原位生成納米顆粒銅-鐵合金的連續定向凝固制備方法
【專利摘要】本發明屬于金屬材料領域，涉及一種原位生成納米顆粒銅-鐵合金的連續定向凝固制備方法。工藝為，將原料清理除雜后置于石墨坩堝內，將真空熔煉爐抽真空至10-3Pa后，開始加熱熔煉。原料完全熔化后通入高純氬氣，保持熔體溫度為1200℃±5℃～1300℃±5℃，并同時開啟冷卻系統，冷卻水量為900L/h，在下引式連續定向凝固設備以1.5-3mm/10s的拉坯速度制備坯料。本發明所涉及的技術可以實現在連續定向凝固過程中直接產生與集體界面共格或半共格的原位納米顆粒，并且這些納米顆粒均勻彌散的分布在基體中。
【專利說明】原位生成納米顆粒銅-鐵合金的連續定向凝固制備方法
[0001]
【技術領域】 本發明屬于金屬材料領域，涉及一種原位生成納米顆粒Cu-Fe合金的連續定向凝固制 備方法。
[0002]
【背景技術】 納米塊狀金屬材料具有很高的強度，但是它的延伸率低，納米顆粒彌散強化的金屬材 料可在保持合金延伸率的情況下，將合金的強度大幅度提高，其強化效果優于傳統的金屬 材料上所使用的微米級和亞微米級的第二相粒子彌散強化，納米彌散相強化合金的研究成 為近年來的熱點。納米強化不但可大幅度提高金屬材料的強度，還可以提高高溫合金的高 溫蠕變性能。納米強化技術對于汽車行業、船舶行業、電力行業等廣泛領域用金屬材料具有 重要的應用價值。
[0003] 目前金屬材料中的納米級強化相均是通過塑性變形，通過熱處理獲得的。而直接 通過定向凝固在組織中獲得原位析出的納米彌散強化相，還鮮見報道。
[0004] Cu-Fe是一種典型的液相難混溶合金，在文獻[C. P. Wang，X. J. Liu，I. Ohnuma, R. Kainuma, * K. Ishida. Formation of Immiscible Alloy Powders with Egg_Type Microstructure, science, 297,990(2002)]中指出：即使在微重力條件下，液 相難混溶合金也是很難獲得均勻彌散分布的微觀結構。
[0005] 發明人近些年來，對合金凝固過程中納米相的析出，進行了深入的基礎研究，部 分研究結果見[Zidong Wang, Xuewen Wang, Qiangsong Wang, I Shih and J J Xu. Fabrication of a nanocomposite from in situiron nanoparticle reinforced copper alloy, Nanotechnology, 2009, 20 :075605]。我們得到的初步結論是：高烙點析出相原子溶 解在低熔點金屬中形成的合金熔體，其溶解度隨著溫度降低而降低，在從熔體溫度到凝固 溫度，相對析出相的熔點，析出相獲得了很大過冷度，形核半徑極小，可以形成納米級的析 出顆粒。
[0006] 應用這一理論基礎，我們利用連續定向凝固技術制備Cu-Fe合金，并得到了均勻 彌散分布的原位生成納米Fe顆粒。
【發明內容】
[0007] 本發明目的是利用連續定向凝固技術制備Cu-Fe合金，并獲得均勻彌散分布的原 位生成納米Fe顆粒。
[0008] 本發明采用的技術方案是：一種原位生成納米顆粒Cu-Fe合金的連續定向凝制備 方法，該方法將原料清理除雜后置于石墨坩堝內，將真空熔煉爐抽真空至l(T 3Pa后，開始加 熱熔煉。原料完全熔化后通入高純氬氣，保溫并同時開啟冷卻系統，調節好冷卻水量。在引 棒的下拉過程中，結晶器頂端受金屬熔體以及周圍坩堝的加熱，側面上部分受保溫裝置保 溫，下部分與底端則受濕冷空氣或者冷卻水冷卻而形成具有一定溫度梯度的溫度場，同時 原料在受頂部熔體的加熱與底部冷卻水的冷卻，以及具有溫度梯度結晶器三方面的綜合影 響下，抑制了結晶器壁上的形核并形成了縱向上的溫度梯度。在凝固過程中將固液界面保 持在結晶器的中部，由于金屬的自身凝固收縮，凝固的金屬與結晶器壁自動分離避免了摩 擦的產生，最終實現金屬的連續定向凝固。在定向凝固過程中，高熔點析出相原子溶解在低 熔點金屬中形成的合金熔體，其溶解度隨著溫度降低而降低，在從熔體溫度到凝固溫度，相 對析出相的熔點，析出相獲得了很大過冷度，形核半徑極小，可以形成納米級的析出顆粒。 [0009] 本發明的工藝過程： 步驟一：按照各合金成分所占質量百分比為Fe :0. 5-2%，剩余為Cu，分別稱取Cu和Fe 清理除雜后置于石墨坩堝內，將石墨坩堝置于真空感應爐內，將真空感應爐抽真空至l〇_3Pa 后，加熱至溫度350°C，保溫20min烘干，烘干結束后再一次將真空感應爐抽真空至l(T3Pa， 并把氣體排出； 步驟二：將溫度升至1200-125(TC，使Cu和Fe完全熔化后，通入高純氬氣，保溫30min， 得到合金熔體，備用； 步驟三：將溫度保持在1200°C ±5°C?1300°C ±5°C，開啟冷卻系統，將冷卻水量調至 900L/h，將拉坯速度調至1.5-3mm/l〇S后，開啟牽引系統，坯料經過牽引設備的牽引，實現 了納米顆粒Cu-Fe合金材料的連續生產。
