一种高导热耐蚀CuFe系合金、板带及其制备方法与流程

一种高导热耐蚀cufe系合金、板带及其制备方法
技术领域
1.本发明属于合金材料领域，尤其涉及一种cufe系合金、板带及其制备方法。


背景技术：

2.cu-fe系合金因其优异的力学性能和低廉价格备受各个行业的青睐，如海洋工程、手机散热板、空调冷凝管、海水养殖网箱、高压电缆线等。在传统cu-fe系铜合金的基础上，开展苛刻服役条件下新型高耐热耐蚀铜合金的设计开发以及耐蚀机理研究，对于我国海洋工程和特殊环境服役用铜合金的基础理论研究和工程化应用具有重要意义。
3.fe在铜中的溶解度非常低，fe一般会以fe颗粒的形式存在于cu基体中。cu-fe系合金中存在fe和cu两相，二者电负性不同，在电偶作用下容易发生腐蚀反应。并且，fe(bcc)相在腐蚀反应下极易生成fe
2
，fe
2
可与cu发生反应。在上述两种机制作用下，cu-fe合金的耐蚀性能削弱，合金的使用寿命也大大缩减。此外，由于fe的加入，会影响到cu-fe系合金的导热性能，传统cu-fe系铜合金的导热性能一般也较差，有必要提高其导热性能，以满足高耐热耐蚀铜合金的需求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耐腐蚀性能优异、导热性能优异的高导热耐蚀cufe系合金、板带及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
5.一种高导热耐蚀cufe系合金，以质量百分比计包含以下含量的成分：fe 0.1-5.0％、含量不超过0.1％的元素m，其余为cu以及不可避免的杂质；其中，元素m为cr、al、ni、sn、 si、p、ge和v中的至少2种。
6.上述高导热耐蚀cufe系合金中，优选的，元素m与fe的质量比不大于1：50。本发明中，元素m与fe对各自作用的发挥具有较大的影响，本发明需要精确其二者的质量比。铁用量过多，不利于导热性和耐腐蚀性的提高，铁用量太少，合金的强度太低，元素m的用量过少，对于耐腐蚀性的提高不明显，元素m的用量过多，合金的导热性会受影响。并且，元素m与fe同时加入后，其二者之间还会发生化合反应，相互反应促进合金性能的提高，其二者的用量比的确定还需要考虑其二者的反应进程。
7.上述高导热耐蚀cufe系合金中，优选的，所述元素m为sn、si、p和ge，且sn、si、 p和ge的质量百分比分别为0.005-0.02％、0.01-0.04％、0.001-0.01％和0.005-0.02％。更优选的，所述元素m为sn、si、p和ge，且sn、si、p和ge的质量百分比分别为0.01％、0.03％、0.005％和0.01％。元素m的加入一方面会影响合金的导热与耐腐蚀性能，另一方面还会与fe 进行化合反应，促进合金强度与导电性，我们研究表明，利用sn、si、p和ge协同作用，利用金属强化元素与非金属强化元素相互配合，可以综合性能最佳的得到高导热、耐腐蚀的 cufe系合金。尤其是控制sn、si、p和ge的质量百分比分别为0.01％、0.03％、0.005％和 0.01％，其自身配合作用、与铁的化合反应效果最佳。
8.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种高导热耐蚀cufe系合金板带，其由上述的高导热耐蚀cufe系合金制备而成。
9.作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的高导热耐蚀cufe系合金板带的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)先将铜源、铁源、元素m放入加热炉中熔化，熔匀后形成合金熔体；
11.(2)将步骤(1)中得到的合金熔体水平连铸成板带，得到铸造板带；
12.(3)将步骤(2)中得到的铸造板带保温后进行热挤压，得到热轧板坯；
13.(4)将步骤(3)中得到的热轧板坯进行酸洗，然后进行冷轧，得到冷轧板带；
14.(5)将步骤(4)中得到的冷轧板带进行酸洗，然后进行退火处理，即得到所述高导热耐蚀cufe系合金板带。
15.上述制备方法中，优选的，所述步骤(1)中，控制熔化温度为1300-1600℃，待其完全熔化后，降温至1100-1200℃，熔匀后形成合金熔体。
16.上述制备方法中，优选的，所述水平连铸的温度为1050-1250℃，铸造速度为2-5.0m/h，冷却水压力为0.05-0.20mpa。
17.上述制备方法中，优选的，所述保温和热挤压的温度为850-950℃，控制热轧变形量为 50-80％。
18.上述制备方法中，优选的，控制所述冷轧变形量为30-80％。
19.上述制备方法中，优选的，所述退火的温度为300-500℃，时间为0.5-2h。
