本发明涉及合金冶炼
技术领域：
，具体是利用合金粉末制备经碳纤维增强的铁铜合金及其铸造工艺。
背景技术：
：随着现代工业的发展，对塑料模具行业的发展提出更高的要求，除要求具有强韧性和耐蚀性的要求外，还要求具有高的导热性和高的耐磨性，在塑料模具用材中，马氏体不锈钢因具有较高的强度和耐磨性，可电蚀加工等性能，是一种综合性能良好的高级塑料模具材料，但是导热性差是其最主要的问题点；cu的导热性在金属元素排行中仅次于ag，纯铜的热导率达到了397w/m·k，所以在马氏体不锈钢中加入适量的铜，以此来改善其导热性收到广泛关注，但是两者的兼容性差，导致至今还未实现工业化。技术实现要素：为了实现上述目的，本发明制备出一种高耐磨、高导热率的铁-铜基复合合金材料，并通过将碳纤维熔渗入铁-铜合金，增加了合金中各组元间的粘合力度，从而改善合金的兼容性问题。具体工艺主要包括两个部分：成分设计和工艺制备。一、成分设计1、基体本发明制备的合金材料中基体组元为铁和铜，不同的铁-铜配比所得到的合计材料在摩擦过程、导热过程中所表现出来的性能是不同的。合金中铜含量在5～30％时，合金材料基体具有良好的制动效果和强度，而且在高温下，摩擦性能稳定，热衰退性能良好。因此在本发明中，将对不同的铁-铜配比进行比较，以得到最优性能的合金材料。具体的，本发明使用的fe-18cu合金粉是以申请人公司制备的fe-18cu母合金通过制粉工艺得到的，其中铁基为cr含量为11.5～13.5％的马氏体不锈钢。2、强化组元在本发明中，选用ni，mo，sn这三种金属元素作为基体强化组元。这是因为本发明中基体为fe和cu，而ni与基体fe、cu都有很好的互溶度，可以起到固溶强化的作用；sn可以与基体cu互溶，同时由于其较低的熔点，在高温下可以起到吸热的作用；mo元素除了有较大的热容量，可以在摩擦过程中作为吸热剂，同时可以与铁互溶，且在高温下，与氧气生成mo2o3作为硬质点可以提高材料的摩擦性能，减少热衰退。文献揭示，在铁钢基体中强化组元的含量一般在6～15％左右，因此本发明中选取的强化组元含量分别为1.1～1.4％的ni，2.2～2.5％的mo，以及1.3～1.6％的sn。3、摩擦组元本发明中采用的摩擦组元为wc、sic、al2o3和锆英砂(zrsio4)这些硬质相。其中，sic一般常用在铁基摩擦材料中，其硬度较高，添加在铁基基体中具有较高的摩擦系数和较小的磨损率；al2o3常用作cu基复合材料第二相粒子可以起到很好的强化作用，还能起到降低磨损的效果；锆英砂的主要成分为zrsio4，其硬度介于sic和al2o3之间，当其作为摩擦组元时，可以起到稳定摩擦系数的作用；wc经细化破碎后添加在合金中，能够降低固态相变起始温度，且wc可将其作为硬质相的高强度、高硬度、高熔点的优良特点与金属基体的优良韧性相结合，从而得到具有良好综合性能的复合合金材料。因此本发明中选取的摩擦组元含量分别为1.2～1.5％的al2o3，1.1～1.3％的sic，1.9～2.2％的wc，以及2.2～2.5％的锆英砂。4、润滑组元本发明中采用的润滑组元为石墨，其可以保证各种工况下摩擦系数的稳定。值得注意的是，石墨的加入虽然能减少合金材料的磨损率，稳定摩擦系数，但加入量过多会导致基体力学性能下降，因此本发明中在基体中，石墨的质量占比为3％。5、碳纤维碳纤维作为非连续增强金属基复合材料，在基体中随机分布，其性能是各向同性。因此碳纤维的加入，可以明显提高金属的耐磨、导热性，提高高温力学性能、弹性模量，降低热膨胀系数，稳定摩擦系数、减少密度、降低磨损率，显著改善材料的热脆性。