一种Cu-Fe复合材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Cu-Fe复合材料的制备方法，将Cu粉和Fe粉经过球磨混粉后过筛，然后依次经过预压制、高温热压烧结、固溶处理、时效处理，即得到Cu-Fe复合材料。本发明Cu-Fe复合材料的制备方法，在Cu-Fe复合材料的制备过程中，采用粉末冶金的方法，可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织；可以容易地实现Cu、Fe的复合，充分发挥原材料的特性，生产出普通熔炼无法生产的Cu-Fe复合材料；该方法制备Cu-Fe复合材料的硬度在HB120以上，抗拉强度在500MPa以上。
【专利说明】一种Cu-Fe复合材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合材料制备【技术领域】，具体涉及一种Cu-Fe复合材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]铜合金是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色，又称紫铜。纯铜密度为8.96，熔点为1083°C，具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。现阶段我国常在纯铜中添加锌、铝、镍、锰、锡、硅、铅等元素来改变其性能。
[0003]为了保证Cu-Fe材料在具有较高力学性能的同时并具有较好的导电性，就需要将Fe元素均匀分布在Cu基体中，现有Cu-Fe材料主要采用高温熔炼的方法制备，由于在高温下两种元素会相互溶解，在降温凝固过程中成分偏析严重，这极大的影响了 Cu-Fe材料的导电性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种Cu-Fe复合材料的制备方法，解决了现有制备得到的Cu-Fe复合材料成分便析严重，影响其导电性的问题。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种Cu-Fe复合材料的制备方法，将Cu粉和Fe粉经过球磨混粉后过筛，然后依次经过预压制、高温热压烧结、固溶处理、时效处理，即得到Cu-Fe复合材料。
[0006]本发明的特点还在于，
[0007]球磨混粉是将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入磨球进行机械混粉10?15h，转速400r/min,得到复合粉末。
[0008]复合粉末中Cu粉的质量百分比为88?52%，Fe粉的质量百分比为12?48%。
[0009]磨球的加入量是复合粉末总质量的20?40倍。
[0010]预压制是通过冷压模具在油压机上进行预压制得到复合材料毛坯，压制压力10 ?300KN，保压 30 ?120s。
[0011]高温热压烧结是将预压制得到的复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，一起放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为30?60min，检验纯度达到95vol %后开始加热，加热至800?1000°C时保温30?60min，保温结束后开始加压力1.5?3.0MPa,并继续加热，待加热到1025?1075°C并保温30?60min后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低取出。
[0012]固溶处理温度为800?1000°C，保温20?60min，水冷。
[0013]时效处理温度为400?550°C，保温2?6h，空冷。
[0014]本发明的有益效果是，本发明Cu-Fe复合材料的制备方法，在Cu-Fe复合材料的制备过程中，采用粉末冶金的方法，可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织；可以容易地实现Cu、Fe的复合，充分发挥原材料的特性，生产出普通熔炼无法生产的Cu-Fe复合材料；该方法制备Cu-Fe复合材料的硬度在HB120以上，抗拉强度在500MPa以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是实施例1制备得到的Cu_Fel2复合材料的导电率曲线；
[0016]图2是实施例1制备得到的Cu-Fe复合材料扫描图；
[0017]图3是实施例2制备得到的Cu_Fel8复合材料的组织图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]本发明Cu-Fe复合材料的制备方法，将Cu粉和Fe粉经过球磨混粉后过筛，然后依次经过预压制、高温热压烧结、固溶处理、时效处理，即得到Cu-Fe复合材料。
[0020]具体按照以下步骤实施:
[0021]步骤I，按质量百分比分别称取52?88% Cu粉、12?48% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量20?40倍的磨球进行机械混粉10?15h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0022]步骤2，将步骤I得到的复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力10?300KN，保压30?120s，得到复合材料毛坯；
[0023]步骤3，将步骤2得到的复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，一起放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H230?60min检验纯度达到95vol %后开始加热，加热至800?1000°C时保温30?60min，保温结束后开始加压力1.5?3.0MPa,并继续加热，待加热到1025?1075°C并保温30?60min后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低取出，得到Cu-Fe复合材料；
[0024]步骤4，将步骤3得到的Cu-Fe复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为800?1000°C，保温20?60min，水冷；再进行时效处理，加热到400?550°C保温2?6h，空冷，即得。
[0025]本发明Cu-Fe复合材料的制备方法，在Cu-Fe复合材料的制备过程中，采用粉末冶金的方法，可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织；可以容易地实现Cu、Fe的复合，充分发挥原材料的特性，生产出普通熔炼无法生产的Cu-Fe复合材料；该方法制备Cu-Fe复合材料的硬度在HB120以上，抗拉强度在500MPa以上。
[0026]实施例1
[0027]按质量百分比分别称取88% Cu粉、12% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量20倍的磨球进行机械混粉12h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0028]将复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力300KN，保压30秒形成复合材料毛坯；
[0029]将复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为40min检验纯度达到95vol %后开始加热,加热到950°C时保温60min后开始加压力2.0MPa,并继续加热至1025°C保温30min，保温结束后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低后将其取出即得到Cu-Fel2复合材料；
[0030]将Cu_Fel2复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为800°C，保温20min，水冷；再进行时效处理，加热到450°C保温2h，空冷。
[0031]所得Cu_Fel2复合材料的硬度为HB120，强度为530MPa，导电率达12MS/m。
