的强化元素。
本发明根据Fe、Cu的特性及相互作用关系，通过合金成分的控制，铸造工艺的优化和组合形变热处理工艺的设计制备出一种具有低成本低热膨胀系数，高导热率高磁性的Fe-Cu合金材料。首先通过合金成分的控制和铸造工艺的优化，制备出一种具有均匀连续富铜网络的Fe-Cu合金。该Fe-Cu合金作为一种偏晶合金，在采用传统铸造的制备过程中，容易产生一次凝固组织铁存在团聚、偏聚甚至分层的问题，无法形成连续均匀的富铜网络结构。本发明通过添加微量合金元素Si、Mg和Zn，改善熔融状态下Fe、Cu两相之间的表面张力，促进Cu在Fe中的均匀分布，提高铸造过程的成分和形核的均匀度，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络，同时在凝固组织的铁基体和富铜网络固溶度较高，影响了合金热导率和电导率的提升。通过微量合金元素Si、Zn的增加，可以改善铸造过程中熔体的均匀性及凝固过程的均匀形核，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络。其次，微量合金元素结合组合形变热处理工艺，即固溶-预时效-冷变形-时效(根据需要可多次组合)工艺可以进一步改善合金组织结构和性能。经过组合形变热处理后，铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织，同时微量元素和变形储能皆有助于合金内固溶原子(铁基体相中的Cu和富铜网络中Fe的析出)的充分析出，合金导热率和导电率得到显著提升。最终制备出的Fe-Cu合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，形成一种新型的结构功能材料，该材料对开发具有高性能并且低成本的电机转子材料、改善电机性能和降低能耗量具有重要意义和广阔的应用前景。微量合金元素和组合形变热处理，可以使铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织结构，同时促进固溶元素的析出，使两相合金固溶元素在热处理过程中能得到最大程度的均匀析出，使合金强度和导电率得到协同提升。
根据本发明的一些实施方式，Fe-Cu合金包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：15wt％～30.0wt％，
Si：0.02wt％～0.2wt％，
Mg：0.02wt％～0.1wt％，
Zn：0.02wt％～0.1wt％。
本发明的第二方面提供了一种制备所述的Fe-Cu合金的方法，包括以下步骤：
S1：按配比备料，将Fe熔化后，分批间隔性加入Cu进行熔炼；
S2：向步骤S1的熔融金属中加入Cu-Si合金、Cu-Mg合金和Cu-Zn合金，保温，得到Fe-Cu合金溶液；
S3：将所述Fe-Cu合金溶液在外加磁场下进行半连铸，得到铸锭；
S4：将所述铸锭在保护气氛下进行均匀化退火；
S5：将步骤S4均匀化退火后的铸锭随炉冷却后进行热轧，然后淬火，得到热轧板材；
S6：将所述热轧板材进行组合形变热处理。
本发明关于Fe-Cu合金的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明关于Fe-Cu合金的制备方法，根据Fe、Cu的特性及相互作用关系，通过铸造工艺的优化和组合形变热处理工艺的设计，制备出一种具有低成本低热膨胀系数，高导热率高磁性的Fe-Cu合金材料。具体而言：
首先，通过合金成分的控制和铸造工艺的优化，制备出一种具有均匀连续富铜网络的Fe-Cu合金。该Fe-Cu合金作为一种偏晶合金，在采用传统铸造的制备过程中，容易产生一次凝固组织铁存在团聚、偏聚甚至分层的问题，无法形成连续均匀的富铜网络结构。本发明通过添加微量合金元素Si、Mg和Zn，改善熔融状态下Fe、Cu两相之间的表面张力，促进Cu在Fe中的均匀分布，提高铸造过程的成分和形核的均匀度，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络。
其次，微量合金元素结合组合形变热处理工艺，即固溶-预时效-冷变形-时效(根据需要可多次组合)工艺可以进一步改善合金组织结构和性能。经过组合形变热处理后，铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织，同时微量元素和变形储能皆有助于合金内固溶原子(铁基体相中的Cu和富铜网络中Fe的析出)的充分析出，合金导热率和导电率得到显著提升。
