本發(fā)明涉及合金制備，具體涉及一種超聲輔助制備銅鐵合金的方法及實(shí)施該方法的連鑄裝置。

背景技術(shù)：

1、銅合金具有良好的傳導(dǎo)性能和力學(xué)性能廣泛應(yīng)用于電子信息、新能源汽車、高速鐵路、航空航天、國防軍工等重點(diǎn)領(lǐng)域及苛刻服役環(huán)境。其中難混溶銅合金是在導(dǎo)電性能良好的銅基體上分布著與基體相差較大（熔點(diǎn)或密度），又很難互溶合金元素，這些組元物性差異使合金具備特殊的力學(xué)及物化性能，成為具有特殊結(jié)構(gòu)及功能的銅合金。難混溶銅合金往往具有特殊的力學(xué)和物理性能，在自潤滑、軸瓦材料、電觸頭材料和電磁屏蔽材料等具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、難混熔銅合金是一類具有液相分離特性的合金，在相圖上存在一個穩(wěn)定或者亞穩(wěn)的難混溶區(qū)，即銅鐵液相在液相線以下存在亞穩(wěn)難混溶間隙，即合金熔體過冷至亞穩(wěn)溶解度曲線以下時，合金過冷熔體將有發(fā)生液相分離的傾向，當(dāng)過冷熔體的成分與溫度的交點(diǎn)位于其內(nèi)部時，原有的某一成分均勻的合金熔體將會自發(fā)分解為兩個成分不同的液相。該類合金在常規(guī)重力場凝固過程中極易形成組織的空間液相分離以及嚴(yán)重偏析甚至分層的組織，無法發(fā)揮其潛在的優(yōu)異性能。為解決難混熔銅合金在合金鑄造時出現(xiàn)的這類問題，難混熔銅合金的制備多采用原位復(fù)合、真空自耗和粉末冶金等方法。但是這些方法的工序復(fù)雜、成本過高，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)。

3、隨著對難混熔銅合金的性能要求越來越高和市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，迫切需要一種在熔煉制備難混熔銅合金過程中可以有有效抑制液相分離過程中液滴的形核、粗化、生長、聚合、凝并以及碰撞等行為的制備方法，從而實(shí)現(xiàn)成分的均勻化和組織的細(xì)化，為難混溶銅合金在電子裝聯(lián)、電氣系統(tǒng)復(fù)雜連接器等應(yīng)用提供高品質(zhì)難混熔銅合金。

4、2018年11月20日申請公布的申請公布號為cn108842091a的中國發(fā)明專利公開了一種磁場/超聲場耦合制備cu-cr合金的方法，在凝固過程中同時施加磁場和超聲場，控制cu-cr合金凝固，極其明顯的細(xì)化cr枝晶，減小cr偏析，使材料經(jīng)后續(xù)冷變形加工后在基體中彌散分布均勻細(xì)小的cr纖維相，大幅度提高材料的強(qiáng)度。

5、但cu-cr合金的液相難混溶間隙小于cu-fe合金，即cu-fe合金更易發(fā)生液相分離，從而形成偏析嚴(yán)重的組織，采用上述方法也無法改變cu-fe合金在凝固過程中的相分離及成分偏析，仍然會形成富fe相枝晶或粗大fe相顆粒等組織，進(jìn)而影響后續(xù)的加工性能、導(dǎo)電率、力學(xué)性能和電磁屏蔽性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種超聲輔助制備銅鐵合金的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)在制備銅鐵合金時存在的fe相枝晶粗大、fe相偏析的問題。

2、本發(fā)明的第二個目的在于提供一種實(shí)施所述的超聲輔助制備銅鐵合金的方法的連鑄裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)在制備高性能銅鐵合金時存在的制備方法復(fù)雜的問題。

3、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的超聲輔助制備銅鐵合金的方法的技術(shù)方案為：

4、一種超聲輔助制備銅鐵合金的方法，包括以下步驟：按設(shè)計銅鐵合金的成分組成取相應(yīng)原料進(jìn)行熔煉，得到合金熔液；所述合金熔液經(jīng)連鑄制得銅鐵合金鑄坯；所述連鑄包括將合金熔液在超聲場作用下進(jìn)行冷卻結(jié)晶，所述冷卻結(jié)晶的冷卻速度為250~450℃/s，所述銅鐵合金的成分組成如下：fe?5-20wt?%，其余為cu。

