CN105689692B - 一种制备全等轴晶铜铸坯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜合金材料熔炼与铸造技术领域,具体为一种制备全等轴晶铜铸坯的方法。采用铜稀土合金作为全等轴晶组织转变剂,具体步骤如下:将电解铜板经过加热熔化,控制熔体温度1120~1180℃范围内;按照稀土元素占铜熔体0.35wt.%~0.6wt.%的比例计算,向铜溶液中加入铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温10~30分钟后将合金熔体浇注到预热温度为350~400℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。该方法应用于精密铜材铸坯制备工艺中,可以显著减少异类杂质元素的引入,同时获得全等轴晶组织,保证精密铜材优良的导热导电性性能,提高铜材的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于铜合金材料熔炼与铸造技术领域,具体为一种制备全等轴晶铜铸坯的方法。
背景技术
目前,铜及铜合金是国民经济发展中重要的支柱性材料。然而,我国在铜合金熔铸及新产品研发能力与国外发达国家差距巨大,国民经济发展中需要的多种高性能精密铜加工材料不能自主生产。此外,铸件凝固是制备纯金属及合金的一个重要工艺。铸件凝固通常产生两种组织形貌,即柱状晶和等轴晶。等轴晶一般形成于柱状晶前沿,并阻碍柱状晶生长,合金成分和凝固条件的变化能够引起柱状晶与等轴晶之间的竞争生长,最终导致凝固组织发生柱状晶向等轴晶的转变。等轴晶各向同性,材料组织均匀,使得材料性能均匀,并提高材料的力学性能和塑性加工性能,是一般铸件的理想组织,获得一个完全等轴晶组织对材料的最终性能具有非常重要的意义。
目前,获得全等轴晶组织铜铸坯的主要方法有:
(1)电磁搅拌。利用电磁力对熔体进行搅拌,使己凝固的枝晶破碎并遍布在熔体中,形成更多的有效晶核,并限制晶粒的长大,使熔体凝固过程中固/液界面前沿的温度分布趋于一致.从而获得均匀的全等轴晶组织。如:①“空心铜及其铜合金管的电磁水平连续铸造装置(专利申请号200820030846.X)”、②“一种铜合金板坯电磁搅拌器(专利申请号200820159500.X)”。
(2)超声振荡。超声振荡使得熔体局部产生高温、高压和强烈的冲击波,能熔断并击碎固/液界面初生晶体和正在长大的晶体,而破碎的晶体在声流的搅拌作用下,再次分布到熔体中,提高了生核率,从而获得均匀的全等轴晶组织。如:①“一种铜合金管水平连铸超声波结晶器(专利申请号201020554088.9)”、②“一种超声波铜合金管多流连铸装置(专利申请号201020554092.5)”。以上两种方式方电能消耗较大,设备结构复杂,很难应用于大规模批量铸铜生产中。
(3)加入精炼剂。精炼剂一方面能够与铜熔体形成第二相粒子,促进形核结晶;另一方面直接充当非均匀形核基底,以此来促进形核结晶,最终获得均匀的全等轴晶组织。如:“一种铜及铜合金熔炼用精炼剂(专利申请号201210075176.4)”。此种方法加入的精炼剂主要是几种合金元素与铜形成的多元中间合金,此类中间合金元素众多成分复杂,势必会污染铸铜熔体,降低铜材的导电导热性能。
发明内容
针对现有技术缺陷,本发明的目的在于提供一种制备全等轴晶铜铸坯的方法,进一步降低能耗,节省设备成本,解决加入精炼剂污染铜熔体等问题,用于大规模批量化全等轴晶铸铜坯的生产,并应用于制备高纯度精密铜材。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种制备全等轴晶铜铸坯的方法,采用铜稀土合金作为全等轴晶组织转变剂;该制备方法的具体步骤如下:将电解铜板经过加热熔化,控制熔体温度1120~1180℃范围内;按照稀土元素占铜熔体0.35wt.%~0.6wt.%的比例计算,向铜溶液中加入铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温10~30分钟后将合金熔体浇注到预热温度为350~400℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。
所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,铜稀土全等轴晶组织转变剂由铜与稀土元素组成,其中的稀土元素包括镧、铈、镨、钕、钇、钪、铒之一种或两种以上,且稀土元素占总全等轴晶组织转变剂重量的15~20wt.%。
所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,优选的,铜熔体温度控制在1150℃±10℃。
所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,优选的,加入的铜稀土全等轴晶组织转变剂中稀土元素在熔体中的比例为0.45~0.55wt.%。
所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,优选的,静置精炼保温时间为10~20分钟。
所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,优选的,浇注金属模具预热温度为350~380℃。
