專利名稱：一種銅鎳錳鐵合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多元銅合金材料，具體涉及一種銅鎳錳
鐵合金，本發(fā)明還涉及該銅鎳錳鐵合金的制備方法。
背景技術(shù)：
銅及銅合金具有足夠的機械性能，由于其具有良好的耐蝕性、導電導熱性、無磁性和對水中微生物及藻類的防污性等一系列特殊性能，再加上便于鑄造、易于塑性加工和良好的可焊性等工藝性能和極易回收利用的優(yōu)良特征，它被廣泛應(yīng)用于各種電焊電極、電氣工程開關(guān)的觸頭、發(fā)動機的集電環(huán)、電樞、轉(zhuǎn)子、電力火車空架導線等環(huán)境中。自從20世紀中期，已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要材料。 純銅中加入適量的鎳、錳、鐵元素形成的新型銅鎳錳鐵合金是一種結(jié)構(gòu)合金，有著許多優(yōu)良的性能特別是足夠的綜合力學性能，在400°C的溫度下仍然具有接近鈹青銅的室溫性能，但現(xiàn)有的銅鎳錳合金作為結(jié)構(gòu)材料，由于其鑄態(tài)組織中樹枝晶粗大且不均勻、組織不致密和成分偏析等缺陷，不能提供高的力學性能，不能滿足在高溫工作環(huán)境下正常工作而不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種銅鎳錳鐵合金，解決了現(xiàn)有的銅鎳錳鐵合金鑄態(tài)組織中樹枝晶粗大且不均勻、組織不致密和成分偏析，不能滿足在高溫工作環(huán)境下正常工作而不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的問題。 本發(fā)明的另一 目的是提供一種制備上述銅鎳錳鐵合金的方法。 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種銅鎳錳鐵合金，按照質(zhì)量百分比，由以下組分組成Ni :19% -21%，Mn :20% _22%，F(xiàn)e :4% _5%，Ti :0% -1. 5%，余量為Cu，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是一種制備銅鎳錳鐵合金的方法，具體按照以下步驟實施 步驟1 :按照質(zhì)量百分比稱取19% _21%的附粉，20% -22^的Mn粉，4X _5%的
Fe粉，OX _1.5%的11粉，余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ; 步驟2 :將上步稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4_6小時； 步驟3 :將上步得到的混合后的合金粉末裝進坩堝，將步驟l稱取的銅棒放在坩堝
內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)按照熔煉工藝進行
熔煉，得到合金體； 步驟4 :將上步得到的合金體依次進行固溶處理和時效處理，得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。 本發(fā)明的特點還在于， 其中步驟3中的熔煉工藝為溫度先在40分鐘-60分鐘內(nèi)由室溫升至
3900°C -IIO(TC，再在20分鐘-40分鐘內(nèi)由900°C -IIO(TC升至1200°C -1300°C，保溫60分鐘-120分鐘后開始降溫，在40分鐘-80分鐘內(nèi)溫度由1200°C -1300°C降至900°C -IOO(TC ，
然后隨爐冷卻至室溫。 其中步驟3中熔煉時真空度保持在6. OX 10—屮a以下。其中步驟4中的固溶處理，固溶溫度為500°C -58(TC，保溫時間為30min-90min，冷
卻方式為水冷。 其中步驟4中的時效處理，時效溫度為430°C _500°C ，保溫時間為48h_72h，冷卻方
式為空冷。 本發(fā)明的有益效果是，添加變質(zhì)劑鈦對銅鎳錳鐵合金在真空爐內(nèi)進行變質(zhì)處理，可以細化銅鎳錳鐵合金中的樹枝晶，起到細晶強化的作用；通過對鑄態(tài)銅鎳錳鐵合金進行"固溶+時效"處理，可以起到析出相強化的作用，得到高性能銅鎳錳鐵多元合金。


圖1為不添加變質(zhì)劑的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌 圖2為本發(fā)明實施例1制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌 圖3為本發(fā)明實施例2制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌 圖4為本發(fā)明實施例3制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌 圖5為本發(fā)明實施例4制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明銅鎳錳鐵合金，按照質(zhì)量百分比，由以下組分組成 Ni :19% -21%， Mn :20% _22%， Fe :4% _5%， Ti :0% -1. 5%，余量為Cu，各組分的質(zhì)量百分比之和為100%。
