CN104975202B - 一种铜铁中间合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜铁中间合金及其制备方法和应用，属于有色金属合金技术领域。该中间合金化学成分为(wt.％)：Fe 45～60％，Ni 0.20～0.35％，RE>0，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce；该合金制备过程为：原料准备→配料→真空熔炼→母料成分分析→铸锭铣面→热轧→酸洗、水洗→剪切(剪切成长条状备用)。所制备的铜铁中间合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；Fe元素在中间合金中的分布均匀、不偏析；其为后续生产Cu‐Fe系列铜铁合金的基础。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属合金技术领域，具体涉及一种铜铁中间合金及其制备方法和应用，所制备的中间合金用于生产高性能铜铁合金。
背景技术
金属材料有着广泛的应用范围，但国内外对铜铁合金的报道却极少，由金属材料学的知识可以预测到Cu-Fe合金的一些特点：(1)熔点应高于Cu而低于Fe，若将其用做真空电触头材料来替代Cu合金，则可改善其耐电弧烧蚀能力；(2)纯铜和纯铁都具有良好的延展性，因此Cu-Fe合金应该也具备该性能；(3)用Fe替代部分Cu可以降低Cu材料的成本；(4)具有电磁屏蔽效果。
图1所示为Cu-Fe二元合金相图，初级固溶理论认为：两种元素的原子半径及电化学性质越相似，则越容易形成固溶体，但Fe-Cu系却是例外，它们的原子半径几乎相等，化学亲和力或电负性以及其他化学性质都很类似，但在熔点以下的溶解度却很小，室温时几乎完全不互溶，300℃时溶解度仍然为零，1094℃时溶解度也只有5％左右。有研究者采用液态急冷法和热蒸发法，固溶度最多扩展到8％左右。Fe在Cu中的极低固溶度，严重限制了Cu-Fe合金的应用研究。
合金在冶炼过程中，一些元素是以中间合金的方式加入。利用中间合金加入的方式，一方面可以减少合金元素的熔炼损耗，从而实现对合金化学成分的精确控制；另一方面，在降低熔炼温度的同时也缩短了熔炼时间，有利于提高熔炼设备的寿命，且节约能源。另有研究表明，中间合金的组成、结构等因素也会对所制备合金的性能产生重要影响。
因此，通过在生产Cu-Fe二元合金过程中采用特定的中间合金母料，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，成为一种新的研究思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜铁中间合金及其制备方法和应用，所制备的铜铁中间合金中Fe元素含量为45～60wt％，合金成分均匀，采用该中间合金为母料制备CuFe系列合金，合金中Fe含量高，且分布均匀、不偏析。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种铜铁中间合金，按重量百分含量计，该中间合金化学成分为：Fe45～60％，Ni0.20～0.35％，RE>0，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce。
该中间合金优选的化学成分为：Fe 48～52％，Ni 0.20～0.30％，La<0.02％，Ce<0.04％，Cu为余量。
具有上述化学成分的铜铁中间合金，按照如下步骤进行制备：
(1)原料准备：按重量百分含量计，原料中各元素百分含量为：Fe 45～60％，Ni0.20～0.35％，RE 0.05～0.1％，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce；优选的原料配比为：Fe 48～52％，Ni 0.25～0.30％，La 0.02～0.025％，Ce 0.04～0.045％，Cu为余量。
(2)真空感应熔炼：
按照原料中各元素比例配料，然后进行真空感应熔炼，熔炼过程中，真空度≤8Pa，精炼温度控制在1300～1550℃；浇铸获得合金铸锭；熔炼过程具体如下：
将阴极铜、工业纯铁按配比装入坩埚内，炉内抽真空后送电熔化，1300～1550℃精炼20-30min；加入Ni和CaF后再次精炼20-30min；最后加入La和Ce，40～50秒后开始带电浇铸。
(3)铸锭铣面：
用立式铣床去除铸锭表面2-3mm厚的表层，其目的是除去杂质含量高的部分，同时利于后续加工；
(4)热轧开坯：
轧制温度1000～1015℃，保温90～100分钟，轧制6-7个道次，热轧至10～12mm，然后冷加工至5～6mm；
(5)热轧开坯后的板材进行清洗，然后剪切成所需规格的条状铜铁中间合金材料。
上述步骤(2)中，所述阴极铜、工业纯铁和电解镍表面使用前依次经酸洗、水洗和烘干处理，以保证所有原料清洁；所述酸洗是指：阴极铜采用浓度30vol.％的硫酸清洗，工业纯铁采用浓度30vol.％的盐酸清洗，电解镍采用浓度40vol.％的硝酸清洗。
