CN105603252B - 一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用 - Google Patents

一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用，该铜镍合金的原料由铜、镍和可选元素组成，其中可选元素为铬或钒，铜和镍的原子比为25～75:25～75，且铜和镍在该合金中的总量为82～98at％，可选元素在该合金中的量为2～18at％。本发明的技术方案中的铜镍合金的强度显著提高，且电阻温度系数比较小，最高为200ppm/K左右，最低为50ppm/K左右，仍为良好的恒电阻率合金材料。

Description

一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用
技术领域
本发明属于电阻合金材料技术领域，具体涉及一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用。
背景技术
电阻合金是以电阻特性为主要技术特征从而制造不同功能元件的合金，恒电阻率合金在一定温度范围内电阻率基本保持恒定，因此在精密电阻、应变计、加热器方面有广泛的应用。由于合金的电阻率基本保持恒定，最直接的应用就是用于制作精密电阻。另外，对于通过电桥测量微小电阻变化来推算出应变大小的应变计，所用材料在使用温度范围内只有电阻率尽量保持不变，才能尽可能排除温度变化引起电阻变化带来测量值的漂移(温漂)。对于加热器，所用材料具有相对恒定的电阻率，有利于避免加热器自身温度变化引起加热器电阻的变化，导致加热功率不稳定。恒电阻率材料除了希望保持电阻率恒定之外，还需要材料本身电阻率较高，以便于产生较高的电阻。
目前，恒电阻率合金体系主要有Cu-Ni系、Cu-Mn系、Ni-Cr系和贵金属系，其中最具代表的Cu-Ni电阻合金(Cu含量：53at.％～55at.％，余为Ni，也被称为康铜)因在较宽的温度区间内具有很小的电阻温度系数而得到广泛的应用。Cu-Ni电阻合金的电阻率在室温下约为500nΩ·m，电阻温度系数为40ppm/K。但是，目前Cu-Ni电阻合金均是fcc单相固溶体，强度较低。由于许多强化方式都是通过引入第二相粒子，强化的同时也必然会显著改变材料的电阻行为。因此，目前Cu-Ni电阻合金只能利用加工硬化来提高强度，无法通过设计析出第二相粒子等方式进行强化。仅利用加工硬化这一单一强化方式对于提高复杂形状(如非线状、管状以及板状等)电阻元件的强度来说存在诸多不便。因此，很有必要开发其他方式强化的恒电阻率铜镍电阻合金。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用。本发明的原理如下：基于Cu-Ni-Cr、Cu-Ni-V三元相图(如图1、图2所示)，Cu-Ni-Cr、Cu-Ni-V三元相图在800℃和1100℃都存在明显的fcc单相区和两相分离区(fcc1+fcc2)，这意味着可以通过调幅分解对其进行强化。采用适当的热处理工艺，就可以获得调幅分解强化的恒电阻率铜镍电阻合金。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用，该铜镍合金的原料由铜、镍和可选元素组成，其中可选元素为铬或钒，铜和镍的原子比为25～75:25～75，且铜和镍在该合金中的总量为82～98at％，可选元素在该合金中的量为2～18at％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述可选元素为铬。
进一步优选的，所述铜和镍在该合金中的总量为82～97.5at％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述可选元素为钒。
进一步优选的，所述铜和镍的原子比为25～70:30～75。
进一步优选的，所述铜和镍在该合金中的总量为87～98at％。
在本发明的一个优选实施方案中，该铜镍合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将各原料组分进行剪切和清洗，按照所设计比例进行称重；
(2)将称重后的各原料组分放入熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭；
(3)将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，在1000～1150℃下保温9～11h后迅速打破石英管并将其中的物料淬入水中，使物料保持fcc单相；
(4)将步骤(3)所得的物料在600～900℃保温0.5～72h进行时效，以发生调幅分解，即得所述基于调幅分解强化的铜镍合金。
本发明的有益效果是：
1、本发明的技术方案中的铜镍合金的强度显著提高；
2、本发明的技术方案中的铜镍合金的电阻温度系数比较小，最高为200ppm/K左右，最低为50ppm/K左右，仍为良好的恒电阻率合金材料，如下表所示：
3、本发明的技术方案中的铜镍合金产生了明显的调幅分解组织。
附图说明
图1为计算得到的Cu-Ni-Cr三元系在800℃时的等温截面图。
图2为计算得到的Cu-Ni-V三元系在800℃时的等温截面图。
图3为本发明的铜镍合金的制备工艺及性能检测流程。
图4为本发明实施例1制备的(Cu,Ni)82％Cr18％合金电阻率随温度变化图。
图5为本发明实施例2制备的(Cu,Ni)94％Cr6％合金电阻率随温度变化图。
图6为本发明实施例3制备的(Cu,Ni)95％Cr5％合金电阻率随温度变化图。
图7为本发明实施例4制备的(Cu,Ni)96％Cr4％合金电阻率随温度变化图。
图8为本发明实施例5制备的(Cu,Ni)97％Cr3％合金电阻率随温度变化图。
图9为本发明实施例6制备的(Cu,Ni)97.5％Cr2.5％合金电阻率随温度变化图。
图10为本发明实施例7制备的(Cu,Ni)87％V13％合金电阻率随温度变化图。
图11为本发明实施例8制备的(Cu,Ni)94％V6％合金电阻率随温度变化图。
图12为本发明实施例9制备的(Cu,Ni)95％V5％合金电阻率随温度变化图。
图13为本发明实施例10制备的(Cu,Ni)96.5％V3.5％合金电阻率随温度变化图。
图14为本发明实施例11制备的(Cu,Ni)98％V2％合金电阻率随温度变化图。
图15为本发明实施例1制备的(Cu,Ni)82％Cr18％合金时效后SEM图。
图16为本发明实施例2制备的(Cu,Ni)94％Cr6％合金时效后SEM图。
图17为本发明实施例3制备的(Cu,Ni)95％Cr5％合金时效后SEM图。
图18为本发明实施例4制备的(Cu,Ni)96％Cr4％合金时效后SEM图。
图19为本发明实施例5制备的(Cu,Ni)97％Cr3％合金时效后SEM图。
图20为本发明实施例6制备的(Cu,Ni)97.5％Cr2.5％合金时效后SEM图。
图21为本发明实施例7制备的(Cu,Ni)87％V13％合金时效后SEM图。
图22为本发明实施例8制备的(Cu,Ni)94％V6％合金时效后SEM图。
图23为本发明实施例9制备的(Cu,Ni)95％V5％合金时效后SEM图。
图24为本发明实施例10制备的(Cu,Ni)96.5％V3.5％合金时效后SEM图。
图25为本发明实施例11制备的(Cu,Ni)98％V2％合金时效后SEM图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
本发明的技术方案中的铜镍合金的制备工艺及性能检测流程如图3所示，且下述实施例中各原料的比例以(CuxNiy)z％Cr/Vn％(at.％)所示，其中x：y为铜和镍的原子比，铜和镍的原子比为25～75:25～75，z％为铜和镍的总量，n％为铬或钒的量。
