CN104451494A - 减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属材料凝固控制领域，具体为一种减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法。该方法通过采用凝固温度控制与低压脉冲磁场耦合作用实现了铜或铜合金细晶铸锭的制备，获得了优化的凝固热参数和磁场参数，并解决了目前脉冲磁场励磁电压偏高、在工业中实施难度大等问题。采用感应加热将铜及铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至预定浇注温度，保温一段时间后浇入经预热的石墨模具，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜及铜合金完全凝固。本发明具有晶粒细化效果明显且无污染、低成本、安全易实现等优点，通过细化晶粒可同时提高其强度和塑性，以满足日益苛刻的工业设计需求。

Description

减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料凝固控制领域，具体为一种减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法。

背景技术

铜及铜合金是电工电子行业中的关键材料，在铜锭生产过程中经常出现粗大的径向柱状晶，一方面容易引起中心裂纹，降低了进一步塑性加工所需的变形性能，另外也影响铜材的导电性能和力学性能。通过减少铜锭中的柱状晶并细化晶粒可同时提高其强度和塑性，以满足日益苛刻的工业设计需求。在铜及铜合金铸造过程中，采用传统的变质剂法(如：在铜及铜合金中添加少量稀土元素)可获得良好的晶粒细化效果，但该方法易引入杂质从而降低导电率。采用快速凝固(如：雾化沉积、甩带法)也可显著细化铜及铜合金组织，完全消除柱状晶，但其局限性在于工艺复杂，成本过高。

在金属铸件凝固过程中施加电磁场具有细化晶粒效果明显且无污染、低成本等优点，因而更具有实际意义。近年来，国内多家大学均相继开展了电磁场作用下铜及铜合金凝固控制研究，发现在铜连铸过程中施加电磁场可显著细化组织。翟启杰等人研究了脉冲磁场对铜及铜合金凝固组织的影响，发现当励磁电压达到4800V时细化效果明显且力学性能随之提高。杨院生等人的研究表明，采用低压脉冲磁场可显著改善镁合金、铝合金、硅钢以及高温合金晶粒组织，为脉冲磁场的实际应用提供了新的思路。

但目前关于低压脉冲磁场对铜及铜合金凝固组织的影响尚待研究，特别是在不同凝固热参数条件下低压脉冲磁场对铜及铜合金凝固组织的柱状晶-等轴晶转变规律不清楚，限制了低压脉冲磁场在铜及铜合金细晶铸锭制备的应用和推广。

发明内容

本发明的目的在于一种减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，解决了目前脉冲磁场励磁电压偏高、在工业中实施难度大等问题，通过减少柱状晶、细化晶粒可同时提高其强度和塑性，以满足日益苛刻的工业设计需求。

本发明的技术方案如下：

一种减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，采用凝固温度控制与低压脉冲磁场耦合作用实现铜或铜合金细晶铸锭的制备，利用感应加热将铜或铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至预定浇注温度，保温10～20分钟后浇入经预热的石墨模具，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜及铜合金完全凝固；其中，用于铜或铜合金凝固细化的磁场励磁电压为50～300V，用于铜或铜合金凝固细化的磁场频率为0.5～10Hz。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，铜或铜合金熔化后其熔体过热温度80～200℃。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，铜或铜合金熔体在预定的过热温度保温时间为10～20min。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，石墨模具预热温度200～500℃。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，用于铜或铜合金凝固细化的最佳磁场励磁电压为100～200V。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，用于铜或铜合金凝固细化的最佳磁场频率为1～3Hz。

所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，该方法应用到纯度为99.5wt％～99.999wt％纯铜以及铜合金细晶铸锭的制备。

本发明的设计思想如下：

本发明通过采用优化的凝固热参数和磁场参数，利用感应加热将铜或铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至预定浇注温度，保温10～20分钟后浇入经预热的石墨模具，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜或铜合金完全凝固。为了减小径向温度梯度以控制柱状晶的生长，采用镁砂对模具进行保温，尽可能使熔体均匀冷却以提高等轴晶的比例。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：

