一种Fe-Cu合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Fe

【技术实现步骤摘要】
一种Fe
‑
Cu合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电机
，具体涉及一种Fe
‑
Cu合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本专利技术提供了一种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。
[0005]本专利技术还提供了一种Fe
‑
Cu合金的制备方法。
[0006]本专利技术还提供了一种Fe
‑
Cu合金的应用。
[0007]本专利技术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：
[0008]Cu：10wt％～30.0wt％，
[0009]Si：0.01wt％～0.2wt％，
[0010]Mg：0.01wt％～0.1wt％，
[0011]Zn：0.01wt％～0.1wt％。
[0012]本专利技术关于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：
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本专利技术根据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。本专利技术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。
[0016]根据本专利技术的一些实施方式，Fe
‑
Cu合金包括Fe和满足以下质量百分比计的元素：
[0017]Cu：15wt％～30.0wt％，
[0018]Si：0.02wt％～0.2wt％，
[0019]Mg：0.02wt％～0.1wt％，
[0020]Zn：0.02wt％～0.1wt％。
[0021]本专利技术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：
[0022]S1：按配比备料，将Fe熔化后，分批间隔性加入Cu进行熔炼；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]S4：将所述铸锭在保护气氛下进行均匀化退火；
[0026]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；
[0027]S6：将所述热轧板材进行组合形变热处理。
[0028]本专利技术关于Fe
‑
Cu合金的制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Fe
‑
Cu合金，其特征在于，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Fe
‑
Cu合金，其特征在于，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％。3.一种制备如权利要求1或2所述的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。4.根据权利要求3所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李周，邱文婷，龚深，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：