20.本发明的高导热耐蚀cufe系合金中，fe析出相在铜基体内呈亚微米级均匀分布，元素 m包括cr、al、ni、sn、si、p、ge、v等元素，则主要以溶质原子或者纳米粒子分布。并且，某些元素m还能与fe反应析出合金化粒子，从而在合金内部析出占据不同体积分数的多元协调强化的强化相，增加增强相数量与分布位置，起到较好的固溶强化效果，有利于合金强度的提高。
21.本发明中，通过添加声子热震动少的元素m，元素m对合金的导热性能影响较小，有利于提高耐腐蚀性能的同时，减小对导热性能的影响。此外，元素m还可与铁合金化析出铁化合物粒子，也有利于导热性能的提高。我们研究表明，通过添加sn、si、p和ge这四种元素协同作用，更有利于导热性能的提高。
22.本发明中，通过添加元素m(sn、si、ge等)，通过合理设置工艺步骤，优化合金成分和工艺参数，可以生成sno2、sio2、geo2、v2o5、cr2o3、al2o3、nio等氧化物，该类氧化物致密，可以阻断材料的进一步氧化和腐蚀，因此本发明的cufe系合金的耐蚀性能得到显著提高。尤其是通过添加sn、si、p和ge这四种元素，其不仅可以提高合金的耐蚀性能，还可兼顾合金的导热性能，最终得到强度高、导热性好、热耐蚀好的cufe系合金。
23.本发明的高导热耐蚀cufe系合金板带的制备方法，直接采用了水平连铸形成板坯，这样可以有效减小宏观偏析，促进fe在cu中的均匀分布，同时在热加工后采取直接采用冷轧变形和退火处理，一方面促进了合金中纳米相的析出，晶粒尺寸细小，提高了合金的强度和导热性能，另一方面还减小了局部应力集中，提高了合金的组织的均匀性和耐蚀性能。生产工艺流程短，操作简单，生产成本较低，适于工业化生产。
24.与现有技术相比，本发明的优点在于：
25.1、本发明的高导热耐蚀cufe系合金，通过添加元素m(cr、al、ni、sn、si、p、ge、 v)
超微合金化元素，合金成分合理，元素m与fe相互配合协同作用，合金中的强化相分布均匀，导热性好，并形成致密氧化物膜，合金的导热性与耐腐蚀性能好。高导热耐蚀cufe 系合金的室温最大抗拉强度达到430mpa，导热系数达到350watt/m，特别地，本发明的高导热耐蚀cufe系合金的耐腐蚀性能优异，3.5％nacl溶液中腐蚀速率为0.042mm/a。
26.2、本发明的高强高导热耐蚀cufe系合金板带的制备方法有利于cufe系合金板带强度、导热性和耐腐蚀性的提高，且生产工艺流程短，操作简单，生产成本较低，适于工业化生产。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是实施例1中采用熔铸法制备的高强高导热耐蚀cufe系合金的过程中步骤(5)后所得板带的侧切面的金相照片。
具体实施方式
29.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
30.除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
31.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
32.实施例1：
33.一种高导热耐蚀cufe系合金，以质量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 0.1％、si 0.001％、p 0.001％，m元素的总含量为0.002％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：50；其余为cu以及不可避免的杂质。
34.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带由上述高导热耐蚀cufe系合金通过熔铸法制备得到。
35.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带的制备方法，包括以下步骤：
36.(1)按照元素组成的重量百分比备料，先将配比好的原料放入加热炉中熔化，熔化温度为1300℃，待其完全熔化后，降温至1100℃，熔匀后形成合金熔体；
37.(2)将步骤(1)后的合金熔体在连续铸造机上连铸成板坯，控制铸造温度为1050℃，铸造速度为2.0m/h，冷却水压力为0.05mpa，得到铸锭板坯；
38.(3)将步骤(2)后的铸锭板坯加热至850℃并保温1h，保温后进行热轧，轧制变形量为50％，得到热轧板带；
39.(4)将步骤(3)后的热轧板带酸洗，然后进行冷轧，轧制变形量为30％；
40.(5)将步骤(4)后的板带酸洗，然后进行退火处理，退火处理的温度为300℃，时间
为1h，即得到高导热耐蚀cufe系合金板带(侧切面的金相照片如图1所示)。
41.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
42.实施例2：
