一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法与流程

本发明涉及粉末冶金制品技术领域，具体涉及一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法。

背景技术：

在粉末冶金制品中，铜粉和铁粉是用量最大的两种粉末，传统粉末冶金制品的制备是将铜粉、铁粉混合使用，两者混合不均匀以及两者熔化温度相差较大，烧结温度难以确定等特点，导致制成品的质量和性能受到严重的影响；另外一种铜铁复合粉的生产方法是采用扩散法，把铜粉和铁粉按一定比例混合均匀，然后加热到一定温度，使铜粉包覆在铁粉颗粒表面，由于该方法是一种以物理的方式把铜包覆在铁粉颗粒表面，因此，也存在很多不足之处。

放电等离子烧结工艺，相比于普通的无压烧结和热压烧结，该种烧结可以在较低的烧结温度下得到致密的材料。并且放电等离子烧结大大缩短了烧结时间，提高了生产效率，降低了生产成本，提高了金属陶瓷复合材料的致密度。

针对以上问题，我们通过真空雾化制粉，结合放电等离子烧结技术制备出性能优异的铜铁合金材料。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明提供了一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法，利用本发明方法制备的铜铁合金具有致密度高，气孔缺陷少，粉体结合强度高优点。

本发明的技术方案为：一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法，具体包括：

步骤一：配料

按百分含量计，原料中fe元素的百分含量为5～50％，余量为cu元素；

步骤二：熔炼

采用真空熔炼的方式进行熔炼；

步骤三：雾化制粉

对熔炼处理后熔化的合金进行雾化制粉得到雾化合金粉末；

步骤四：筛选

对雾化合金粉末收集后进行筛分选级；其中，筛选的雾化合金粉末的合金粉末粒度为200～650目之间；

步骤五：放电等离子烧结

将筛选的雾化合金粉末倒入石墨模具，放置于等离子烧结炉内抽真空并加压，当压强达到30～60mpa后，通入1500～2000a的脉冲直流电流并以30～100℃/min的升温速度升温至800～950℃，保温时间为3～5min；降温卸压出炉，制得铜铁合金。

进一步地，所述步骤一中fe元素以cufe母合金的形式加入，cu元素以电解铜板和以cufe母合金的形式加入；采用较高纯度的原料能够有效地从源头减少后期合金所含杂质。

更进一步地，所述cufe母合金和电解铜板在熔炼前需要进行预处理，预处理的具体步骤为：分别对cufe母合金和电解铜板采用激光抛光机进行抛光处理；进行抛光处理能够有效地去除原料表面的氧化膜，能够有效地提高纯度。

进一步地，所述步骤二熔炼的具体步骤为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，升温至850～1050℃保温3～5min；然后将温度升至1350～1450℃，保温5～8min，然后缓慢向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气进行保护。

进一步地，所述步骤二熔炼的具体步骤为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，以5℃/s的升温速率升温至800～950℃保温30～45s，然后以50℃/min的升温速率升温至1250～1350℃后保温3～5min；然后以5℃/s的升温速率升温至1400～1450℃，且在升温的同时向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气，当炉内压力升至0.08mpa时，停止冲入高纯氩气，然后持续在1400～1450℃条件下保温2.5～3min。

更进一步地，所述坩埚具体为刚玉坩埚；含碳坩埚中的碳严重影响铜铁合金的熔炼。

进一步地，所述步骤三雾化制粉的具体步骤为：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压力为0.5～10mpa的压缩气体的喷射，分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，制备得到雾化合金粉末；其中，压缩气体的流速控制4～20l/min；压缩气体具体采用高纯氩气，能够利用压力将熔化合金分散成细小液滴。

进一步地，所述步骤三雾化制粉的具体步骤为：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压力为5～8mpa的压缩气体的喷射，分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，制备得到雾化合金粉末；其中，压缩气体的流速控制12～15l/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明方法工艺简单，流程合理；所采用纯度较高的原料进行制备，能够有效地从源头减少杂质；熔炼时采用不含碳的坩埚能够有效地避免碳元素对铜铁合金熔炼的影响；通过真空雾化制粉，结合放电等离子烧结技术制备出性能优异的铜铁合金材料，该铜铁合金具有致密度高，气孔缺陷少，粉体结合强度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1制备铜铁合金在100倍镜下的放电等离子烧结后的金相组织图；

图2是本发明实施例1制备铜铁合金在50倍镜下的放电等离子烧结后的金相组织图。

具体实施方式

实施例1：一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法，具体包括：

步骤一：配料

按百分含量计，原料中fe元素的百分含量为5％，余量为cu元素；其中，fe元素以cufe母合金的形式加入，cu元素以电解铜板和以cufe母合金的形式加入；

步骤二：熔炼

采用真空熔炼的方式进行熔炼；具体为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，升温至850℃保温3min；然后将温度升至1350℃，保温5min，然后缓慢向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气进行保护；其中，坩埚具体为刚玉坩埚；

步骤三：雾化制粉

对熔炼处理后熔化的合金进行雾化制粉得到雾化合金粉末；具体为：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压力为0.5mpa的压缩气体的喷射，分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，制备得到雾化合金粉末；其中，压缩气体的流速控制4l/min；压缩气体具体采用浓度为99.99％的氩气；

