一种成分均匀的铜铁中间合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于有色金属冶炼技术领域，涉及一种成分均匀的铜铁中间合金及其制备方法。本发明专利技术通过加入杂质元素Ti、P、Zr、Mg改变铜铁两相间的表面能，来抵消过剩的吉布斯自由能，再通过向熔体吹氧的方式使Ti、P、Zr、Mg这些元素氧化，再以造渣的方式脱除，不仅改善了铜铁两相间的润湿性，还保证铜铁中间合金的纯净度。本发明专利技术铜铁中间合金在非真空环境下就可制备，制备成本低、生产高效，制备得到的铜铁中间合金无气孔、成分均匀、不存在铜铁分离的现象，同时铁相能够细小且均匀的分布，富铁相的平均尺寸≤30μm。≤30μm。≤30μm。

【技术实现步骤摘要】
一种成分均匀的铜铁中间合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于有色金属冶炼
，涉及一种成分均匀的铜铁中间合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]Cu
‑
Fe合金能够同时兼具铜和铁的固有特征，能够具备优异的抑菌杀毒功能、优异的导热性、高的强度、高的导电性及优异电磁屏蔽性能。铜铁合金能够应用于汽车、航天、船舶、电子电器等众多的领域，而且铁在地球上的储量非常丰富，制备铜铁合金的原料极易获取，具备很大的应用前景。Cu
‑
Fe合金是一种典型的难混溶合金，高铁含量的铜铁合金在凝固过程中会发生严重的成分偏析，从Cu
‑
Fe相图上看液相线下存在着液相不混溶间隙，铜铁合金凝固时熔体会发生液液分离，分离成富Fe相的L1和富铜相的L2，即L
→
L1(富铁相)+L2(富铜相)，从而导致铜铁合金难以合金化。
[0003]在过年的百年中人们虽然发现了铜铁合金具有许多优异的特性，由于铜铁合金在凝固过程具备液液分离这一特征，最终导致铜铁合金难以得到产业化应用。目前高铁含量铜铁合金主要通过粉末冶金、快速凝固技术等进行生产，但这些方法难以实现产业化应用。而铜铁中间合金是产业化制备成分均匀的高铁含量铜铁合金的关键，目前急需一种低成本、高效生产铜铁中间合金的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种在非真空环境下制备的低成本、生产高效、成分均匀的铜铁中间合金及其制备方法。
[0005]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种成分均匀的铜铁中间合金，所述铜铁中间合金富铁相的平均尺寸≤30μm，其原料以质量百分比计为：Fe 40
‑
55wt％，余量为Cu和杂质元素。
[0006]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金中，杂质元素为Ti、P、Zr、Mg中的一种或多种。
[0007]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金中，杂质元素质量百分比含量为0.01
‑
1.5％。
[0008]作为优选，Fe以纯铁的形式加入，铜以电解铜的形式加入，Ti以铜钛中间合金的形式加入，P以铜磷中间合金的形式加入，Zr以铜锆中间合金的形式加入，Mg以铜镁中间合金的形式加入。Ti、P、Zr、Mg这些元素能很好得改善铜铁两相间的润湿性，当这些元素加入后能够改变铜铁两相间的表面能，此时铜铁两相间的表面能足够抵消过剩的吉布斯自由能。
[0009]本专利技术还提供了一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法，所述方法包括如下步骤：
[0010]S1、配置上述原料；
[0011]S2、先将Fe进行熔炼，再加入Cu，熔化完成后加入杂质元素继续进行熔炼，熔炼过
程中采用覆盖剂进行覆盖，熔炼结束后进行保温处理；
[0012]S3、向熔体进行吹氧处理，然后脱除杂质元素；
[0013]S4、将熔体倒入模具中，冷却后脱模得铜铁中间合金。
[0014]从热力学上讲，两组元能否充分混合取决于摩尔混合吉布斯自由能
△
G
m
(
△
G
m
＝
△
H
mix
‑
T
△
S
mix
)，换句话说，取决于
△
H
mix
的符号以及
△
H
mix
相对于T
△
S
mix
的大小，即
△
G
m
＜0，组元能够混合；
△
G
m
＞0，组元不能够混合。常规方法制备高铁含量(Fe≥4％)的铜铁合金时，由于铜铁合金的混合焓(
△
H
mix