本发明在使用碳纤维增强铁-铜复合合金材料时，碳纤维添加量为0～6％，并研究其对合金材料摩擦性能、导热性能的影响。二、工艺制备本发明设计的经碳纤维增强的马氏体不锈钢-铜合金的制备方法，具体包括以下步骤：1、制备合金粉末将fe-18cu合金粉，ni粉，mo粉，sn粉，wc粉，sic粉，al2o3粉，锆英砂，石墨，按照质量比混合均匀后，在高纯氩气保护下球磨40h，得到混合合金粉末备用。球磨罐和磨球的材质均为不锈钢，球料比为10：1，球磨速率为230r/min,每20min换向一次，每5h冷却一次。2、碳纤维悬浊液注浆21、将长度为2mm碳纤维加入含有质量浓度为0.02％聚氧化乙烯的无水乙醇溶液中，超声分散分散20min，得混合液。22、将步骤21中制备的混合液加入步骤1中制备的合金粉末中，制备出固含量为50％的混合液。23、对步骤22中制备的混合液进行机械搅拌的同时，加入质量浓度为0.7％的聚乙烯吡咯烷酮和质量浓度为0.8％的聚乙烯醇缩丁醛，维持搅拌10min得悬浊液。3、脱脂干燥将步骤23中搅拌均匀的悬浊液倒入石膏模具中，在5mpa的压力下在干燥箱中干燥3h，干燥后取出，于管式炉中400℃下保温30min进行脱脂处理，最后将脱脂后的产物加工成合金棒料。4、碳纤维悬浊液熔渗41、将步骤3中制备的合金棒料装入石墨坩埚中，抽真空至4×10-1pa时，对所述合金棒料进行中频加热重熔。42、待石墨坩埚中温度达到980℃、真空度达到-0.05mpa时，关闭抽真空系统，充入高纯氩气，通过电磁感应搅拌加热直至原材料完全熔化熔渗，熔渗时间为1h。5、铸造首先对步骤42中熔渗的合金液保温2h，然后随炉冷却至室温，最后使用钢模进行铸造成钢锭。6、锻造将步骤5中制备的钢锭在始锻温度为970～1000℃，终锻温度为850～900℃的加热温度下，锻造后空冷至室温。7、回火处理对步骤6中锻造后的钢锭在300～350℃的温度下进行回火处理，保温2～4h后空冷至室温。与现有的铁-铜基复合材料相比，本发明的有益效果是：(1)本发明制备的高cu含量的铁-铜合金材料中，cu的作用一是形成固溶体产生固溶强化作用；二是以单质cu的形式存在，并在fe基体上形成连续的cu网，起摩擦润滑作用。(2)本发明通过向铁-铜合金中熔渗碳纤维的方式，增强了基体中各组元之间的粘结力度，从而使铁-铜合金的耐磨性能和导热性。因为碳纤维为非连续非金属添加组元，因此可以显著降低合金的热膨胀系数，改善合金的热脆性。具体实施方式实施例一本实施例旨在对本发明设计的经碳纤维增强的铁-铜合金的制备方法进行详细说明。本实施例中使用的各种成分的基本性能如表1所示。表1实施例一所用材料实施例一中使用的碳纤维性能参数如表2所示。表2碳纤维性能参数单丝数/k强度/gpa模量/gpa密度/g·cm-3单丝直径/μm642401.757实施例一中碳纤维性悬浊液制备过程中使用的添加剂如表3所示。表3所需添加剂名称无水乙醇聚乙烯醇缩丁醛聚氧化乙烯聚乙烯吡咯烷酮用途溶剂粘结剂塑形剂分散剂具体的制备方法如下：1、制备合金粉末按质量分数计，将1.1％的ni粉，2.2％的mo粉，1.3％的sn粉，1.0％的wc粉，1.1％的sic粉，1.2％的al2o3粉，2.2％的锆英砂，3％的石墨，以及余量的fe-18cu合金粉混合均匀后，在高纯氩气保护下球磨40h，得到混合合金粉末备用。2、碳纤维悬浊液注浆21、将质量比为2％的碳纤维加入含有浓度为0.02wt％聚氧化乙烯的无水乙醇溶液中，超声分散分散20min，得混合液。22、将步骤21中制备的混合液加入步骤1中制备的合金粉末中，制备出固含量为50wt％的混合液。