本發(fā)明制備銅鎳錳鐵合金的方法，具體按照以下步驟實施 步驟1 :按照質(zhì)量百分比稱取19% _21%的附粉，20% -22^的Mn粉，4X _5%的
Fe粉，OX _1.5%的11粉，余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ; 步驟2 :將上步稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料機內(nèi)混料4_6
小時； 步驟3 :將上步得到的混合后的合金粉末裝進坩堝，將步驟l稱取的銅棒放在坩堝內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入ZRS-18Q型微機程控真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)熔煉，熔煉時真空度保持在6. OX 10—中a以下，熔煉工藝為溫度先在40分鐘-60分鐘內(nèi)由室溫升至900°C -IIO(TC ，再在20分鐘-40分鐘內(nèi)由900°C -IIO(TC升至1200°C -1300°C ，保溫60分鐘-120分鐘后開始降溫，在40分鐘-80分鐘內(nèi)由1200 °C -1300 °C降至900°C -IOO(TC，然后隨爐冷卻至室溫，得到合金體； 步驟4 :將上步得到的合金體在SX-10-12型熱處理爐中依次進行固溶處理和時效處理，固溶處理時，固溶溫度為500°C _5801:，保溫時間為30min-90min，冷卻方式為水冷；時效處理時，時效溫度為430°C _5001:，保溫時間為48h-72h，冷卻方式為空冷。得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。
本發(fā)明銅鎳錳鐵合金性能與普通銅鎳錳鐵合金性能相比， (1)密度普通銅鎳錳鐵合金密度為8.04g/cm 本發(fā)明銅鎳錳鐵合金密度為8. 0g/cm3。 (2)硬度普通銅鎳錳鐵合金的硬度為HB110-130，本發(fā)明銅鎳錳鐵合金硬度為HB330-375。 (3)強度普通銅鎳錳鐵合金的強度為300-500MPa，本發(fā)明銅鎳錳鐵合金強度為800-1200Mpa。 (4)耐腐蝕性本發(fā)明銅鎳錳鐵合金在模擬海水中的腐蝕速率為0. 01395mm/a，根據(jù)我國耐蝕性標準，其耐蝕性評價為優(yōu)良，級別為1級，是一種很好的耐海水腐蝕材料；在濃硫酸中腐蝕速率為0. 2156mm/a，其耐蝕性評價為良好；在8% (Wt)Na2S溶液中腐蝕速率為0. 0163mm/a，耐蝕性評價為優(yōu)良，級別為1級。 (5)耐磨性在載荷20N及速度0. 60m/s室溫煤油潤滑的條件下，對本發(fā)明銅鎳錳鐵合金摩擦30min后摩擦失重量為74. 8mg (與30CrMnSi對磨)，磨損率"為4. 26X10—4mm3/(m N)。 (6)熱膨脹性(20°C -O(TC ):普通銅鎳錳鐵合金的線膨脹率為20. 9X 10—7t:，本發(fā)明銅鎳錳鐵合金的線膨脹率為17. 5X 10—7°C。
實施例1 按照質(zhì)量百分比稱取19 %的Ni粉，20 %的Mn粉，4%的Fe粉，0. 5 %的Ti粉，余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100X;將稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料機內(nèi)混料4小時；將混合后的合金粉末裝進坩堝，將稱取的銅棒放在坩堝內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入ZRS-18Q型微機程控真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)熔煉，熔煉時真空度保持在6.0X10—中a以下，熔煉工藝為溫度先在40分鐘內(nèi)由室溫升至90(TC，再在20分鐘內(nèi)由90(TC升至120(TC，保溫60分鐘后開始降溫，在40分鐘內(nèi)由120(TC降至90(TC，然后隨爐冷卻至室溫，得到合金體；將合金體在SX-10-12型熱處理爐中依次進行固溶處理和時效處理，固溶處理時，固溶溫度為50(TC，保溫時間為30min，冷卻方式為水冷；時效處理時，時效溫度為43(TC，保溫時間為48h，冷卻方式為空冷，得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。 