上述步骤(5)中的清洗过程为：先用浓度30vol.％的硫酸洗去板材表面的氧化皮，再用清水将表面的残酸冲洗干净。
本发明铜铁中间合金用于铜铁系合金材料制备时的母料。
本发明用于制备Cu-Fe系列合金的铜铁中间合金设计原理如下：
1、为生产Cu-Fe系列合金，首先制成CuFe中间合金母料。母料的优点是可降低Cu-Fe系列合金的熔点，减少Fe的氧化和烧损，并通过二次真空重熔，使Cu-Fe系列合金中Fe的分布均匀、不偏析。
2、为制成成分均匀的CuFe中间合金母料，同时加入特定配比的稀土元素La(镧)和Ce(铈)。
3、稀土元素La和Ce具有净化、去杂作用，并在特定工艺条件下与其他元素协同作用，从而充分细化Cu-Fe合金铸态组织的晶粒，减少偏析的产生。
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明制备的铜铁中间合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
2、本发明制备的铜铁中间合金中Fe元素分布均匀、不偏析；
3、本发明制备的铜铁中间合金作为母料为后续生产Cu-Fe系列合金创造了条件。
附图说明
图1为CuFe二元合金相图。
图2为实施例1制备的CuFe中间合金金相微观形貌图。
图3为实施例1制备的CuFe合金铸造状态下金相微观形貌图。
图4为实施例1制备的CuFe合金锻造状态下金相微观形貌图。
图5为实施例1制备的CuFe合金拉伸至Ф8.4mm时金相微观形貌图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明铜铁中间合金作为Cu-Fe系合金制备用的母料，该中间合金的制备过程为该中间合金的制备过程为：原料准备→配料→真空熔炼→母料成分分析→铸锭铣面→热轧→酸洗、水洗→剪切；以下实施例按照如下步骤制备：
(1)原料准备
原料中各元素配比为(wt.％)：Fe 45～60％，Ni 0.20～0.35％，RE 0.05～0.1％，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce；优选的原料配比为：Fe 48～52％，Ni 0.25～0.30％，La 0.02～0.025％，Ce 0.04～0.045％，Cu为余量。
(2)配料：按原料中各元素配比准确称重。将阴极铜、工业纯铁、电解镍表面经酸洗、水洗、烘干处理，确保所有原料清洁。酸洗过程为：阴极铜采用浓度30vol.％的硫酸清洗，工业纯铁采用浓度30vol.％的盐酸清洗，电解镍采用浓度40vol.％的硝酸清洗。
(3)真空熔炼
将阴极铜、工业纯铁装入坩埚内，电解镍和CaF装入加料斗内，稀土元素La和Ce装入加料器内；封炉抽真空，真空度≤8Pa(即6×10-2mmHg)；送电熔化后精炼25min，然后Ni和CaF再次精炼25min，最后加入La和Ce，45秒后开始带电浇铸，获得合金铸锭。真空熔炼采用的真空感应电炉型号：ZG-0.025；精炼温度控制在1300～1550℃。
(4)母料成分分析
采用氟化氢铵遮蔽Fe，然后用化学滴定检测母料铸锭上、下Cu的含量，精准确定母料中Cu、Fe成分对下一步CuFe系合金的生产十分重要。
(5)铸锭铣面
用立式铣床去除锭表面杂质含量高的部分(去除2mm厚度表层)，同时利于后续加工。
(6)热轧开坯
电炉加热：温度1010℃，保温90～100分钟，热轧至12mm，冷加工至5～6mm。所用设备：Φ250×450二辊热轧机。
(7)酸洗、水洗：用硫酸(30vol.％)洗去母料表面的氧化皮并用清水将表面的残酸冲洗干净。
(8)剪切：将母料板材剪切成相应的长条作为中间合金待用。
将上述制备的条状中间合金作为所需制备的高延展性铜铁合金的母料，用于制备高延展性铜铁合金的过程如下：
(1)原料准备及配料
将阴极铜和条状中间合金母料表面依次经酸洗、水洗和烘干处理，确保所有原料清洁，所述酸洗是指：阴极铜采用浓度30vol.％的硫酸清洗，工业纯铁采用浓度30vol.％的盐酸清洗，电解镍采用浓度40vol.％的硝酸清洗；
所要制备的高延展性铜铁合金化学成分为(wt.％)：Fe为4.0～8.0％，余量为Cu及不可避免的杂质；优选的化学成分为(wt.％)：Fe为4.8～5.8％，余量为Cu及不可避免的杂质；合金中：C≤0.03％，S≤0.01％，P≤0.01％。
将清洗后的原料按所需合金配比准确称重；所述中间合金母料作为所需制备高延展性铜铁合金中铁元素和部分铜元素的来源，所述阴极铜作为剩余部分铜元素的来源；
(2)真空熔炼
真空熔炼过程中：精炼温度控制在1200～1500℃；真空度≤2Pa(即1.5×10- 2mmHg)；真空熔炼所用设备：ZG-0.025真空感应电炉，熔炼过程为：
将阴极铜、条状中间合金母料装入坩埚内，CaF装入加料斗内，封炉抽真空，送电熔化后精炼20min，然后加入CaF，再次精炼20min，再在炉内充入惰性气体Ar后开始带电浇铸，即获得所述高延展性铜铁合金铸锭。
(3)采用等离子体原子发射光谱仪(ICP-1000)检测所制备的铜铁合金铸锭上、中、下Fe的成分。
将所制备的高延展性铜铁合金(铸锭)进一步加工成丝材，过程包括如下步骤：