23、对步骤22中制备的混合液进行机械搅拌的同时，加入浓度为0.7wt％的聚乙烯吡咯烷酮和浓度为0.8wt％聚乙烯醇缩丁醛，维持搅拌10min得悬浊液。3、脱脂干燥将步骤23中搅拌均匀的悬浊液倒入石膏模具中，在5mpa的压力下在干燥箱中干燥3h，干燥后取出，于管式炉中400℃下保温30min进行脱脂处理，最后将脱脂后的产物加工成合金棒料。4、碳纤维悬浊液熔渗41、将步骤3中制备的合金棒料装入石墨坩埚中，抽真空至4×10-1pa时，对所述合金棒料进行中频加热重熔。42、待石墨坩埚中温度达到980℃、真空度达到-0.05mpa时，关闭抽真空系统，充入高纯氩气，通过电磁感应搅拌加热直至原材料完全熔化熔渗，熔渗时间为1h。5、铸造首先对步骤42中熔渗的合金液保温2h，然后随炉冷却至室温，最后使用钢模进行铸造成钢锭。6、锻造将步骤5中制备的钢锭在始锻温度为970℃，终锻温度为850℃的加热温度下，锻造后空冷至室温。7、回火处理对步骤6中锻造后的钢锭在300℃的温度下进行回火处理，保温2h后空冷至室温。实施例二实施例二主要是对实施例一记载配比外的另一种配比的制备方法进行叙述，除了以下内容外，其余部分与实施例一均相同：1、制备合金粉末按质量分数计，将1.1％的ni粉，2.2％的mo粉，1.3％的sn粉，2.0％的wc粉，1.1％的sic粉，1.2％的al2o3粉，2.2％的锆英砂，3％的石墨，以及余量的fe-18cu合金粉混合均匀后，在高纯氩气保护下球磨40h，得到混合合金粉末备用。2、碳纤维悬浊液注浆21、将质量比为4％的碳纤维加入含有浓度为0.02wt％聚氧化乙烯的无水乙醇溶液中，超声分散分散20min，得混合液。22、将步骤21中制备的混合液加入步骤1中制备的合金粉末中，制备出固含量为50wt％的混合液。23、对步骤22中制备的混合液进行机械搅拌的同时，加入浓度为0.7wt％的聚乙烯吡咯烷酮和浓度为0.8wt％聚乙烯醇缩丁醛，维持搅拌10min得悬浊液。3、脱脂干燥将步骤23中搅拌均匀的悬浊液倒入石膏模具中，在5mpa的压力下在干燥箱中干燥3h，干燥后取出，于管式炉中400℃下保温30min进行脱脂处理，最后将脱脂后的产物加工成合金棒料。4、碳纤维悬浊液熔渗41、将步骤3中制备的合金棒料装入石墨坩埚中，抽真空至4×10-1pa时，对所述合金棒料进行中频加热重熔。42、待石墨坩埚中温度达到980℃、真空度达到-0.05mpa时，关闭抽真空系统，充入高纯氩气，通过电磁感应搅拌加热直至原材料完全熔化熔渗，熔渗时间为1h。5、铸造首先对步骤42中熔渗的合金液保温2h，然后随炉冷却至室温，最后使用钢模进行铸造成钢锭。6、锻造将步骤5中制备的钢锭在始锻温度为975℃，终锻温度为875℃的加热温度下，锻造后空冷至室温。7、回火处理对步骤6中锻造后的钢锭在325℃的温度下进行回火处理，保温3h后空冷至室温。实施例三实施例三主要是对实施例一记载配比外的另一种配比的制备方法进行叙述，除了以下内容外，其余部分与实施例一均相同：1、制备合金粉末按质量分数计，将1.1％的ni粉，2.2％的mo粉，1.3％的sn粉，4.0％的wc粉，1.1％的sic粉，1.2％的al2o3粉，2.2％的锆英砂，3％的石墨，以及余量的fe-18cu合金粉混合均匀后，在高纯氩气保护下球磨40h，得到混合合金粉末备用。2、碳纤维悬浊液注浆21、将质量比为6％的碳纤维加入含有浓度为0.02wt％聚氧化乙烯的无水乙醇溶液中，超声分散分散20min，得混合液。22、将步骤21中制备的混合液加入步骤1中制备的合金粉末中，制备出固含量为50wt％的混合液。