實施例2 按照質(zhì)量百分比稱取21 %的Ni粉，22 %的Mn粉，5 %的Fe粉，0. 75 %的Ti粉，余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;將稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合，在V型混料機內(nèi)混料6小時；將混合后的合金粉末裝進坩堝，將稱取的銅棒放在坩堝內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入ZRS-18Q型微機程控真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)熔煉，熔煉時真空度保持在6. 0 X 10—中a以下，熔煉工藝為溫度先在60分鐘內(nèi)由室溫升至IIO(TC，再在40分鐘內(nèi)由IIO(TC升至130(TC，保溫120分鐘后開始降溫，在80分鐘內(nèi)由130(TC降至IOO(TC，然后隨爐冷卻至室溫，得到合金體；將合金體在SX-10-12型熱處理爐中依次進行固溶處理和時效處理，固溶處理時，固溶溫度為58(TC，保溫時間為90min，冷卻方式為水冷；時效處理時，時效溫度為50(TC，保溫時間為72h，冷卻方式為空冷，得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。
實施例3
按照質(zhì)量百分比稱取20 %的Ni粉，21 %的Mn粉，4. 5 %的Fe粉，1. 0 %的Ti粉， 余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;將稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混 合，在V型混料機內(nèi)混料5小時；將混合后的合金粉末裝進坩堝，將稱取的銅棒放在坩堝內(nèi) 的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入ZRS-18Q型微機程控真空高溫燒結(jié)爐內(nèi) 熔煉，熔煉時真空度保持在6.0X10—中a以下，熔煉工藝為溫度先在50分鐘內(nèi)由室溫升至 IOO(TC，再在30分鐘內(nèi)由IOO(TC升至125(TC，保溫100分鐘后開始降溫，在60分鐘內(nèi)由 125(TC降至95(TC，然后隨爐冷卻至室溫，得到合金體；將合金體在SX-10-12型熱處理爐中 依次進行固溶處理和時效處理，固溶處理時，固溶溫度為55(TC，保溫時間為60min，冷卻方 式為水冷；時效處理時，時效溫度為45(TC，保溫時間為60h，冷卻方式為空冷，得到本發(fā)明 銅鎳錳鐵合金。
實施例4 按照質(zhì)量百分比稱取21 %的Ni粉，20 %的Mn粉，4%的Fe粉，1. 5 %的Ti粉，余 量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;將稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混合， 在V型混料機內(nèi)混料4-6小時；將混合后的合金粉末裝進坩堝，將稱取的銅棒放在坩堝內(nèi) 的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入ZRS-18Q型微機程控真空高溫燒結(jié)爐內(nèi) 熔煉，熔煉時真空度保持在6. OX 10—中a以下，熔煉工藝為溫度先在45分鐘內(nèi)由室溫升 至98(TC，再在35分鐘內(nèi)由98(TC升至123(TC，保溫100分鐘后開始降溫，在60分鐘內(nèi)由 123(TC降至91(TC，然后隨爐冷卻至室溫，得到合金體；將合金體在SX-10-12型熱處理爐中 依次進行固溶處理和時效處理，固溶處理時，固溶溫度為56(TC，保溫時間為80min，冷卻方 式為水冷；時效處理時，時效溫度為49(TC，保溫時間為70h，冷卻方式為空冷，得到本發(fā)明 銅鎳錳鐵合金。 表1不添加變質(zhì)劑的銅鎳錳鐵合金組織和本發(fā)明實施例中制備的銅鎳錳鐵合金 組織的 二次枝晶間距對比表
Ti含量(wt% )00. 50. 751. 01. 5