(1)合金铸锭车光：
将成分合格的铜铁合金铸锭在CA6140车床上表面车光。
(2)热锻及锻后车光：
在750Kg空气锤上自由锻造，电炉加热温度860℃，保温90分钟后，进行两镦两拔后锻至Ф45mm棒材；然后车光至Ф42mm棒材。
(3)热轧制：
电炉加热温度850℃，保温70分钟后，在Ф250×350孔型轧机上轧制(梗压)至Ф13mm棒材。
(4)冷加工及中间过程真空退火：
将步骤(3)所得Ф13mm棒材依次进行盘圆、退火(退火温度550～730℃)和冷拉拔处理，重复该过程4次，获得Ф1.5mm丝材后再进行550～730℃条件下的退火处理；该步骤中所用设备LS-20吨链式拉拔机；1/560、1/350、1/250立式拉伸机；Ф800井式真空退火炉等。
(5)微丝拉拔：
真空退火后软态Ф1.5mm丝材进行多道次拉拔处理，每道次加工率15％，拉拔至Ф0.9mm；连续退火炉退火处理(氢气)：炉温740℃，引取(机)速度80，退火后丝材延伸率≥25％；将Ф0.9mm丝材进行多道次拉拔处理，每道次加工率15％，拉拔至Ф0.4mm；连续退火炉退火处理(氢气)：炉温740℃，引取(机)速度70，退火后丝材延伸率≥25％；将Ф0.4mm丝材拉拔至Ф0.18mm，每道次加工率13％；连续氢气退火炉退火处理：炉温740℃，引取(机)速度70，退火后丝材延伸率≥20％；将Ф0.18mm丝材拉拔至Ф0.06mm，每道次加工率12％；连续氢气退火炉退火处理：炉温740℃，引取(机)速度70，退火后丝材延伸率为13～16％。
实施例1
1、本实施例制备铜铁中间合金母料各原料的具体用量为(wt.％)：Fe＝48％；Ni＝0.25％；La＝0.02％；Ce＝0.04％；Cu＝51.69％；所得中间合金母料(1#)成分见表1，该中间合金金相微观形貌图如图2，由图2和表1数据可以看出，本发明制备的铜铁中间合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；Fe元素在中间合金中分布均匀、不偏析。
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝4.8％，Cu＝95.2％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；铸造状态下金相微观形貌图如图3所示，可以看出，Cu、Fe固溶良好，尚有部分游离状态的富Fe存在。铸锭经锻造后的金相微观形貌如图4所示，铸态下游离的富Fe经过加热和锻打得到部分破碎。
3、将CuFe合金棒材加工成丝材，拉伸至Ф8.4mm丝材时的金相微观形貌如图5，从图中可以看出，经过反复加热、热处理和反复梗压、拉伸加工后，Fe的分布更加均匀、细化。最终制备成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
实施例2
1、本实施例制备铜铁中间合金母料各原料的具体用量为(wt.％)：Fe＝51％；Ni＝0.28％；La＝0.025％；Ce＝0.045％；Cu＝48.65％；
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝5.0％，Cu＝95.0％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
3、将CuFe合金铸锭加工成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
实施例3
1、本实施例制备铜铁中间合金母料过程同实施例1。
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝5.2％，Cu＝94.8％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
3、将CuFe合金铸锭加工成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
实施例4
1、本实施例制备铜铁中间合金母料过程同实施例1。
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝5.4％，Cu＝94.6％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
3、将CuFe合金铸锭加工成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
实施例5
1、本实施例制备铜铁中间合金母料各原料的具体用量为(wt.％)：Fe＝49％；Ni＝0.26％；La＝0.02％；Ce＝0.04％；Cu＝51.68％；所得中间合金母料(2#)成分见表1，由表1数据可以看出，本发明制备的铜铁中间合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；Fe元素在中间合金中分布均匀、不偏析。