)为正，而合金化过程
△
S
mix
恒＞0，这就导致当温度大于临界温度T
m
时，
△
G
m
＜0，能自发混合；当温度小于临界温度T
m
时，
△
G
m
＞0，不能自发混合，铜铁两相自发得发生分离。从Cu
‑
Fe的相图上看在铜铁的液相下存在着液相不混溶间隙，如上所说，在该区域内铜铁两相的摩尔混合吉布斯自由能
△
G
m
＞0，这是导致铜铁两相发生分离的根本原因，若要使铜铁两相不发生分离，需补充这部分过量的吉布斯自由能，使铜铁两相的摩尔混合吉布斯自由能
△
G
m
＜0，就能够获得不发生相分离的铜铁合金。
[0015]本专利技术通过向铜铁熔体内加入Ti、P、Zr、Mg这些元素改善铜铁两相间的润湿性，这些元素加入后能够改变铜铁两相间的表面能，此时铜铁两相间的表面能足够抵消过剩的吉布斯自由能。若成品铜铁中间合金仍存在高含量的Ti、P、Zr、Mg，当使用这种中间合金在制备高铁含量铜铁合金时会极大影响成品的性能。故在制备铜铁中间合金时通过向熔体吹氧的方式使Ti、P、Zr、Mg这些元素氧化造渣的方式脱除，以此保证铜铁中间合金的纯净度。
[0016]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法中，步骤S2熔炼温度为1450
‑
1650℃，保温时间为1
‑
12h。
[0017]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法中，步骤S2覆盖剂成分及其质量百分比为：SiO
2 10
‑
15％、CaF
2 5
‑
10％、TiO
2 5
‑
10％、MgO 10
‑
15％、余量为CaO。
[0018]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法中，吹氧处理中吹氧速率为5
‑
30L/min。
[0019]在上述的一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法中，步骤S3吹氧处理后熔体中杂质元素含量小于0.05％。本专利技术中每隔2分钟进行熔体取样进行成分测试，当Ti、P、Zr、Mg这些元素总和小于0.05％即停止吹氧。本专利技术主要利用Ti、P、Zr、Mg这些元素与氧的反应优先于Cu、Fe，使Ti、P、Zr、Mg这些元素形成氧化渣，这些氧化渣由于与熔体的密度差，在重力的作用下在熔体中会自动上浮，达到与熔体分离的效果。
[0020]本专利技术还提供了一种高铁含量的铜铁合金，所述高铁含量的铜铁合金的原料包括上述成分均匀的铜铁中间合金。在制备高铁含量铜铁合金时，Fe以本专利技术铜铁中间合金的形式加入，利用中间合金的“遗传”特性来保证铸造过程铜铁不会分离。当本专利技术的中间合金加入到熔体后，此时整个熔体的表面能足够高，足以补偿部分摩尔过量的吉布斯自由能，表面能作为驱动力能够防止在凝固过程中富铁相的聚集，从而获得成分均匀的高铁含量铜铁合金。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种成分均匀的铜铁中间合金，其特征在于，所述铜铁中间合金富铁相的平均尺寸≤30μm，其原料以质量百分比计为：Fe 40
‑
55wt％，余量为Cu和杂质元素。2.根据权利要求1所述的一种成分均匀的铜铁中间合金，其特征在于，杂质元素为Ti、P、Zr、Mg中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的一种成分均匀的铜铁中间合金，其特征在于，杂质元素质量百分比含量为0.01
‑
1.5％。4.一种如权利要求1所述成分均匀的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1、配置权利要求1所述原料；S2、先将Fe进行熔炼，再加入Cu，熔化完成后加入杂质元素继续进行熔炼，熔炼过程中采用覆盖剂进行覆盖，熔炼结束后进行保温处理；S3、向熔体进行吹氧处理，然后脱除杂质元素；S4、将熔体倒入模具中，冷却后脱模得铜铁中间合金。5.根据权利要求4所述的一种成分均匀的铜铁中间合金的制备方法，其特征在于，步骤S2熔炼...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳程，程万林，夏彬，杨文强，陈建华，杨浩跻，张佳俐，叶邑舟，
申请(专利权)人：宁波兴业鑫泰新型电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：