二次枝晶間距(d/踐)153. 710118.92169.13969.62874. 279 圖1為不添加變質(zhì)劑的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌圖，圖2為實施例1制 備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌圖，圖3為實施例2制備得到的銅鎳錳鐵合金 中的樹枝晶形貌組織圖，圖4為實施例3制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌圖， 圖5為實施例4制備得到的銅鎳錳鐵合金組織中的樹枝晶形貌圖，表1為不添加變質(zhì)劑的 銅鎳錳鐵合金組織和本發(fā)明實施例中制備的銅鎳錳鐵合金組織的二次枝晶間距對比表，從 圖1、圖2、圖3圖4和表1中可以看出，Ti元素的添加量在0-1.5wt^范圍內(nèi)時，隨著Ti元 素的添加量的增加，CuNiMnFe合金枝晶組織開始細化，二次枝晶間距減小，在未添加Ti元 素時，一次枝晶異常發(fā)達，二次枝晶也非常粗大，甚至產(chǎn)生了三次枝晶，二次枝晶間距達到 了 153. 710mm，當添加Ti元素后，組織開始細化，當Ti的添加量達到0. 75-1. 00wt^之間 時，枝晶組織細化效果最為明顯，二次枝晶間距縮短至69. 139-69. 628mm之間；當Ti元素的
6添加量超過1. Owt^時，枝晶組織又有向粗大方向長大趨勢。 本發(fā)明銅鎳錳鐵合金及其制備方法，添加變質(zhì)劑鈦對銅鎳錳鐵合金在真空爐內(nèi)進 行變質(zhì)處理，可以細化銅鎳錳鐵合金中的樹枝晶，起到細晶強化的作用；通過對鑄態(tài)銅鎳錳 鐵合金進行"固溶+時效"處理，可以起到析出相強化的作用，得到高性能銅鎳錳鐵多元合金。
權(quán)利要求
一種銅鎳錳鐵合金，其特征在于，按照質(zhì)量百分比，由以下組分組成Ni19％-21％，Mn20％-22％，F(xiàn)e4％-5％，Ti0％-1.5％，余量為Cu，各組分的質(zhì)量百分比之和為100％。
2. —種制備權(quán)利要求1所述的銅鎳錳鐵合金的方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施步驟1 :按照質(zhì)量百分比稱取19% _21%的附粉，20% -22^的Mn粉，4X -5X的Fe粉，0% -1. 5%的Ti粉，余量為銅棒，各組分的質(zhì)量百分比之和為100% ;步驟2 :將上步稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4_6小時；步驟3 :將上步得到的混合后的合金粉末裝進坩堝，將步驟1稱取的銅棒放在坩堝內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)按照熔煉工藝進行熔煉，得到合金體；步驟4 :將上步得到的合金體依次進行固溶處理和時效處理，得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備銅鎳錳鐵合金的方法，其特征在于，所述步驟3中的熔煉工藝為溫度先在40分鐘-60分鐘內(nèi)由室溫升至900°C -IIO(TC，再在20分鐘-40分鐘內(nèi)由900°C -IIO(TC升至1200°C _1300"，保溫60分鐘-120分鐘后開始降溫，在40分鐘-80分鐘內(nèi)溫度由1200°C -1300"降至900" -IOO(TC，然后隨爐冷卻至室溫。
4. 按照權(quán)利要求2所述的制備銅鎳錳鐵合金的方法，其特征在于，所述步驟3中熔煉時真空度保持在6. 0X 10—屮a以下。
5. 按照權(quán)利要求2所述的制備銅鎳錳鐵合金的方法，其特征在于，所述步驟4中的固溶處理，固溶溫度為500°C -58(TC，保溫時間為30min-90min，冷卻方式為水冷。
6. 按照權(quán)利要求2所述的制備銅鎳錳鐵合金的方法，其特征在于，所述步驟4中的時效處理，時效溫度為430°C _500"，保溫時間為48h-72h，冷卻方式為空冷。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種銅鎳錳鐵合金，按質(zhì)量百分比，由以下組分組成Ni19％-21％，Mn20％-22％，F(xiàn)e4％-5％，Ti0％-1.5％，余量為Cu，各組分的質(zhì)量百分比之和為100％。制備該合金的方法，按照以上比例稱取合金材料，將稱取的Ni粉、Mn粉、Fe粉及Ti粉混料4-6小時；將混合后的合金粉末裝進坩堝，將稱取的銅棒放在坩堝內(nèi)的混合粉末上，將裝有銅棒及混合粉末的坩堝放入真空高溫燒結(jié)爐內(nèi)按照熔煉工藝進行熔煉，得到合金體；將合金體依次進行固溶處理和時效處理，得到本發(fā)明銅鎳錳鐵合金。本發(fā)明銅鎳錳鐵合金及其制備方法，解決了現(xiàn)有的銅鎳錳鐵合金鑄態(tài)組織中樹枝晶粗大且不均勻、組織不致密和成分偏析，不能滿足在高溫工作環(huán)境下正常工作而不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的問題。
文檔編號C22C9/05GK101705386SQ200910309818
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者梁淑華, 王獻輝, 肖鵬, 范志康, 鄒軍濤 申請人:西安理工大學