最终，制备出的Fe-Cu合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，形成一种新型的结构功能材料，该材料对开发具有高性能并且低成本的电机转子材料、改善电机性能和降低能耗量具有重要意义和广阔的应用前景。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，分批间隔性加入Cu的方法为：控制每次加入的Cu量为Fe量的3wt～5wt％，每次加入Cu的间隔时间为10min～15min。
分批间隔性加入Cu，目的是为了避免铜熔化吸热导致的过度降温造成熔体成分偏析偏析。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1中，所述熔炼的温度为1650℃～1750℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述保温的温度为1650℃～1750℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S2中，所述保温的时间为1h～6h。
保温的作用是让熔体中的各元素得到充分扩散。
根据本发明的一些实施方式，步骤S1和S2中，采用覆盖剂对金属熔液进行覆盖。
所述覆盖剂为冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂的混合。
冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂为等质量比混合。
冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂为等质量比混合，作用是减少熔体中氧含量。
根据本发明的一些实施方式，步骤S3中，进行半连铸时，Fe-Cu合金溶液的温度为1600℃～1650℃。
步骤S3中，进行半连铸时，外加磁场可以是在铸造模具上加装超声振荡器，以促进凝固过程的均匀形核，超声功率范围是10W～1000W，超声频率约20kHz。
进行半连铸时，外加磁场的作用是促进熔铸过程的均匀形核。
根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，进行均匀化退火的温度为950℃～1000℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S4中，进行均匀化退火的时间为2h～8h。
根据本发明的一些实施方式，步骤S5中，热轧前，铸锭随炉冷却后的温度为800℃～850℃。
根据本发明的一些实施方式，步骤S5中，热轧的道次变形量为28％～32％，总变形量为50％～80％。
根据本发明的一些实施方式，步骤S5中，热轧的道次变形量约30％。
根据本发明的一些实施方式，步骤S5中，热轧后的淬火为水淬。
根据本发明的一些实施方式，步骤S6中，组合形变热处理的方法包括：
(1)预时效：500℃～550℃，0.5h～1h；
(2)大道次冷变形：道次变形量大于35％，总变形量大于70％，然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为400℃～480℃，时间为20h～40h；
(3)将时效后的板材进行冷轧，总变形量位30％～60％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，二级时效处理的温度为300℃～380℃，时间为5h～10h。
本发明的第三方面提供了一种电机转子，包括本发明的Fe-Cu合金或本发明方法制得的Fe-Cu合金。
本发明关于电机转子的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的电机转子，由于使用了本发明的Fe-Cu合金，由此，具备了Fe-Cu合金的全部技术效果。
附图说明
图1为实施例1的合金铸态的背散射组织形貌图。
图2为实施例2的合金的背散射组织形貌图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种Fe-Cu合金，包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：10wt％～30.0wt％，
Si：0.01wt％～0.2wt％，
Mg：0.01wt％～0.1wt％，
Zn：0.01wt％～0.1wt％。
可以理解，Cu是一种典型的高导热高导电合金，导热系数为401(W/m·K)，然而其热膨胀系数较高，达17.5×10-6/℃(25℃～100℃)，同时不具备磁性。Fe则是一种价格低廉的工业常见的金属，具有很好的延展性和磁性，热膨胀系数较小，为(12～12.5)×10-6/℃，然而导热率较差，只有46.5W/m·℃。相关研究发现，转子槽采用Fe-Cu合金时电机的起动性能较好，Fe-Cu合金具有成本低、易熔炼的特点，然而，目前的Fe-Cu合金热膨胀系数高、导热不理想，不适合用于电机转子。相关技术中，Fe-Cu合金存在成本较高，热膨胀系数高和导热不理想的问题。