43.一种高导热耐蚀cufe系合金，以质量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 2.0％、sn 0.01％、cr 0.01％、al 0.01％，m元素的总含量为0.03％，m 元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：67；其余为cu以及不可避免的杂质。
44.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带由上述高导热耐蚀cufe系合金通过熔铸法制备得到。
45.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金的制备方法，包括以下步骤：
46.(1)按照元素组成的重量百分比备料，先将铜源、铁源、锡源、铬源和铝源放入加热炉中熔化，熔化温度为1350℃，待其完全熔化后，降温至1150℃，熔匀后形成合金熔体；
47.(2)将步骤(1)后的合金熔体在连续铸造机上连铸成板坯，控制铸造温度为1100℃，铸造速度为2.5m/h，冷却水压力为0.1mpa，得到铸锭板坯；
48.(3)将步骤(2)后的铸锭板坯加热至880℃并保温1h，保温后进行热轧，轧制变形量为60％，得到热轧板带；
49.(4)将步骤(3)后的热轧板带酸洗，然后进行冷轧，轧制变形量为60％；
50.(5)将步骤(4)后的板带酸洗，然后进行退火处理，退火处理的温度为400℃，时间为1.5h，即得到高导热耐蚀cufe系合金板带。
51.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
52.实施例3：
53.一种高导热耐蚀cufe系合金，以重量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 5.0％、si 0.01％、ge 0.01％、v 0.02％、ni 0.02％，m元素的总含量为 0.06％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：83；其余为cu以及不可避免的杂质。
54.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带由上述高导热耐蚀cufe系合金通过熔铸法制备得到。
55.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金的制备方法，包括以下步骤：
56.(1)按照元素组成的重量百分比备料，先将铜源、铁源、硅源、锗源、钒源、镍源和放入加热炉中熔化，熔化温度为1300℃，待其完全熔化后，熔匀后形成合金熔体；
57.(2)将步骤(1)后的合金熔体在连续铸造机上连铸成板坯，控制铸造温度为1150℃，铸造速度为3.0m/h，冷却水压力为0.15mpa，得到铸锭板坯；
58.(3)将步骤(2)后的铸锭板坯加热至900℃并保温1h，保温后进行热轧，轧制变形量为80％，得到热轧板带；
59.(4)将步骤(3)后的热轧板带酸洗，然后进行冷轧，轧制变形量为50％；
60.(5)将步骤(4)后的板带酸洗，然后进行退火处理，退火处理的温度为400℃，时间为1.5h，即得到高导热耐蚀cufe系合金板带。
61.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
62.实施例4：
63.一种高导热耐蚀cufe系合金，以重量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 5％、sn 0.02％、si 0.01％、p 0.01％、ge 0.01％、v 0.01％、cr 0.01％、 al 0.01％、ni 0.01％；m元素的总含量为0.09％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：56；其余为cu以及不可避免的杂质。
64.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带由上述高导热耐蚀cufe系合金通过熔铸法制备得到。
65.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金的制备方法，包括以下步骤：
66.(1)按照元素组成的重量百分比备料，先将铜源、铁源、硅源、钒源、铬源、镍源、锗源、锡源、磷源和铝源放入加热炉中熔化，熔化温度为1550℃，待其完全熔化后，降温至 1200℃，熔匀后形成合金熔体；
67.(2)将步骤(1)后的合金熔体在连续铸造机上连铸成板坯，控制铸造温度为1180℃，铸造速度为2.0m/h，冷却水压力为0.18mpa，得到铸锭板坯；
68.(3)将步骤(2)后的铸锭板坯加热至900℃并保温1h，保温后进行热轧，轧制变形量为60％，得到热轧板带；