[0032]图1是实施例1制备得到的Cu_Fel2复合材料的导电率曲线；图1为在不同工艺参数下(包括4种不同的烧结温度，以及3种热处理状态)Cu-Fel2复合材料的导电率，说明通过本专利制备的Cu-Fel2复合材料具有良好的导电率。
[0033]图2是实施例1制备得到的Cu_Fel2复合材料端口扫描照片，由图2可以看到，起到增强作用的Fe元素在断口中均匀分布，提高了材料的强度。
[0034]实施例2
[0035]按质量百分比分别称取82% Cu粉、18% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量20倍的磨球进行机械混粉1h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0036]将复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力100KN，保压60秒形成复合材料毛坯；
[0037]将复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为40min,检验纯度大于95vol%后开始加热,加热到950°C时保温60min后开始加压力1.5MPa，并继续加热至1050°C保温40min，保温结束后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低后将其取出即得到Cu-FelS复合材料；
[0038]将Cu_Fel8复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为840°C，保温30min，水冷；再进行时效处理，加热到480°C保温2.5h，空冷即得。
[0039]所得Cu_Fel8复合材料的硬度为HB128，强度为545MPa，导电率达11.4MS/m。
[0040]图3是实施例2制备得到的Cu_Fel8复合材料的组织图，图3中黑色颗粒为Fe相，其均匀分布在Cu基体中，没有成分偏析现象。
[0041]实施例3
[0042]按质量百分比分别称取76% Cu粉、24% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量20倍的磨球进行机械混粉12h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0043]将复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力200KN，保压80秒形成复合材料毛坯；
[0044]将复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为60min,检验纯度大于95vol %后开始加热,加热到1000°C时保温40min后开始加压力2.0MPa,并继续加热至1075°C保温40min，保温结束后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低后将其取出即得到Cu-Fe24复合材料；
[0045]将Cu_Fe24复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为950°C，保温50min，水冷；再进行时效处理，加热到480°C保温3h，空冷即得。
[0046]所得Cu_Fe24复合材料的硬度为HB131，强度为556MPa，导电率达11.1MS/s。
[0047]实施例4
[0048]按质量百分比分别称取68% Cu粉、32% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量30倍的磨球进行机械混粉15h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0049]将复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力300KN，保压30秒形成复合材料毛坯；
[0050]将复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为40min,检验纯度大于95vol%后开始加热,加热到950°C时保温40min后开始加压力2.5MPa，并继续加热至1060°C保温60min，保温结束后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低后将其取出即得到Cu-Fe复合材料；
[0051]将Cu-Fe32复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为890°C，保温35min，水冷；再进行时效处理，加热到500°C保温3.5h空冷，即得。
[0052]所得Cu-Fe32复合材料的硬度为HB136，强度为560MPa，导电率达10.4MS/m。
[0053]实施例5
[0054]按质量百分比分别称取52% Cu粉、48% Fe粉，然后将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入粉末总质量40倍的磨球进行机械混粉13h,转速400r/min,得到复合粉末；
[0055]将复合粉末过筛后通过冷压模具在油压机上进行预压制，压制压力10KN，保压120秒形成复合材料毛坯；
[0056]将复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为30min,检验纯度大于95vol %后开始加热,加热到800°C时保温30min后开始加压力3.0MPa,并继续加热至1050°C保温50min，保温结束后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低后将其取出即得到Cu-Fe复合材料；
[0057]将Cu_Fe48复合材料在箱式热处理炉进行固溶处理，温度为1000°C，保温60min，水冷；再进行时效处理，加热到550°C保温6h空冷，即得。
[0058]所得Cu-Fel2复合材料的硬度为HB138，强度为562MPa，导电率达9.7MS/m。
【权利要求】
1.一种Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，将Cu粉和Fe粉经过球磨混粉后过筛，然后依次经过预压制、高温热压烧结、固溶处理、时效处理，即得到Cu-Fe复合材料。
2.根据权利要求1所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨混粉是将Cu粉和Fe粉装入球磨罐中，加入磨球进行机械混粉10?15h,转速400r/min,得到复合粉末。
3.根据权利要求2所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合粉末中Cu粉的质量百分比为52?88%，Fe粉的质量百分比为12?48%。
4.根据权利要求2或3所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，磨球的加入量是复合粉末总质量的20?40倍。
5.根据权利要求1所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述预压制是通过冷压模具在油压机上进行预压制得到复合材料毛坯，压制压力10-300KN，保压30-120S。
6.根据权利要求1所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述高温热压烧结是将预压制得到的复合材料毛坯装在高纯石墨坩埚中，一起放入SLQ-16B立式气氛保护加压烧结炉内，通入H2为30?60min，检验纯度大于95vol %后开始加热，加热至800?1000°C时保温30?60min，保温结束后开始加压力1.5?3.0MPa，并继续加热，待加热到1025?1075°C并保温30?60min后关闭热压烧结炉并将H2改换N2开始降温，炉温降低取出。
7.根据权利要求1所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述固溶处理温度为800?1000°C，保温20?60min，水冷。
8.根据权利要求1所述的Cu-Fe复合材料的制备方法，其特征在于，所述时效处理温度为400?550°C，保温2?6h，空冷。
【文档编号】C22C9/00GK104232962SQ201410493879
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】邹军涛, 楚思清, 陈镜任, 梁淑华, 石浩, 王勇 申请人:西安理工大学