23、对步骤22中制备的混合液进行机械搅拌的同时，加入浓度为0.7wt％的聚乙烯吡咯烷酮和浓度为0.8wt％聚乙烯醇缩丁醛，维持搅拌10min得悬浊液。3、脱脂干燥将步骤23中搅拌均匀的悬浊液倒入石膏模具中，在5mpa的压力下在干燥箱中干燥3h，干燥后取出，于管式炉中400℃下保温30min进行脱脂处理，最后将脱脂后的产物加工成合金棒料。4、碳纤维悬浊液熔渗41、将步骤3中制备的合金棒料装入石墨坩埚中，抽真空至4×10-1pa时，对所述合金棒料进行中频加热重熔。42、待石墨坩埚中温度达到980℃、真空度达到-0.05mpa时，关闭抽真空系统，充入高纯氩气，通过电磁感应搅拌加热直至原材料完全熔化熔渗，熔渗时间为1h。5、铸造首先对步骤42中熔渗的合金液保温2h，然后随炉冷却至室温，最后使用钢模进行铸造成钢锭。6、锻造将步骤5中制备的钢锭在始锻温度为1000℃，终锻温度为900℃的加热温度下，锻造后空冷至室温。7、回火处理对步骤6中锻造后的钢锭在350℃的温度下进行回火处理，保温2h后空冷至室温。实验例一实验例一是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对摩擦组元wc的掺杂量进行研究，旨在比较不同的wc掺杂量对铁-铜合金摩擦性能的影响。摩擦磨损过程的平稳性可以通过摩擦系数随时间的变化曲线直观地反映出来，摩擦系数随时间的延长波动范围越大，表示摩擦过程越不稳定，反之则表示摩擦过程稳定。表4铁-铜合金-xwc(x＝0，1，2，3，4％)的摩擦系数与时间的关系。从表4中数据可以看到，不含wc的铁-铜合金0wc的摩擦系数变现比较平稳，添加一定量的wc颗粒后，铁-铜合金的摩擦系数随时间的延长拨动很大，摩擦系数的稳定性较差。而且，随着wc颗粒含量的增加，摩擦系数的波动幅度也更为剧烈。造成上述现象的原因可能是在磨损过程中，wc颗粒一方面受到正应力作用有可能嵌入软基体内，另一方面也受到切应力作用使得wc颗粒产生脱落，这就导致了含有wc颗粒的铁-铜合金的摩擦系数随时间变化拨动较大。实验例二实验例二是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对摩擦组元wc的掺杂量进行研究，旨在比较不同的wc掺杂量对铁-铜合金磨损量的影响，具体见表5。表5铁-铜合金-xwc(x＝0，1，2，3，4％)的wc含量与磨损量的关系。从表5中数据可以明显看出，添加一定量的wc颗粒的铁-铜合金的磨损量比没有添加wc颗粒的磨损量明显更低，添加1％wc颗粒的铁-铜合金的磨损量为2.3mg，是不添加wc颗粒的铁-铜合金的磨损量的27％，且随着wc颗粒含量的增加，铁-铜合金的磨损量逐渐降低。但是当wc颗粒的含量达到5％时，铁-铜合金的磨损量磨损量反而上升，这是因为磨损过程中，过量的wc颗粒容易产生脱落，造成基体内出现凹坑，这些区域在磨损过程中极易产生应力集中效应，导致初始裂纹的形成并长大，最后从基体上剥落，从而加速了磨损。结合实验例一和实验例二中的数据，本发明最终选择的wc颗粒的掺杂量范围为2.4～2.7％。实验例三实验例三是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对碳纤维的掺杂量进行研究，旨在比较不同的碳纤维掺杂量对铁-铜合金剪切强度的影响，具体见表6。表6不同的碳纤维掺杂量下对铁-铜合金的剪切强度从表6中数据可以看出，随着碳纤维掺杂量的增加，铁-铜合金的的剪切强度先增大后降低。