CN101487108A - 一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法 - Google Patents

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王强松
张鸿
范明
朱军军
宋卓斐
刘晓珂
张茂奎
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Abstract

一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法，属于有色金属领域，特别涉及纳米弥散相增强铜合金的制备方法。其特征是在铜合金中加入强化元素，然后再在浇铸过程中采用离心、电磁搅拌、机械搅拌或振动等能够增加强制对流的措施，降低由于析出相结晶潜热的释放而在析出相周围形成的温度梯度，从而降低析出相的生长速率；制约析出相的生长；铜合金中加入的强化元素选择Ti、Co、P、Ni、Mg、Cr、Zr、Be或Fe中的一种或多种，强化元素加入量为铜合金重量的0.1－15％。经过此工艺处理的铸造铜合金与同类铜合金相比强度得到显著的提高，抗拉强度可以提高30～100％，而延伸率基本保持不变。

Description

一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属领域，特别涉及纳米弥散相增强铜合金的制备方法。
背景技术
弥散相强化作为提高铸造材料强度的有效方法之一，在制备高强度铜合金方面获得广泛的应用。析出强化是利用溶质原子在固溶体中的析出，形成弥散分布的小质点，铜合金中具有析出强化作用的合金元素有Ti、Co、P、Ni、Mg、Cr、Zr、Be、Fe等，其强化本质是：基体金属中细小坚硬而弥散分布的析出相小质点对位错运动构成障碍，其障碍作用比单个溶质原子要强，位错运动必须绕过或切过这些障碍(粒子)，位错线的弯曲增加了位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错运动的阻力，对滑移抗力增加，从而提高了材料的抗拉强度。
引入第二相的常用方法是利用过饱和固溶体的脱溶沉淀，进行时效热处理的沉淀强化。析出强化的效果不但与析出相在基体中的分布是否均匀有关，而且与析出相颗粒大小也有很大的关系，因此如何降低析出相颗粒直径，并增加析出相在基体中的分布均匀性，将成为控制析出强化提高材料综合力学性能的关键。
发明内容
本发明目的是在铜合金中添加有益元素，再在合金熔炼的过程中，采用强制对流的方式促使合金液流体合理流动，将合金元素均匀地分布在铜基体中，控制原子集团半径不超过2纳米，以控制第二相合金元素形核的温度，使第二相形核时具有很大的过冷度，提高其形核率，达到控制第二相合金元素在基体合金中均匀地分布的目的，再控制合金液的流动速度，控制第二相与液相界面前沿的温度梯度，达到在铜合金中获得纳米弥散强化相，从而使铜合金的综合力学性能指标得到显著提高。
一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法，其特征是在铜合金中加入强化元素，然后再在浇铸过程中采用离心、电磁搅拌、机械搅拌、振动等能够增加强制对流的措施，降低由于析出相结晶潜热的释放而在析出相周围形成的温度梯度，从而降低析出相的生长速率；制约析出相的生长。铜合金中加入的强化元素选择Ti、Co、P、Ni、Mg、Cr、Zr、Be、Fe中的一种或多种，强化元素加入量为铜合金重量的0.1-10％。
析出强化合金的加入根据合金不同而采取不同的方式，如Ti、Cr、Be、Zr、P等可采用与铜的中间合金方式，以防止在熔炼过程中氧化损失以及所形成的氧化产物对基体造成不利的影响；Co、Fe等可以采用直接加入的方式，但粒度要小，颗粒直径尽量控制在10mm以下，以利于在合金溶液中熔解以后成份均匀。采用真空或非真空熔炼。析出强化元素加入以后，应在1200-1300℃温度下保温30min以上，如有电磁搅拌保温时间可以适当缩短，确保加入的析出强化元素能够充分熔解均匀。
提高形核过冷度是得到纳米析出强化相的关键之一。在保证浇铸工艺条件的基础上尽可能降低浇铸温度，一般浇铸温度控制在熔点以上50℃范围之内；重要的是如何控制形核温度。
本发明优点是
①析出相呈纳米弥散分布
图1所示为经过上述工艺处理的ZCuSn3Zn8Pb6NilFeCo合金透射电镜照片。可以看出，基体中弥散分布大量平均直径在5-15nm的颗粒状析出物，该析出物中间均有一条方向一致的亮色线条，把析出物分为上下两个部分，类似蝴蝶的两个翅膀，即俗称的“蝶型衬度”，是基体应变场无衬度共格表征关系的典型特征，中间的亮色线条即无衬度线。由此可以判定该析出物与基体之间保持共格或半格关系。图2是析出相的衍射图谱，通过衍射标定为Fe析出相，并与基体呈共格关系。
②抗拉强度显著提高，延伸率基本保持不变
因为弥散析出强化作用，从而使得经过此工艺处理的铸造铜合金与同类铜合金相比强度得到显著的提高，抗拉强度可以提高30～100％。而延伸率基本保持不变。
附图说明
图1为纳米弥散析出相
图2为Fe析出相与基体呈共格关系
具体实施方式
实施方式一：
以国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn3Zn8Pb6Ni1为研究对象，添加铁和钴，见表1
表1 铸造铜合金化学成份(质量百分比)
Figure A200810239263D00051
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)先加入炉内，铅和锡随同加入，熔炼不用覆盖剂，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，加锌，1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。采用离心浇铸工艺，离心速度300rpm，浇铸完成30min后停止离心。对冷却到室温的铸件升温到800～1000℃保温3～5小时后进行水冷固溶处理。
在铸件上分别取拉伸试验棒样和金相及扫描电镜试样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表2。