[0010] 本發明的有益效果是：由于采用上述技術方案，本發明實現的連續定向凝固過程 中直接產生與集體界面共格或半共格的原位納米顆粒，并且這些納米顆粒均勻彌散的分布 在基體中。利用本發明制備的納米顆粒Cu-Fe合金材料具有良好的力學性能，抗拉強度達 至lj 179MPa以上，延伸率保持在40%以上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發明鑄態所得Cu-Fe合金的納米形貌TEM照片。
[0012] 圖2為本發明鑄態所得Fe納米顆粒的HRTEM照片及衍射斑點。
[0013]
【具體實施方式】
[0014] 下面結合具體實施例對本發明的技術方案作進一步說明。
[0015] 實施例1 本實驗銅合金成分質量百分比為（98%) Cu，（2%) Fe。
[0016] 步驟一：將原料清理除雜后置于石墨坩堝內，將真空感應爐抽真空至10_3Pa后將 溫度設置350°C，加熱至設定溫度后保溫20min烘干。烘干結束后再一次將真空感應爐抽真 空至l(T 3Pa把氣體排出； 步驟二：將真空感應爐抽真空至l(T3Pa并將溫度升至1225°C加熱熔化，金屬原料完全 溶化后，通入商純1?氣，保溫30min并開啟冷卻系統；； 步驟三：將冷卻水量調至900L/h，將拉坯速度調至1. 5mm/10s后開啟牽引系統。拉坯 過程中觀察熔體溫度，確保溫度保持在1250°C ±5°C。
[0017] 步驟四：坯料經過牽引設備的牽引，實現了連續生產； 制備出的Cu-Fe合金棒材抗拉強度195MPa，延伸率為44%，相同實驗條件下純銅棒材抗 拉強度131MPa，延伸率為43%。對比結果可發現，Cu-Fe合金棒材相比純銅棒材的抗拉強度 大幅提升，并且延伸率也有小幅度提升。
[0018] 實施例2 本實驗銅合金成分質量百分比為（99. 5%) Cu，（0. 5%) Fe。
[0019] 步驟一：將原料清理除雜后置于石墨坩堝內，將真空感應爐抽真空至l(T3Pa后將 溫度設置350°C，加熱至設定溫度后保溫20min烘干。烘干結束后再一次將真空感應爐抽真 空至l(T 3Pa把氣體排出； 步驟二：將真空感應爐抽真空至l(T3Pa并將溫度升至1250°C加熱熔化，金屬原料完全 溶化后，通入商純1?氣，保溫30min并開啟冷卻系統；； 步驟三：將冷卻水量調至900L/h，將拉坯速度調至3mm/10s后開啟牽引系統。拉坯過 程中觀察熔體溫度，確保溫度保持在1250°C ±5°C。
[0020] 步驟四：述料經過牽引設備的牽引，實現了連續生產； 實施例3 本實驗銅合金成分質量百分比為（99%) Cu，（1%) Fe。
[0021] 步驟一：將原料清理除雜后置于石墨坩堝內，將真空感應爐抽真空至O.OOlPa后 將溫度設置350°C，加熱至設定溫度后保溫20min烘干。烘干結束后再一次將真空感應爐抽 真空至O.OOlPa把氣體排出； 步驟二：將真空感應爐抽真空至〇. 001Pa并將溫度升至1200°C加熱熔化，金屬原料完 全熔化后，通入高純氬氣，保溫30min并開啟冷卻系統；； 步驟三：將冷卻水量調至900L/h，將拉坯速度調至2. 5mm/10s后開啟牽引系統。拉坯 過程中觀察熔體溫度，確保溫度保持在1300°C ±5°C。
[0022] 步驟四：述料經過牽引設備的牽引，實現了連續生產； 制備出的Cu-Fe合金棒材抗拉強度179MPa，延伸率為40%，相同實驗條件下純銅棒材抗 拉強度131MPa，延伸率為43%。對比結果可發現，Cu-Fe合金棒材相比純銅棒材的抗拉強度 大幅提升而延伸率小幅下降。
【權利要求】
1.原位生成納米顆粒銅-鐵合金的連續定向凝固制備方法，其特征在于，該方法包括 以下步驟： 步驟一、按照各合金成分所占質量百分比為Fe :0. 5-2%，剩余為Cu，分別稱取Cu和Fe 清理除雜后置于石墨坩堝內，將石墨坩堝置于真空感應爐內，將真空感應爐抽真空至l〇_3Pa 后，加熱至溫度350°C，保溫20min烘干，烘干結束后再一次將真空感應爐抽真空至l(T3Pa， 并把氣體排出； 步驟二：將溫度升至1200-125(TC，使Cu和Fe完全熔化后，通入高純氬氣，保溫30min， 得到合金熔體，備用； 步驟三：將溫度保持在1200°C ±5°C?1300°C ±5°C，開啟冷卻系統，將冷卻水量調至 900L/h，將拉坯速度調至1.5-3mm/l〇S后，開啟牽引系統，坯料經過牽引設備的牽引，實現 了原位生成納米顆粒Cu-Fe合金材料的連續生產。
【文檔編號】B22F9/08GK104107920SQ201410340418
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】王自東, 史國棟 申請人:北京科技大學