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝5.6％，Cu＝94.4％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
3、将CuFe合金铸锭加工成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
实施例6
1、本实施例制备铜铁中间合金母料各原料的具体用量为(wt.％)：Fe＝50％；Ni＝0.27％；La＝0.02％；Ce＝0.04％；Cu＝49.67％；所得中间合金母料(3#)成分见表1，由表1数据可以看出，本发明制备的铜铁中间合金化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；Fe元素在中间合金中分布均匀、不偏析。
2、制备高延展性CuFe合金，化学成分设计为(wt.％)：Fe＝5.8％，Cu＝94.2％。所制备的铜铁合金铸锭成分如表2所示，铸锭化学成分稳定，铸锭上、中、下成分均匀；
3、将CuFe合金铸锭加工成Ф0.06mm丝材，经测试，该Ф0.06mm丝材抗拉强度≥400N/mm2；延伸率为13-16％；该铜铁合金还具有优异的电磁屏蔽效果。
上述实施例中CuFe中间合金母料(铸锭)化学成分实测值如表1所示(分析方法：用氟化氢铵遮蔽Fe，然后滴定法测Cu含量，结合其他元素分析方法测其他元素含量)。所制备的铜铁合金铸锭化学成分实测值如表2所示，采用等离子体原子发射光谱仪(ICP-1000)检测所制备的铸锭上、中、下Fe的成分。
表1 CuFe中间合金母料(铸锭)化学成分(wt.％)
表2 CuFe合金(铸锭)化学成分实测值(wt.％)
Claims (8)
1.一种铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：按重量百分含量计，所述铜铁中间合金化学成分为：Fe 45～60％，Ni 0.20～0.35％，RE>0，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce；所述铜铁中间合金的制备方法包括如下步骤：
(1)原料准备：按重量百分含量计，原料中各元素百分含量为：Fe 45～60％，Ni 0.20～0.35％，RE 0.05～0.1％，Cu为余量；其中：RE为稀土元素La和Ce；
(2)真空感应熔炼：
按照原料中各元素比例配料，然后进行真空感应熔炼，熔炼过程中，真空度≤8Pa，精炼温度控制在1300～1550℃；浇铸获得合金铸锭；
(3)铸锭铣面：
用立式铣床去除铸锭表面2-3mm厚的表层，其目的是除去杂质含量高的部分，同时利于后续加工；
(4)热轧开坯：
轧制温度1000～1015℃，保温90～100分钟，轧制6-7个道次，热轧至10～12mm，然后冷加工至5～6mm；
(5)热轧开坯后的板材进行清洗，然后剪切成所需规格的条状铜铁中间合金材料。
2.根据权利要求1所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，按重量百分含量计，原料中各元素百分含量为：Fe 48～52％，Ni 0.25～0.30％，La 0.02～0.025％，Ce 0.04～0.045％，Cu为余量。
3.根据权利要求1所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：按重量百分含量计，该铜铁中间合金化学成分为：Fe 48～52％，Ni 0.20～0.30％，La<0.02％，Ce<0.04％，Cu为余量。
4.根据权利要求1所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中熔炼过程具体如下：
将阴极铜、工业纯铁按配比装入坩埚内，炉内抽真空后送电熔化，1300～1550℃精炼20-30min；加入电解镍和CaF2后再次精炼20-30min；最后加入La和Ce，40～50秒后开始带电浇铸。
5.根据权利要求4所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：所述阴极铜、工业纯铁和电解镍表面使用前依次经酸洗、水洗和烘干处理，以保证所有原料清洁。
6.根据权利要求5所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：所述酸洗是指：阴极铜采用浓度30vol.％的硫酸清洗，工业纯铁采用浓度30vol.％的盐酸清洗，电解镍采用浓度40vol.％的硝酸清洗。
7.根据权利要求1所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中的清洗过程为：先用浓度30vol.％的硫酸洗去板材表面的氧化皮，再用清水将表面的残酸冲洗干净。
8.根据权利要求1所述的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于：所制备的中间合金用于铜铁系合金材料制备时的母料。
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