Cu和Fe这两种元素还存在相互作用关系。具体而言，对于Cu来说，Fe是一种可以产生明显析出强化效果的合金元素，高温下Fe在Cu中的最大固溶度可达到4.35wt％，然而室温下固溶度却很低，因此通过时效处理使Fe从过饱和固溶体中析出，起到强化效果的同时可以使电导率得到大幅度提升。对于Fe来说，850℃时Cu在铁素体中的最大溶解度为2.1％，随温度降低最大溶解度迅速降低，远远少于在相应温度条件下奥氏体中的最大固溶度。因此在经过时效后进行淬火处理时将从过饱和α-铁素体相中析出ε-Cu，从而引起强化。同时其析出相还具有良好的塑性，因而它能够在Fe中产生析出强化的同时，仍使Fe保持比较高的塑性，是高纯净Fe的一种非常理想的强化元素。
需要说明的是，本发明根据Fe、Cu的特性及相互作用关系，通过合金成分的控制，铸造工艺的优化和组合形变热处理工艺的设计制备出一种具有低成本低热膨胀系数，高导热率高磁性的Fe-Cu合金材料。首先通过合金成分的控制和铸造工艺的优化，制备出一种具有均匀连续富铜网络的Fe-Cu合金。该Fe-Cu合金作为一种偏晶合金，在采用传统铸造的制备过程中，容易产生一次凝固组织铁存在团聚、偏聚甚至分层的问题，无法形成连续均匀的富铜网络结构。本发明通过添加微量合金元素Si、Mg和Zn，改善熔融状态下Fe、Cu两相之间的表面张力，促进Cu在Fe中的均匀分布，提高铸造过程的成分和形核的均匀度，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络，同时在凝固组织的铁基体和富铜网络固溶度较高，影响了合金热导率和电导率的提升。通过微量合金元素Si、Zn的增加，可以改善铸造过程中熔体的均匀性及凝固过程的均匀形核，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络。其次，微量合金元素结合组合形变热处理工艺，即固溶-预时效-冷变形-时效(根据需要可多次组合)工艺可以进一步改善合金组织结构和性能。经过组合形变热处理后，铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织，同时微量元素和变形储能皆有助于合金内固溶原子(铁基体相中的Cu和富铜网络中Fe的析出)的充分析出，合金导热率和导电率得到显著提升。最终制备出的Fe-Cu合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，形成一种新型的结构功能材料，该材料对开发具有高性能并且低成本的电机转子材料、改善电机性能和降低能耗量具有重要意义和广阔的应用前景。微量合金元素和组合形变热处理，可以使铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织结构，同时促进固溶元素的析出，使两相合金固溶元素在热处理过程中能得到最大程度的均匀析出，使合金强度和导电率得到协同提升。
在本发明的一些实施例中，Fe-Cu合金包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：15wt％～30.0wt％，
Si：0.02wt％～0.2wt％，
Mg：0.02wt％～0.1wt％，
Zn：0.02wt％～0.1wt％。
在本发明的另外一些实施例中，本发明提供了一种制备本发明的Fe-Cu合金的方法，包括以下步骤：
S1：按配比备料，将Fe熔化后，分批间隔性加入Cu进行熔炼；
S2：向步骤S1的熔融金属中加入Cu-Si合金、Cu-Mg合金和Cu-Zn合金，保温，得到Fe-Cu合金溶液；
S3：将Fe-Cu合金溶液在外加磁场下进行半连铸，得到铸锭；
S4：将铸锭在保护气氛下进行均匀化退火；
S5：将步骤S4均匀化退火后的铸锭随炉冷却后进行热轧，然后淬火，得到热轧板材；
S6：将热轧板材进行组合形变热处理。
可以理解，本发明关于Fe-Cu合金的制备方法，根据Fe、Cu的特性及相互作用关系，通过铸造工艺的优化和组合形变热处理工艺的设计，制备出一种具有低成本低热膨胀系数，高导热率高磁性的Fe-Cu合金材料。具体而言：
首先，通过合金成分的控制和铸造工艺的优化，制备出一种具有均匀连续富铜网络的Fe-Cu合金。该Fe-Cu合金作为一种偏晶合金，在采用传统铸造的制备过程中，容易产生一次凝固组织铁存在团聚、偏聚甚至分层的问题，无法形成连续均匀的富铜网络结构。本发明通过添加微量合金元素Si、Mg和Zn，改善熔融状态下Fe、Cu两相之间的表面张力，促进Cu在Fe中的均匀分布，提高铸造过程的成分和形核的均匀度，使铁基体周围形成连续均匀的富铜网络。