含2％碳纤维的铁-铜合金的的剪切强度最高为36.4mpa，相较于不含碳纤维的铁-铜合金有一定的提升。但是随着碳纤维含量的增加，4％和6％掺杂量的铁-铜合金的剪切强度突然降低，出现这种现象的原因可能是碳纤维量过多，在烧结过程中，材料的各部份不能充分粘结在一起，降低了基体的致密度，导致剪切强度偏低。实验例四实验例四是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对碳纤维的掺杂量进行研究，旨在比较不同的碳纤维掺杂量对铁-铜合金冲击强度的影响，具体见表7。表7不同的碳纤维掺杂量下对铁-铜合金的冲击强度从表7中数据可以看出，随着碳纤维掺杂量的增加，铁-铜合金的的冲击强度先增大后降低。含2％碳纤维的铁-铜合金的的冲击度最高为5.9j/cm2，相较于不含碳纤维的铁-铜合金有明显的提升。但是随着碳纤维含量的增加，4％和6％掺杂量的铁-铜合金的冲击强度突然降低，出现这种现象的原因可能是碳纤维量过多，碳纤维之间发生团聚和搭接现象，使得铁-铜合金的孔隙率升高，使得组元之间难以被金属粘结起来，因此铁-铜合金基体强度降低。结合实验例三和实验例四中的数据，本发明最终选择的碳纤维的掺杂量为2％。实验例五实验例五是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对碳纤维的掺杂量进行研究，旨在比较不同的碳纤维掺杂量对铁-铜合金磨损量的影响，具体见表8。表8不同的碳纤维掺杂量下对铁-铜合金的磨损量从表8中数据可以看出，碳纤维含量为4％时，磨损量最低为3.2mg，其次为含2％碳纤维的铁-铜合金样品，磨损量为3.8mg，磨损量最高的为碳含量为0％和6％的铁-铜合金样品。造成以上现象的原因为碳含量为2％和4％的铁-铜合金致密度较高，硬度较大，因而磨损量较小。实验例六实验例六是以上述实施例中的制备方法为基础进行叙述的，主要对碳纤维的掺杂量进行研究，旨在比较不同的碳纤维掺杂量对铁-铜合金显微硬度的影响，具体见表9。表9不同的碳纤维掺杂量下铁-铜合金的显微硬度从表9中的数据可以看出，随着cu含量的增加，铁-铜合金的硬度先提高后降低，当cu含量为30％时，铁-铜合金的硬度达到最高值134.9hv，当cu含量大于30％时，铁-铜合金的硬度一路降低。造成以上现象的原因可能是，高cu含量材料烧结时出现的大量液相铜集中在基体表面，使基体结合不牢固，使基体膨胀，使铁-铜合金材料的晶粒粗化，空隙增大，从而降低了材料的硬度。此外，由于铜的热导率大约为392w/m-k，仅次于金刚石，与铁相比有良好的导热性能，能提高材料的散热性，从而使材料的耐磨性能提高。铜含量低于30％的材料在烧结时形成少量的液相铜，不能在铁基上形成一层致密的铜网结构，从而使润滑性和散热性变差，耐磨性能也随之降低。但是，铜含量为30％的材料烧结时有足够的液相铜，形成的致密且连续的铜网贯穿整个组织，使热量快速传递并均匀分布。因此，添加30％的铜能使铁-铜合金材料的导热性能更加良好，从而使耐磨性能优异。cu含量高于30％的材料在烧结中产生大量的液相铜，破坏了铜网致密度且使材料坍塌，以致材料的组织结构不紧密，硬度降低，使基体材料与马氏体不锈钢摩擦时易发生粘着磨损，使材料表面有微型块状脱落。因此，本发明制备的铁-铜合金中cu的含量最优值为30％。当前第1页1 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技术特征：1.一种利用合金粉末制备经碳纤维增强的铁铜合金的铸造工艺，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