5、本發(fā)明是對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提供的超聲輔助制備銅鐵合金的方法，通過在連鑄過程中施加超聲場并控制連鑄時的冷卻速度，兩者耦合作用，使難混熔銅合金在凝固過程中直接從液相到固相轉(zhuǎn)變，輔助超聲系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化fe相和晶粒，同時避免出現(xiàn)液-液相分離造成的成分偏析和組織粗化；同時超聲場的施加在金屬熔液中引起空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，一方面促進(jìn)了液-液相分離過程中第二相的形核，另一方面有效地打碎了尺寸較大第二相液滴并抑制其相互間的聚合以及凝并行為，在超聲場的作用下能夠獲得相對均勻的凝固組織，且聲流效應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)剪切力可以顯著抑制溶質(zhì)的偏聚和沉積，克服常規(guī)重力場鑄造條件下合金偏聚或分層組織的形成，進(jìn)而提高銅鐵合金的強(qiáng)度、導(dǎo)電率、電磁屏蔽性能。

6、本發(fā)明提供的超聲輔助制備銅鐵合金的方法工藝簡單、成本低，在鑄造階段即可制備出綜合性能良好的銅鐵合金鑄坯，有利于后續(xù)加工成型，同時獲得優(yōu)異的導(dǎo)電率、強(qiáng)度和電磁屏蔽性能。

7、為了進(jìn)一步提高空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，優(yōu)選地，所述超聲場的功率為0.3~2kw，所述超聲場的頻率為20~22khz。

8、為了進(jìn)一步提高冷卻速度，優(yōu)選地，所述連鑄時的澆鑄速度為15~20kg/min，連鑄時的澆鑄溫度為1300~1400℃。

9、為了進(jìn)一步提高銅鐵合金組分的均勻性，優(yōu)選地，所述熔煉的溫度為1300～1600℃。

10、為了進(jìn)一步使合金成分均勻化并進(jìn)行除雜，優(yōu)選地，所述合金熔液在連鑄前進(jìn)行凈化，所述凈化是將合金熔液在1300～1400℃下保溫20~40min。

11、為了進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，優(yōu)選地，所述連鑄后完成后得到鑄錠，對鑄錠進(jìn)行均勻化退火、熱軋、冷變形加工和時效處理。

12、為了進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，優(yōu)選地，所述均勻化退火是在惰性氣體中900~950℃下均勻化退火處理5~20h；所述熱軋的溫度為800~950℃，所述熱軋的變形量為60~80%；所述冷變形加工的變形量為50~98%；所述時效處理的溫度為400~450℃，時效處理的時間為4~20h。冷變形加工后在基體中形成彌散分布均勻細(xì)小的fe纖維相和晶粒細(xì)小的cu-fe合金，能夠大幅度提高材料的強(qiáng)度。

13、本發(fā)明的實(shí)施所述的超聲輔助制備銅鐵合金的方法的連鑄裝置的技術(shù)方案為：

14、一種實(shí)施所述的超聲輔助制備銅鐵合金的方法的連鑄裝置，包括結(jié)晶器，所述結(jié)晶器外部安裝有超聲系統(tǒng)，所述結(jié)晶器具有供合金熔液通過的流道和設(shè)置在流道外周的冷卻通道，所述冷卻通道有多個且沿所述流道的長度方向延伸，冷卻通道的下端連通形成出水通道，出水通道與設(shè)置在結(jié)晶器上的出水口連通；所述冷卻通道內(nèi)設(shè)置有沿冷卻通道長度方向延伸的冷卻水內(nèi)管，所述冷卻水內(nèi)管具有位于下端的進(jìn)水口和靠近冷卻通道頂端的出水孔，冷卻水內(nèi)管與冷卻通道之間具有冷卻水流動間隔。

15、本發(fā)明提供的實(shí)施所述的超聲輔助制備銅鐵合金的方法的連鑄裝置，通過設(shè)置沿所述流道的長度方向延伸冷卻通道及冷卻通道內(nèi)的冷卻水內(nèi)管，使小體積結(jié)晶器即可實(shí)現(xiàn)高效換熱，大幅提高結(jié)晶器對合金熔液的冷卻速度，結(jié)合超聲系統(tǒng)，共同耦合作用，使難混熔銅合金在凝固過程中直接從液相到固相轉(zhuǎn)變，輔助超聲系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)化fe相和晶粒，同時避免出現(xiàn)液-液相分離造成的成分偏析和組織粗化，得到均勻的凝固組織，大幅提高銅鐵合金的強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，得到高性能銅鐵合金；相比于原位復(fù)合、真空自耗和粉末冶金等高成本、操作復(fù)雜的工序制備高性能銅鐵合金，該連鑄裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、生產(chǎn)成本低廉，通過簡單連鑄方法即可得到高性能銅鐵合金。

16、為了進(jìn)一步提高散熱面積，提高冷卻效率，優(yōu)選地，所述冷卻通道的內(nèi)壁上開設(shè)有多條沿冷卻通道長度方向延伸的凹槽。

17、為了進(jìn)一步使合金連鑄時更方便，優(yōu)選地，所述連鑄裝置還包括熔煉系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)。