其次，微量合金元素结合组合形变热处理工艺，即固溶-预时效-冷变形-时效(根据需要可多次组合)工艺可以进一步改善合金组织结构和性能。经过组合形变热处理后，铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织，同时微量元素和变形储能皆有助于合金内固溶原子(铁基体相中的Cu和富铜网络中Fe的析出)的充分析出，合金导热率和导电率得到显著提升。
最终，制备出的Fe-Cu合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，形成一种新型的结构功能材料，该材料对开发具有高性能并且低成本的电机转子材料、改善电机性能和降低能耗量具有重要意义和广阔的应用前景。
在本发明的一些实施例中，步骤S1中，分批间隔性加入Cu的方法为：控制每次加入的Cu量为Fe量的3wt～5wt％，每次加入Cu的间隔时间为10min～15min。
分批间隔性加入Cu，目的是为了避免铜熔化吸热导致的过度降温造成熔体成分偏析偏析。
在本发明的一些实施例中，步骤S1中，熔炼的温度为1650℃～1750℃。
在本发明的一些实施例中，步骤S2中，保温的温度为1650℃～1750℃。
在本发明的一些实施例中，步骤S2中，保温的时间为1h～6h。
保温的作用是让熔体中的各元素得到充分扩散。
在本发明的一些实施例中，步骤S1和S2中，采用覆盖剂对金属熔液进行覆盖。
在本发明的一些实施例中，覆盖剂为冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂的混合。
在本发明的一些实施例中，冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂为等质量比混合。
冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、萤石和焦性硼砂为等质量比混合，作用是减少熔体中氧含量。
在本发明的一些实施例中，步骤S3中，进行半连铸时，Fe-Cu合金溶液的温度为1600℃～1650℃。
在本发明的一些实施例中，步骤S3中，进行半连铸时，外加磁场可以是在铸造模具上加装超声振荡器，以促进凝固过程的均匀形核，超声功率范围是10W～1000W，超声频率约20kHz。
进行半连铸时，外加磁场的作用是促进熔铸过程的均匀形核。
在本发明的一些实施例中，步骤S4中，进行均匀化退火的温度为950℃～1000℃。
在本发明的一些实施例中，步骤S4中，进行均匀化退火的时间为2h～8h。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中，热轧前，铸锭随炉冷却后的温度为800℃～850℃。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中，热轧的道次变形量为28％～32％，总变形量为50％～80％。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中，热轧的道次变形量约30％。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中，热轧后的淬火为水淬。
在本发明的一些实施例中，步骤S6中，组合形变热处理的方法包括：
(1)预时效：500℃～550℃，0.5h～1h；
(2)大道次冷变形：道次变形量大于35％，总变形量大于70％，然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为400℃～480℃，时间为20h～40h；
(3)将时效后的板材进行冷轧，总变形量位30％～60％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，二级时效处理的温度为300℃～380℃，时间为5h～10h。
在本发明的另外一些实施例中，本发明提供了一种电机转子，该电机转子中含有本发明的Fe-Cu合金或本发明方法制得的Fe-Cu合金。
可以理解，本发明的电机转子，由于使用了本发明的Fe-Cu合金，由此，具备了Fe-Cu合金的全部技术效果。
下面再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。
实施例1
本实施例制备了一种Fe-Cu合金，组分为以下质量百分比计的元素：
Cu：20wt％，
Si：0.06wt％，
Mg：0.02wt％，
Zn：0.02wt％，
余量为Fe。
具体制备方法为：
先将Fe在感应熔炼炉中熔化，熔炼温度为1650℃～1750℃，再按照Cu的含量为Fe含量的5wt％，分四次加入炉中熔炼，加入间隔时间为15min，Cu完全加入再加入Cu-Si、Cu-Mg和Cu-Zn中间合金，保温3h。
