一种铁铜结合材料的制备方法

摘要

一种铁铜结合材料及其制备方法，属于材料技术领域，由两种金属结合而成，一种金属为铁合金，另一种金属为铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态；制备方法为：（1）将铁合金加工成铁桶；（2）准备铜合金原料和碳质材料；（3）将铜合金原料与碳质材料放入铁桶中，将铁盖焊接在铁桶上，置于加热炉中，加热形成熔体；（4）置于离心机内离心，至全部凝固成铜合金；放入铸造砂中降温至常温；（5）沿轴线的垂直方向切割，获得双金属圆盘；（6）轧制成环状双金属片。本发明中的铁铜结合材料将能在异种金属的搭桥焊接、核电站高温自动保护、无人环境下自控装置、微重力电动转子连接件等方面展开应用。

权利要求

1.一种铁铜结合材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：（1）准备铁合金，Fe的重量纯度≥95%，将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶并去除表面油污；

（2）准备铜合金原料，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu 65 98%，并准备占铜合~金原料总重量0.5 2%的碳质材料，所述的碳质材料选用木炭或石墨；

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（3）将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的20 80%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内~部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1050 1350℃，保温10 60min，在铁桶内形成熔~ ~体；

（4）将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以400 800rpm的速度旋转，熔体逐渐~冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

（5）将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为1 30mm；

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（6）将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为60 99.7%，制成~铁铜结合材料，铁铜结合材料的两种金属的结合处呈原子结合形态，其抗拉强度为180~

680MPa，厚度为0.09 1.2mm。

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说明书

一种铁铜结合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料技术领域，特别涉及一种铁铜结合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 在传统工业的研究应用中，钢铁与铜合金由于其物理与化学等性质的较大差异，而分别被划为黑色金属、有色金属；钢铁与铜合金及其钢/铜双金属复合材料各自在不同的领域中，如电子、信息、交通、能源、冶金、机电等，扮演着重要材料的角色。随着科学技术和现代工业的发展，一些新兴高科技领域对两端具有不同的物理性能和力学性能的异端同体结合材料的性能提出了更新的要求：在核电站的一些特殊环境下，在既能耐近千度高温、但超过千度高温时，要求一些设备必须且仅部分紧急停运，即在内部因故障停止工作时，特殊环境能作为一个单独的环境，不对特殊环境以外产生不利的灾难性影响;在物联网、外太空的及深海等无人操作的坏境中，为了方便对于耐极端环境材料的辨识，要求所用的金属材料必须两端具有的不同磁性、热膨胀系数，或者所焊接的异种双金属结合材料的两种金属之间必须具良好的结合而抗拉等。同时，传统的原料Cu、Fe来源广，成本低，便于将来需要时的大规模生产。随着将来宇航、深海等探索的开拓，异端同体铁铜结合材料将成为未来世界各国重点关注发展的热门结合材料。

[0003] 现有的结合技术，主要是双金属的轧制结合、焊接、扩散、爆炸结合等。复合的关键步骤在后期轧制式或爆炸式接触阶段，工艺复杂或成品率不稳定，尤其在异种金属结合处多夹杂，影响了两种金属之间的结合强度。

发明内容

[0004] 针对现有双金属结合材料在制备技术中存在的上述问题，本发明提供一种铁铜结合材料及其制备方法，通过将铜合金原料和碳质材料在铁合金容器中熔炼，再轧制制成铁铜结合材料，提高结合强度及材料性能。

[0005] 本发明的铁铜结合材料由两种金属结合而成，一种金属为铁合金，另一种金属为铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态。

[0006] 所述的铁合金选用Fe的重量含量≥95%的铁合金。

[0007] 所述的铜合金选用Cu的重量含量56 98%的铜合金。~

[0008] 所述的铁铜结合材料的抗拉强度为180 680MPa。~

[0009] 所述的铁铜结合材料的厚度为0.09 1.2mm。~

[0010] 本发明的铁铜结合材料制备方法按以下步骤进行：

[0011] 1、准备铁合金，Fe的重量纯度≥95%，将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶并去除表面油污；

[0012] 2、准备铜合金原料，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu 65 98%，并准备占铜~合金原料总重量0.5 2%的碳质材料，所述的碳质材料选用木炭或石墨；
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[0013] 3、将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的20 80%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶~内部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1050 1350℃，保温10 60min，在铁桶内形成熔~ ~
体；