1.采用本发明不仅可显著减少铜锭中的柱状晶比例，获得细晶铸锭，而且具有无污染、成本低、安全易行、可以制备各种迟钝的铸锭等优点。

2.与变质细化法相比，采用本发明具有不污染熔体，有利于保证铜及铜合金材料的导电性能。

3.与甩带法等快速凝固方法相比，本发明工艺简单、成本更低，且能够制备厚大体积的细晶铸锭。

4.与较高电压的电磁场凝固方法相比，本发明所需磁场励磁电压低，设备体积小，安全性高，易在工业中应用和推广。

附图说明

图1为本发明铜或铜合金热-磁一体控制凝固装置结构示意图。图中，1熔体，2模具，3保温层，4脉冲线圈，5励磁电源。

图2为未施加磁场(a)与实施例1施加脉冲磁场(b)获得的纯铜铸锭横截面凝固组织。

图3为未施加磁场(a)与实施例2施加脉冲磁场(b)获得的铜合金铸锭横截面凝固组织。

具体实施方式

如图1所示，本发明铜或铜合金热-磁一体控制凝固装置，主要包括：模具2、保温层3、脉冲线圈4、励磁电源5，模具2的外层设置保温层3，保温层3的外围设置脉冲线圈4，具体使用过程如下：

1.将所述装置放于镁砂桶中以实现保温，模具2浇入熔体1，脉冲线圈4与熔体1高度相近，脉冲线圈4与低压脉冲磁场电源相连。

2.浇注前将模具2连带镁砂桶整体置于保温炉中，在200～500℃预热2～3h。

3.利用感应加热将铜或铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，使熔体在预定浇注温度保温10～20分钟，熔炼过程中熔体上覆盖干燥碳粉以脱氧保护。

4.将熔体浇入经预热的模具中，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜液完全凝固。磁场励磁电压为50～300V，脉冲频率0.5～10Hz。

下面通过实施例对本发明进一步详细说明。

实施例1：

本实施例中，将99.96wt％纯铜在高纯石墨坩埚中加热温度至1250℃，保温20分钟后浇入预热温度为350℃的石墨模具，在纯铜的凝固过程中全程施加脉冲磁场，磁场励磁电压100V，频率2Hz。图2为未施加磁场(a)与施加脉冲磁场(b)获得的纯铜铸锭横截面凝固组织，可以看出，通过施加低压脉冲磁场减小了纯铜铸锭中柱状晶比例，获得了较好的细化效果。

实施例2：

在本实施例中，将一种Cu-Cr-Zr合金(牌号C18150)在高纯石墨坩埚中加热温度至1300℃，保温15分钟后浇入预热温度为400℃的石墨模具，在合金的整个凝固过程施加脉冲磁场，磁场励磁电压200V，频率1Hz。图3为该铜合金铸锭横截面凝固组织，其中图3(a)为未施加磁场，图3(b)为施加磁场。在低压脉冲磁场作用下，该合金铸锭中柱状晶完全消失，获得了显著的细化效果。

实施例结果表明，通过采用凝固温度控制与低压脉冲磁场耦合作用实现了铜或铜合金细晶铸锭的制备，获得了优化的凝固热参数和磁场参数。采用感应加热将铜及铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至预定浇注温度，保温一段时间后浇入经预热的石墨模具，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜及铜合金完全凝固。该方法具有晶粒细化效果明显、无污染、低成本、安全易实现等优点，具有重要工业应用价值。

Claims (7)

1.一种减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于，采用凝固温度控制与低压脉冲磁场耦合作用实现铜或铜合金细晶铸锭的制备，利用感应加热将铜或铜合金在高纯石墨坩埚中重熔，然后降低加热功率使熔体温度下降至预定浇注温度，保温10～20分钟后浇入经预热的石墨模具，在其整个凝固过程中施加脉冲磁场直至铜及铜合金完全凝固；其中，用于铜或铜合金凝固细化的磁场励磁电压为50～300V，用于铜或铜合金凝固细化的磁场频率为0.5～10Hz。

2.按照权利要求1所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：铜或铜合金熔化后其熔体过热温度80～200℃。

3.按照权利要求1或2所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：铜或铜合金熔体在预定的过热温度保温时间为10～20min。

4.按照权利要求1所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：石墨模具预热温度200～500℃。

5.按照权利要求1所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：用于铜或铜合金凝固细化的最佳磁场励磁电压为100～200V。

6.按照权利要求1所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：用于铜或铜合金凝固细化的最佳磁场频率为1～3Hz。

7.按照权利要求1所述的减少铜或铜合金铸锭中柱状晶的热-磁一体控制制备方法，其特征在于：该方法应用到纯度为99.5wt％～99.999wt％纯铜以及铜合金细晶铸锭的制备。