熔炼过程中覆盖剂采用冰晶石+碳酸钠+碳酸钙+萤石+焦性硼砂，除渣后得到成分均匀稳定的Fe20Cu溶液。
外加磁场条件下进行半连续铸造，铸造温度熔体温度为1600℃～1650℃，获得合金坯锭。
合金坯锭的铸态组织如图1所示。图1为Fe-20Cu合金铸态的背散射组织形貌，其中灰色为铁基体，白色为富铜网络，由图可见铁基体尺寸普遍小于20μm，并在周围形成了均匀连续的富铜网络。
将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化，温度为960℃～980℃，时间为6h。
热轧：将铸锭随炉冷却至800℃～850℃，热轧，变形量为75％，水淬。
测试得到Fe-Cu合金的拉伸强度为865MPa(270HV)，导电率为12.5％IACS，热导率为64W/(m·K)。
实施例2
本实施例制备了一种Fe-Cu合金，组分为以下质量百分比计的元素：
Cu：20wt％，
Si：0.06wt％，
Mg：0.02wt％，
Zn：0.02wt％，
余量为Fe。
具体制备方法为：
先将Fe在熔化，熔炼温度为1650～1750℃，再按照Cu的含量为Fe含量的5wt％，分四次加入炉中熔炼，加入间隔时间为10min，Cu完全加入后保温3h。
熔炼过程中覆盖剂采用冰晶石+碳酸钠+碳酸钙+萤石+焦性硼砂，除渣后得到成分均匀稳定的Fe20Cu溶液。
外加磁场条件及水冷模具下进行半连续铸造，铸造温度熔体温度为1600℃～1650℃，获得合金坯锭。将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化，温度为960℃～980℃，时间为7h。
热轧：将铸锭随炉冷却至800℃～850℃，热轧，变形量为75％，水淬。
测试得到Fe-Cu合金的拉伸强度为865MPa(270HV)，导电率为12.5％IACS，热导率为64W/(m·K)，热膨胀系数为13.1×10-6/K。
将热轧板材500℃/0.5小时预时效；将预时效板材进行室温轧制，道次变形量大于35％，总变形量75％。
合金的背散射组织形貌如图2所示。图2为Fe-20Cu合金的冷轧态背散射组织形貌，其中灰色为铁基体，白色为富铜网络，由图可见铁基体和富铜网络沿着加工方向形成具有优异力学性能的纤维组织结构。
然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为450℃，时间为25h，测试得到Fe-Cu合金的抗拉强度为965MPa(300HV)，导电率20.1％IACS，热导率为105W/(m·K)。
将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量50％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为350℃，时间为4h，测试得到Fe-Cu合金的的抗拉强度为1030MPa，导电率21.1％IACS，热导率为107W/(m·K)，热膨胀系数为13.5×10-6/K。
实施例3
本实施例制备了一种Fe-Cu合金，组分为以下质量百分比计的元素：
Cu：15wt％，
Si：0.04wt％，
Mg：0.01wt％，
Zn：0.01wt％，
余量为Fe。
具体制备方法为：
先将Fe在感应熔炼炉熔化，熔炼温度为1650～1750℃，再按照Cu的含量为Fe含量的5wt％，分三次加入炉中熔炼，加入间隔时间为10min，Cu完全加入后保温2h。
熔炼过程中覆盖剂采用冰晶石+碳酸钠+碳酸钙+萤石+焦性硼砂，除渣后得到成分均匀稳定的Fe15Cu溶液。
外加磁场条件进行半连续铸造，铸造温度熔体温度为1600℃～1650℃，获得合金坯锭。将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化，温度为960℃～980℃，时间为6h。
热轧：将铸锭随炉冷却至800℃～850℃，热轧，变形量为75％，水淬。
测试得到Fe-Cu合金的拉伸强度为900MPa(280HV)，导电率为11％IACS，热导率为55W/(m·K)，热膨胀系数为12.4×10-6/K。
将热轧板材500℃/0.5小时预时效。
将预时效板材进行室温轧制，道次变形量大于35％，总变形量75％。
然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为450℃，时间为30h。
测试得到Fe-Cu合金的抗拉强度为990MPa(305HV)，导电率16.8％IACS，热导率为84W/(m·K)，热膨胀系数为12.4×10-6/K。
将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量45％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为320℃，时间为6h。