表2 实施方式一铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
420 220 25.36
实施方式二：
以国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn10Zn2为研究对象，添加铁和钴，见表3。
表3 实施方式二铸造铜合金化学成份(质量百分比)
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)和锡先加入炉内，升温到1200℃后加入铁、钴，待升温到1250℃并保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，加锌，在1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。采用离心浇铸工艺，离心速度300rpm，浇铸完成30min后停止离心。
在铸件上取拉伸试验棒样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表4。
表4 实施方式二铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
415 249 11.04
实施方式三：
以国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn10Zn2为研究对象，分别添加铬和锆与铜的中间合金，见表5。
表5 实施方式三铸造铜合金化学成份(质量百分比)
Figure A200810239263D00061
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)、锡及铬和锆与铜的中间合金先加入炉内，升温到1200℃后保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，加锌，在1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。采用离心浇铸工艺，离心速度300rpm，浇铸完成30min后停止离心。
在铸件上取拉伸试验棒样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表6。
表6 实施方式三铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
400 232 15.04
实施方式四：
以国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn10Zn2为研究对象，分别添加铁及磷与铜的中间合金，见表7。
表7 实施方式四铸造铜合金化学成份(质量百分比)
Figure A200810239263D00062
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)、锡、铁先加入炉内，升温到1200℃后加入磷与铜的中间合金，并在1200℃保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，加锌，在1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。采用离心浇铸工艺，离心速度300rpm，浇铸完成30min后停止离心。
在铸件上取拉伸试验棒样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表8。
表8 实施方式四铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
415 243 13.02
实施方式五：
以国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn10Zn2为研究对象，分别添加钛和铍与铜的中间合金，见表9。
表9 实施方式四铸造铜合金化学成份(质量百分比)
Figure A200810239263D00071
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)、锡先加入炉内，升温到1200℃后加入钛和铍与铜的中间合金，并在1200℃保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，加锌，在1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。采用离心浇铸工艺，离心速度300rpm，浇铸完成30min后停止离心。
在铸件上取拉伸试验棒样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表10。
表10 实施方式四铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
403 237 11.07

Claims (3)

1.一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法，其特征是在铜合金中加入强化元素，然后再在浇铸过程中采用离心、电磁搅拌、机械搅拌或振动能够增加强制对流的措施，降低由于析出相结晶潜热的释放而在析出相周围形成的温度梯度，从而降低析出相的生长速率；制约析出相的生长；铜合金中加入的强化元素选择Ti、Co、P、Ni、Mg、Cr、Zr、Be或Fe中的一种或多种，强化元素加入量为铜合金重量的0.1-15％。
2.如权利要求1所述一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法，其特征是析出强化合金的加入根据合金不同而采取不同的方式，Ti、Cr、Be、Zr或P采用与铜的中间合金方式；Co和Fe采用直接加入的方式，但颗粒直径控制在10mm以下，以利于在合金溶液中熔解以后成份均匀；采用真空或非真空熔炼，析出强化元素加入以后，要在1200-1300℃温度下保温30min以上，确保加入的析出强化元素能够充分熔解均匀。
3.如权利要求1所述一种纳米弥散相增强铜合金的制备方法，其特征是浇铸温度要求控制在熔点以上50℃范围之内。
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