步骤四：筛选

对雾化合金粉末收集后进行筛分选级；其中，筛选的雾化合金粉末的合金粉末粒度为200～650目之间；

步骤五：放电等离子烧结

将筛选的雾化合金粉末倒入石墨模具，放置于等离子烧结炉内抽真空并加压，当压强达到30mpa后，通入1500a的脉冲直流电流并以30℃/min的升温速度升温至800℃，保温时间为3min；降温卸压出炉，制得铜铁合金。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于97％，铁相分布弥散均匀。

实施例2：一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法，具体包括：

步骤一：配料

按百分含量计，原料中fe元素的百分含量为15％，余量为cu元素；其中，fe元素以cufe母合金的形式加入，cu元素以电解铜板和以cufe母合金的形式加入；

步骤二：熔炼

采用真空熔炼的方式进行熔炼；具体为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，升温至950℃保温4min；然后将温度升至1400℃，保温7min，然后缓慢向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气进行保护；其中，坩埚具体为刚玉坩埚；

步骤三：雾化制粉

对熔炼处理后熔化的合金进行雾化制粉得到雾化合金粉末；具体为：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压力为8mpa的压缩气体的喷射，分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，制备得到雾化合金粉末；其中，压缩气体的流速控制15l/min；

步骤四：筛选

对雾化合金粉末收集后进行筛分选级；其中，筛选的雾化合金粉末的合金粉末粒度为300～500目之间；

步骤五：放电等离子烧结

将筛选的雾化合金粉末倒入石墨模具，放置于等离子烧结炉内抽真空并加压，当压强达到50mpa后，通入1800a的脉冲直流电流并以50℃/min的升温速度升温至850℃，保温时间为4min；降温卸压出炉，制得铜铁合金。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于98％，铁相分布弥散均匀。

实施例3：一种放电等离子烧结制备铜铁合金的方法，具体包括：

步骤一：配料

按百分含量计，原料中fe元素的百分含量为50％，余量为cu元素；其中，fe元素以cufe母合金的形式加入，cu元素以电解铜板和以cufe母合金的形式加入；

步骤二：熔炼

采用真空熔炼的方式进行熔炼；具体为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，升温至1050℃保温5min；然后将温度升至1450℃，保温8min，然后缓慢向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气进行保护；其中，坩埚具体为刚玉坩埚；

步骤三：雾化制粉

对熔炼处理后熔化的合金进行雾化制粉得到雾化合金粉末；具体为：将熔化的合金液倒入漏包中，合金液通过漏嘴流出的过程中，经过压力为10mpa的压缩气体的喷射，分散成细小液滴，在降落的过程中冷却凝固，制备得到雾化合金粉末；其中，压缩气体的流速控制20l/min；

步骤四：筛选

对雾化合金粉末收集后进行筛分选级；其中，筛选的雾化合金粉末的合金粉末粒度为350～450目之间；

步骤五：放电等离子烧结

将筛选的雾化合金粉末倒入石墨模具，放置于等离子烧结炉内抽真空并加压，当压强达到60mpa后，通入2000a的脉冲直流电流并以100℃/min的升温速度升温至950℃，保温时间为5min；降温卸压出炉，制得铜铁合金。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于97％，铁相分布弥散均匀。

实施例4：与实施例1不同的是：cufe母合金和电解铜板在熔炼前需要进行预处理，预处理的具体步骤为：分别对cufe母合金和电解铜板采用激光抛光机进行抛光处理。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于98％，铁相分布弥散均匀。

实施例5：与实施例1不同的是：步骤二熔炼的具体步骤为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，以5℃/s的升温速率升温至800℃保温30s，然后以50℃/min的升温速率升温至1250℃后保温3min；然后以5℃/s的升温速率升温至1400℃，且在升温的同时向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气，当炉内压力升至0.08mpa时，停止冲入高纯氩气，然后持续在1400℃条件下保温2.5min。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于98％，铁相分布弥散均匀。

实施例6：与实施例1不同的是：步骤二熔炼的具体步骤为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，以5℃/s的升温速率升温至900℃保温35s，然后以50℃/min的升温速率升温至1300℃后保温4min；然后以5℃/s的升温速率升温至1425℃，且在升温的同时向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气，当炉内压力升至0.08mpa时，停止冲入高纯氩气，然后持续在1425℃条件下保温3min。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于99％，铁相分布弥散均匀。

实施例7：与实施例1不同的是：步骤二熔炼的具体步骤为：将步骤一配置好的原料混合均匀后装入不含碳的坩埚放至真空熔炼炉内，当真空度抽至р≤4pa时，以5℃/s的升温速率升温至950℃保温45s，然后以50℃/min的升温速率升温至1350℃后保温5min；然后以5℃/s的升温速率升温至1450℃，且在升温的同时向真空熔炼炉炉体内充入高纯氩气，当炉内压力升至0.08mpa时，停止冲入高纯氩气，然后持续在1450℃条件下保温3min。

本实施例制得的铜铁合金的致密度大于98％，铁相分布弥散均匀。