测试得到Fe-Cu合金的抗拉强度为1042MPa，导电率17.3％IACS，热导率为86.5W/(m·K)，热膨胀系数为11.8×10-6/K。
实施例4
本实施例制备了一种Fe-Cu合金，组分为以下质量百分比计的元素：
Cu：10wt％，
Si：0.02wt％，
Mg：0.01wt％，
Zn：0.01wt％，
余量为Fe。
具体制备方法为：
先将Fe在熔化，熔炼温度为1650～1750℃，再按照Cu的含量为Fe含量的5wt％，分2次加入炉中熔炼，间隔时间为10min，Cu完全加入后保温2h。
熔炼过程中覆盖剂采用冰晶石+碳酸钠+碳酸钙+萤石+焦性硼砂，除渣后得到成分均匀稳定的Fe10Cu溶液。
外加磁场条件进行半连续铸造，铸造温度熔体温度为1600℃～1650℃，获得合金坯锭。
将铜合金铸锭在保护气氛下进行均匀化，温度为960℃～980℃，时间为6h。
热轧：将铸锭随炉冷却至800℃～850℃，热轧，变形量为75％，水淬。
测试得到Fe-Cu合金的拉伸强度为923MPa(290HV)，导电率为10.1％IACS，热导率为56W/(m·K)，热膨胀系数为12.1×10-6/K。
将热轧板材500℃/0.5小时预时效，将预时效板材进行室温轧制，道次变形量大于35％，总变形量75％。然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为450℃，时间为30h。
测试得到Fe-Cu合金的抗拉强度为915MPa(285HV)，导电率15.2％IACS，热导率为82W/(m·K)，热膨胀系数为11.7×10-6/K。
将时效后的板材再次进行冷轧，总变形量50％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，温度为330℃，时间为8h。
测试得到Fe-Cu合金的的抗拉强度为956MPa，导电率15.3％IACS，热导率为83.5W/(m·K)，热膨胀系数为11.8×10-6/K。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
本发明提供了一种电机转子，该电机转子中含有本发明的Fe-Cu合金或本发明方法制得的Fe-Cu合金，由于该合金不但具有优异的力学性能，且兼具铁的低热膨胀特性和高磁性及Cu的高导电导热特性，适用于开发具有高性能并且低成本的电机转子材料，改善电机性能，降低电机能耗。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种制备Fe-Cu合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按配比备料，将Fe熔化后，分批间隔性加入Cu进行熔炼；
S2：向步骤S1的熔融金属中加入Cu-Si合金、Cu-Mg合金和Cu-Zn合金，保温，得到Fe-Cu合金溶液；
S3：将所述Fe-Cu合金溶液在外加磁场下进行半连铸，得到铸锭；
S4：将所述铸锭在保护气氛下进行均匀化退火；
S5：将步骤S4均匀化退火后的铸锭随炉冷却后进行热轧，然后淬火，得到热轧板材；
S6：将所述热轧板材进行组合形变热处理；
步骤S6中，所述组合形变热处理的方法包括：
(1)预时效：500℃～550℃，0.5h～1h；
(2)大道次冷变形：道次变形量大于35％，总变形量大于70％，然后在保护气氛下进行主时效处理，温度为400℃～480℃，时间为20h～40h；
(3)将时效后的板材进行冷轧，总变形量位30％～60％，然后在保护气氛下进行二级时效处理，二级时效处理的温度为300℃～380℃，时间为5h～10h；
所述Fe-Cu合金包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：10wt％～30.0wt％，
Si：0.01wt％～0.2wt％，
Mg：0.01wt％～0.1wt％，
Zn：0.01wt％～0.1wt％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Fe-Cu合金包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
Cu：15wt％～30.0wt％，
Si：0.02wt％～0.2wt％，
Mg：0.02wt％～0.1wt％，