s1、制备合金粉末
将fe-18cu合金粉，ni粉，mo粉，sn粉，wc粉，sic粉，al2o3粉，锆英砂，石墨，按照一定质量百分比混合均匀后，在高纯氩气保护下球磨40h，得到混合合金粉末备用；
s2、碳纤维悬浊液注浆
s21、将碳纤维加入含有浓度为0.02wt％聚氧化乙烯的无水乙醇溶液中，超声分散分散20min，得混合液；
s22、将步骤s21中制备的混合液加入步骤s1中制备的合金粉末中，制备出固含量为50wt％的混合液；
s23、对步骤s22中制备的混合液进行机械搅拌的同时，加入浓度为0.7wt％的聚乙烯吡咯烷酮和浓度为0.8wt％的聚乙烯醇缩丁醛，维持搅拌10min得悬浊液；
s3、脱脂干燥
将步骤s23中搅拌均匀的悬浊液倒入石膏模具中，在5mpa的压力下在干燥箱中干燥3h，干燥后取出，于管式炉中400℃下保温30min进行脱脂处理，最后将脱脂后的产物加工成合金棒料；
s4、碳纤维悬浊液熔渗
s41、将步骤s3中制备的合金棒料装入石墨坩埚中，抽真空至4×10-1pa时，对所述合金棒料进行中频加热重熔；
s42、待石墨坩埚中温度达到980℃、真空度达到-0.05mpa时，关闭抽真空系统，充入高纯氩气，通过电磁感应搅拌加热直至原材料完全熔化熔渗，熔渗时间为1h；
s5、铸造
首先对步骤s42中熔渗的合金液保温2h，然后随炉冷却至室温，最后使用钢模进行铸造成钢锭；
s6、锻造
将步骤s5中制备的钢锭在始锻温度为970～1000℃，终锻温度为850～900℃的加热温度下，锻造后空冷至室温；
s7、回火处理
对步骤s6中锻造后的钢锭在300～350℃的温度下进行回火处理，保温2～4h后空冷至室温。
2.如权利要求1所述方法制备的一种经碳纤维增强的铁铜合金，其特征在于，其具体的化学成分按质量比计为：
cu：5～30％，cr：11.5～13.5％，ni：1.1～1.4％，mo：2.2～2.5％，sn：1.3～1.6％，w：2.4～2.7％，c：9.9～11.2％，si：3.3～3.6％，al：2.5～3.1％，zr：2.2～2.5％，余量为fe。
3.如权利要求1所述的一种利用合金粉末制备经碳纤维增强的铁铜合金的铸造工艺，其特征在于，所述所述步骤s1中，球磨操作的具体工艺参数为：
球磨罐和磨球的材质均为不锈钢，球料比为10：1，球磨速率为230r/min,每20min换向一次，每5h冷却一次。
4.如权利要求1所述的一种利用合金粉末制备经碳纤维增强的铁铜合金的铸造工艺，其特征在于，所述步骤s21中，所述碳纤维的长度为2mm。
技术总结本发明涉及合金冶炼技术领域，具体是涉及一种经碳纤维增强的铁‑铜合金制备方法，主要是通过制备合金粉末→碳纤维熔渗→铸造→锻造→回火处理的工艺进行制备；本发明制备的铁‑铜合金的主要特点为高高Cu含量：Cu在本发明制备的铁‑铜合金中的作用一是形成固溶体产生固溶强化作用；二是以单质Cu的形式存在并，在Fe基体上形成连续的Cu网，起摩擦润滑作用；本发明制备的铁‑铜合金的另一个特点为通过向铁‑铜合金中熔渗碳纤维的方式，增强了基体中各组元之间的粘结力度，从而改善了铁‑铜合金的兼容性问题，提高了其耐磨性能和导热性，而且因为碳纤维为非连续非金属添加组元，因此可以显著降低合金的热膨胀系数，改善合金的热脆性问题。
技术研发人员：周斌;郭创立;孙君鹏;王群;王沛;苟锁;高斌;梁相博
受保护的技术使用者：西安斯瑞先进铜合金科技有限公司
技术研发日：2020.10.19
技术公布日：2021.03.12