[0014] 4、将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以400 800rpm的速度旋转，熔体~逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

[0015] 5、将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为1 30mm；~

[0016] 6、将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为60 99.7%，~制成铁铜结合材料。

[0017] 上述方法中，铁桶的壁厚为5 50mm。~

[0018] 上述方法中，铁盖的材质选用Fe的重量含量87 99.9%的铁合金。~

[0019] 本发明在Cu合金原料中添加一定含量的碳质材料，主要起的作用是制造还原性气氛，防止筒罐的内部严重氧化，减少氧化物夹杂的生成，保护合金性能，从而确保铁端和铜端的连接处进行紧密结合。

[0020] 通过对铁桶进行油污清洗和表面熔剂处理，将高温筒罐放入离心机等，主要起二方面的作用：一是减少并去除连接处的氧化物夹杂，降低材料中的气体和杂质元素含量，使材料的性能提高；二是增强结合，使两端的材料获得最佳的结合强度，提高延伸率等理化性能；采用中心处有小孔钢铁盖焊封到铁桶上，可以防止铜熔体高温时渗出，小孔具有排气、防爆的作用。

[0021] 本发明制备的双金属材料区别于现有的一般结合产品，结合方式不再是常见的两种异种板材之间面与面的结合，而是通过先生产出一种异端同体的产品，而后仅通过轧制、剪切等简单的金属加工方法，将之做成两端分别为铁端和铜端的异端同体双金属材料。

[0022] 与其它爆炸结合、轧制结合、焊接结合等技术生产的成品相比较，本发明将传统的铁合金与铜合金两种材料面与面之间大面积的焊接难以处处紧密结合的结合方式，改为了由于铁合金与铜合金的两种主要原子之间相互吸引，而得到接触面非常牢固而不可分的冶金式结合的结合材料结合方式；而通过将这种铁铜之间不易分离的结合材料进行锻造、轧制、剪切等加工，可以生产出不同结组合方式的板材、带材、棒材等产品。

[0023] 本发明中的铁铜结合材料将能在异种金属的搭桥焊接、核电站高温自动保护、无人环境下自控装置、微重力电动转子连接件等方面展开应用。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例4中的铁铜结合材料高倍电镜扫描图；

[0025] 图2为图1的铁铜结合材料电镜扫描白色指示线处的成分分析图；

[0026] 图3为本发明实施例4中的铁铜结合材料热处理后的距离-硬度曲线图；

[0027] 图4为本发明实施例4中的铁铜结合材料的低倍电镜扫描图；

[0028] 图5为图4的低倍电镜面扫描Cu成分分析图；

[0029] 图6为图4的低倍电镜面扫描Fe成分分析图；

[0030] 图7为本发明实施例4中的铁铜结合材料金相组织图；

[0031] 图8为本发明实施例4中的铁铜结合材料扫描电镜图。

具体实施方式

[0032] 本发明实施例中采用的铁和铁合金为市购产品。

[0033] 本发明实施例中采用的木炭和石墨为市购工业产品。

[0034] 本发明实施例中采用的铜合金原料为电解铜、锡青铜和/或磷铜粉。

[0035] 本发明实施例中采用的离心机为Z2-22型卧式离心机。

[0036] 本发明实施例中采用的切割设备为S-360锯床。

[0037] 本发明实施例中采用的加热炉为SRJX-8-13箱式电阻炉。

[0038] 本发明实施例中测试硬度采用的设备为401MVDTM显微硬度测试仪。

[0039] 本发明实施例中观测金相组织采用的设备为OLYMPUS GX51金相显微镜。

[0040] 本发明实施例中采用的电子扫描设备为SSX-550扫描电子显微镜。

[0041] 本发明实施例中热处理是将铁铜结合材料加热至600 850℃，保温0.5 24h。~ ~

[0042] 本发明实施例中铁桶的内径为80 180mm，高度为90 280mm。~ ~

[0043] 实施例1

[0044] 准备重量纯度99%的铁合金；将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶，壁厚5mm；将铁桶去除表面油污；

[0045] 准备铜合金原料电解铜、锡青铜和磷铜粉，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu56%，并准备占铜合金原料总重量0.5%的碳质材料，所述的碳质材料为木炭；