69.(4)将步骤(3)后的热轧板带酸洗，然后进行冷轧，轧制变形量为80％；
70.(5)将步骤(4)后的板带酸洗，然后进行退火处理，退火处理的温度为450℃，时间为1.0h，即得到高导热耐蚀cufe系合金板带。
71.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
72.实施例5：
73.一种高导热耐蚀cufe系合金，以重量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 5％、sn 0.01％、si 0.03％、p 0.005％、ge 0.01％、v 0.01％、cr 0.01％、 al 0.01％、ni 0.01％；m元素的总含量为0.095％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：53；其余为cu以及不可避免的杂质。
74.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带及其制备方法同实施例4。
75.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
76.实施例6：
77.一种高导热耐蚀cufe系合金，以重量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 4％、sn 0.01％、si 0.03％、p 0.005％、ge 0.01％；m元素的总含量为0.055％， m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：73；其余为cu以及不可避免的杂质。
78.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带及其制备方法同实施例4。
79.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
80.实施例7：
81.一种高导热耐蚀cufe系合金，以质量百分比计，该高导热耐蚀cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe 4％、sn 0.01％、si 0.01％、p 0.005％、ge 0.005％，m元素的总含量为 0.03％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：133；其余为cu以及不可避免的杂质。
82.本实施例的高导热耐蚀cufe系合金板带及其制备方法同实施例4。
83.针对上述得到的高导热耐蚀cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
84.对比例1：
85.一种cufe系合金，以重量百分比计，该cufe系合金中包含以下含量的成分：fe 8.0％、 sn 0.01％、si 0.03％、p 0.005％、ge 0.01％；m元素的总含量为0.055％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：145；其余为cu以及不可避免的杂质。
86.本对比例的cufe系合金板带及其制备方法同实施例4。
87.针对上述得到的cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
88.对比例2：
89.一种cufe系合金，以重量百分比计，该cufe系合金中包含以下质量含量的成分：fe5.0％、sn 0.02％、si 0.01％、p 0.02％、ge 0.01％、v 0.02％、cr 0.02％、al 0.02％、ni 0.02％； m元素的总含量为0.14％，m元素中各元素的总质量百分数与fe的质量比为1：36；其余为 cu以及不可避免的杂质。
90.本对比例的cufe系合金板带及其制备方法同实施例4。
91.针对上述得到的cufe系合金板带进行了拉伸试验、导热测试和腐蚀试验，其抗拉强度、导热系数和腐蚀性能，其结果如表1所示。
92.在室温下，测试上述实施例1-7和对比例1-2制得的合金的力学性能、导热系统和 3.5％nacl溶液中腐蚀速率，测试结果如表1所示。
93.表1：实施例1-7和对比例1-2制得的cufe系合金的性能
[0094][0095][0096]
由表1可知，实施例1-7与对比例1-2相比，采用本发明的成分配比以及制备方法制备得到的高导热耐蚀cufe系合金组织结构均匀，具有较高的力学性能，尤其是导热和耐腐蚀性能优异。特别是通过控制元素m的用量以及种类，效果更加突出，最终制备得到的高导
热耐蚀cufe系合金板带的拉伸强度高达430mpa，导热系数高达350watt/m，耐腐蚀性能为 0.042mm/a。