实施例1
按照(Cu,Ni)82％Cr18％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)82％Cr18％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图4和图15所示。
实施例2
按照(Cu,Ni)94％Cr6％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10- 3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)94％Cr6％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图5和图16所示。
实施例3
按照(Cu,Ni)95％Cr5％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10- 3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在600℃或800℃时效1h、6h、24h、72h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)95％Cr5％合金，其800℃时效6h处理的合金的电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图6和图17所示。
实施例4
按照(Cu,Ni)96％Cr4％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10- 3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)96％Cr4％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图7和图18所示。
实施例5
按照(Cu,Ni)97％Cr3％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10- 3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)97％Cr3％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图8和图19所示。
实施例6
按照(Cu,Ni)97.5％Cr2.5％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、Cr原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)97.5％Cr2.5％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图9和图20所示。
实施例7
按照(Cu,Ni)87％V13％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、V原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10- 3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)87％V13％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图10和图21所示。
实施例8
按照(Cu,Ni)94％V6％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、V原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)94％V6％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图11和图22所示。
实施例9
按照(Cu,Ni)95％V5％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、V原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃或900℃时效0.5h、3h、6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)95％V5％合金，其900℃时效6h处理后的合金的电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图12和图23所示。
实施例10
按照(Cu,Ni)96.5％V3.5％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、V原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)96.5％V3.5％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图13和图24所示。
实施例11
按照(Cu,Ni)98％V2％(at.％)的成分称重进行剪切和清洗后的Cu、Ni、V原料，放入电弧熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭。将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，随后在1100℃下保温10h进行固溶处理然后水淬以使物料保持fcc单相，在800℃时效6h，以发生调幅分解，即得基于调幅分解强化的(Cu,Ni)98％V2％合金，其电阻率随温度变化及扫描电镜下的形貌特征分别如图14和图25所示。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种基于调幅分解的铜镍合金作为强化恒电阻率合金的应用，其特征在于：该铜镍合金的原料由铜、镍和可选元素组成，其中可选元素为铬或钒，铜和镍的原子比为25～75:25～75，且铜和镍在该合金中的总量为82～98at％，可选元素在该合金中的量为2～18at％，该铜镍合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将各原料组分进行剪切和清洗，按照所设计比例进行称重；
(2)将称重后的各原料组分放入熔炼炉中进行熔炼，获得成分均匀的合金铸锭；
(3)将上述合金铸锭封入真空度为5×10-3Pa的石英管中，在1000～1150℃下保温9～11h后迅速打破石英管并将其中的物料淬入水中，使物料保持fcc单相；
(4)将步骤(3)所得的物料在600～900℃保温0.5～72h进行时效，以发生调幅分解，即得所述基于调幅分解强化的铜镍合金。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述可选元素为铬。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于：所述铜和镍在该合金中的总量为82～97.5at％。
4.如权利要求1所述的应用，其特征在于：所述可选元素为钒。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于：所述铜和镍的原子比为25～70:30～75。
6.如权利要求4所述的应用，其特征在于：所述铜和镍在该合金中的总量为87～98at％。
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