[0046] 将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的20%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1050℃，保温60min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量87%的铁合金；

[0047] 将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以400rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

[0048] 将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，截取中间带有铜合金的部分，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为30mm；

[0049] 将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为99.7%，制成铁铜结合材料，厚度为0.09mm；铁铜结合材料由两种金属结合而成，一种金属为Fe的重量含量99%的铁合金，另一种金属为按重量百分比含Cu65%的铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态；抗拉强度为180MPa；

[0050] 将制成的铁铜结合材料加热至850℃，保温0.5h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。

[0051] 实施例2

[0052] 准备Fe的重量含量98%的铁合金；将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶，壁厚10mm；将铁桶去除表面油污；

[0053] 准备铜合金原料锡青铜和磷铜粉，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu75%，并准备占铜合金原料总重量1%的碳质材料，所述的碳质材料为石墨；

[0054] 将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的40%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1150℃，保温40min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量90%的铁合金；

[0055] 将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以500rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

[0056] 将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，截取中间带有铜合金的部分，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为12mm；

[0057] 将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为90%，制成铁铜结合材料，厚度为1.2mm；铁铜结合材料由两种金属结合而成，一种金属为Fe的重量含量90%的铁合金，另一种金属为按重量百分比含Cu72%的铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态；抗拉强度为370MPa；

[0058] 将制成的铁铜结合材料加热至600℃，保温24h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。

[0059] 实施例3

[0060] 准备Fe的重量含量97%的铁合金；将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶，壁厚20mm；将铁桶去除表面油污；

[0061] 准备铜合金原料电解铜和锡青铜，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu90%，并准备占铜合金原料总重量1.5%的碳质材料，所述的碳质材料为石墨；

[0062] 将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的60%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1250℃，保温20min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量95%的铁合金；

[0063] 将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以600rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

[0064] 将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，截取中间带有铜合金的部分，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为5mm；

[0065] 将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为80%，制成铁铜结合材料，厚度1mm；铁铜结合材料由两种金属结合而成，一种金属为Fe的重量含量80%的铁合金，另一种金属为按重量百分比含Cu86%的铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态；抗拉强度为510MPa；

[0066] 将制成的铁铜结合材料加热至800℃，保温5h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。

[0067] 实施例4

[0068] 准备Fe的重量含量95%的铁合金；将铁合金加工成圆桶状，制成铁桶，壁厚50mm；将铁桶去除表面油污；

[0069] 准备铜合金原料电解铜，要求全部原料的成分按重量百分比含Cu98%，并准备占铜合金原料总重量2%的碳质材料，所述的碳质材料为石墨；

[0070] 将铜合金原料与碳质材料混合后放入铁桶中，铜合金原料和碳质材料的总体积为铁桶内部空间总体积的80%；将中心带有圆孔的铁盖焊接固定在铁桶上，圆孔与铁桶内部连通；然后将铁桶置于加热炉中，加热至1350℃，保温10min，在铁桶内形成熔体；铁盖的材质为Fe的重量含量99.9%的铁合金；

[0071] 将装有熔体的铁桶置于离心机内，开启离心机以800rpm的速度旋转，熔体逐渐冷却至全部凝固成铜合金，铜合金中部形成液穴，构成双金属圆桶；然后将双金属圆桶放入铸造砂中降温至常温，获得双金属结合筒；

[0072] 将双金属结合筒沿轴线的垂直方向切割，截取中间带有铜合金的部分，获得中心带有圆孔的双金属圆盘，双金属圆盘厚度为1mm；

[0073] 将双金属圆盘沿轴线方向用轧机轧制成环状双金属片，总压下率为60%，制成铁铜结合材料，获厚度为0.4mm；高倍电镜扫描结果如图1所示，低倍电镜扫描如图4所示，金相组织如图7所示，扫描电镜结果如图8所示；铁铜结合材料由两种金属结合而成，一种金属为Fe的重量含量90%的铁合金，另一种金属为按重量百分比含Cu98%的铜合金；两种金属的结合处呈原子结合形态；抗拉强度为680MPa；

[0074] 将制成的铁铜结合材料分成三组，每组均加热至700℃，分别保温2h、4h、6h进行热处理，然后测量其结合处及结合处附近的硬度，距离-硬度曲线如图3所示；由图3可见，结合处的硬度明显高于附近部分的硬度。