Zn：0.02wt％～0.1wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，分批间隔性加入Cu的方法为：控制每次加入的Cu量为Fe量的3wt～5wt％，每次加入Cu的间隔时间为10min～15min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述熔炼的温度为1650℃～1750℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述保温的温度为1650℃～1750℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，进行半连铸时，Fe-Cu合金溶液的温度为1600℃～1650℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，进行均匀化退火的温度为950℃～1000℃。
8.一种电机转子，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述方法制得的Fe-Cu合金。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0925545A (ja) * | 1995-07-06 | 1997-01-28 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 吸振合金およびその製造方法ならびにデバイス |
| JPH10189320A (ja) * | 1996-12-25 | 1998-07-21 | Daido Steel Co Ltd | 異方性磁石合金粉末およびその製造方法 |
| CN102134678A (zh) * | 2011-02-25 | 2011-07-27 | 华北电力大学 | 一种用于新型节能电机的铜铁合金材料及其制备方法 |
| JP2017193765A (ja) * | 2016-04-21 | 2017-10-26 | 住友電気工業株式会社 | 銅−鉄合金材料およびその製造方法 |
| KR20180091164A (ko) * | 2017-02-06 | 2018-08-16 | (주)엠티에이 | 높은 열전도성의 철-구리 합금 및 그 제조방법 |
| CN108774700A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-11-09 | 中南大学 | 一种高性能CuNiSiTiBMg系弹性铜合金及其制备方法 |
| CN113621850A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-09 | 江西理工大学 | 一种高强导电抗高温软化Cu-Fe合金及其制备方法 |
-
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0925545A (ja) * | 1995-07-06 | 1997-01-28 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | 吸振合金およびその製造方法ならびにデバイス |
| JPH10189320A (ja) * | 1996-12-25 | 1998-07-21 | Daido Steel Co Ltd | 異方性磁石合金粉末およびその製造方法 |
| CN102134678A (zh) * | 2011-02-25 | 2011-07-27 | 华北电力大学 | 一种用于新型节能电机的铜铁合金材料及其制备方法 |
| JP2017193765A (ja) * | 2016-04-21 | 2017-10-26 | 住友電気工業株式会社 | 銅−鉄合金材料およびその製造方法 |
| KR20180091164A (ko) * | 2017-02-06 | 2018-08-16 | (주)엠티에이 | 높은 열전도성의 철-구리 합금 및 그 제조방법 |
| CN108774700A (zh) * | 2018-08-22 | 2018-11-09 | 中南大学 | 一种高性能CuNiSiTiBMg系弹性铜合金及其制备方法 |
| CN113621850A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-09 | 江西理工大学 | 一种高强导电抗高温软化Cu-Fe合金及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 不同成分铜铁合金组织与性能变化研究;张盼;刘平;刘新宽;陈晓红;何代华;马凤仓;李伟;张柯;;铸造技术;20180318(03);全文 * |
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