本发明用铜稀土全等轴晶组织转变剂获得全等轴晶铜铸坯的原理是:转变剂中稀土元素是主要的有效作用元素,一方面,稀土元素能够去除铜及其合金中的有害元素及杂质元素,净化合金;另一方面,铜熔体凝固过程中,稀土元素在固/液界面前沿被大量排出,导致固/液界面前沿液相成分过冷,同时在成分过冷区稀土元素与铜熔体形成大量异质晶核,在加入一定量的全等轴晶转换剂后,大量的异质晶核抑制柱状晶的形成,从而获得了全等轴晶组织的铜铸坯。
本发明的优点及有益效果如下:
1、本发明对铜熔体温度不敏感,易于操作,工艺简单。
2、本发明能够节约能源,并降低设备成本,便于形成大规模批量化生产。
3、本发明应用于精密铜材铸坯制备工艺中,可以显著减少异类杂质元素的引入,解决铜熔体被污染问题,同时获得全等轴晶组织,保证精密铜材优良的导热导电性性能,提高铜材的力学性能和加工性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中铜铸坯宏观组织。
图2为本发明实施例1中铜铸坯局部金相组织。
图3为本发明实施例1中铜铸坯局部背散射组织形貌,其中黑色相为铜基体,白色的球形相为Cu-La金属间化合物。
图4为本发明实施例1图3中A点处的能谱分析结果。
具体实施方式
在具体实施方式中,本发明获得全等轴晶组织铸坯的制备方法,采用铜稀土合金作为全等轴晶组织转变剂,具体步骤如下:
1)将电解铜板经过加热熔化,控制熔体温度1120~1180℃范围内;
2)按照稀土元素占铜熔体0.35wt.%~0.6wt.%的比例计算,向铜溶液中加入铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合;
3)再经过静置精炼,静置保温10~30分钟后将合金熔体浇注到预热温度为350~400℃的金属模具中;
4)然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯;
5)观察铜铸坯纵向剖面的宏观组织和纵向剖面局部的金相组织,确定铜铸坯为全等轴晶组织;
6)观察纵向剖面局部的背散射组织形貌,确定用铜稀土全等轴晶组织转变剂获得全等轴晶铜铸坯的原理。
下面通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
配料:配置纯度为99.97wt%的电解铜板1020g,占总重量的99.5wt.%;配置稀土镧含量为15wt.%的铜镧全等轴晶组织转变剂35.2g,稀土镧占总重量的0.5wt.%;电解铜板与铜镧全等轴晶组织转变剂的总重量为1055.2g。
制备过程:在加热炉中将金属浇注模具预热至350℃,待用;将配置好的电解铜板放入熔炼炉中经过加热熔化,控制熔体温度1150℃;向铜溶液中加入配置好的铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温15分钟后将合金熔体浇注到预热温度为350℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。
将整个铜铸坯竖立,沿中间面垂直切开,并腐蚀中间面,观察整个铜铸坯的宏观结构如图1所示,采用金相显微镜观察铜铸坯局部组织形貌如图2所示,从图1和图2可以看出,整个铜铸坯为均匀的全等轴晶组织。通过扫描电镜观察铜铸坯局部的背散射组织形貌如图3所示,从图3可以看出,铜镧金属间化合物以球状均匀的弥散分布在铜基体中。图4为图3中A点的能谱分析结果,从能谱分析结果中可以看出,铜镧金属间化合物中仅含有铜和镧两种元素,没有其它杂质元素的存在。
实施例2
与实施例1不同之处在于,
配料:配置纯度为99.97wt%的电解铜板1020g,占总重量的99.55wt.%;配置稀土铈含量为20wt.%的铜铈全等轴晶组织转变剂23.5g,稀土铈占总重量的0.45wt.%;电解铜板与铜铈全等轴晶组织转变剂的总重量为1043.5g。
制备过程:在加热炉中将金属浇注模具预热至360℃,待用;将配置好的电解铜板放入熔炼炉中经过加热熔化,控制熔体温度1140℃;向铜溶液中加入配置好的铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温12分钟后将合金熔体浇注到预热温度为360℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。铜铈金属间化合物以球状均匀的弥散分布在铜基体中,从能谱分析结果中可以看出,铜铈金属间化合物中仅含有铜和铈两种元素,没有其它杂质元素的存在。
实施例3
与实施例1不同之处在于,
配料:配置纯度为99.97wt%的电解铜板1020g,占总重量的99.45wt.%;配置稀土钇含量为16wt.%的铜钇全等轴晶组织转变剂36.3g,稀土钇占总重量的0.55wt.%;电解铜板与铜钇全等轴晶组织转变剂的总重量为1056.3g。
制备过程:在加热炉中将金属浇注模具预热至380℃,待用;将配置好的电解铜板放入熔炼炉中经过加热熔化,控制熔体温度1160℃;向铜溶液中加入配置好的铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温18分钟后将合金熔体浇注到预热温度为380℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。铜钇金属间化合物以球状均匀的弥散分布在铜基体中,从能谱分析结果中可以看出,铜钇金属间化合物中仅含有铜和钇两种元素,没有其它杂质元素的存在。
实施例4
与实施例1不同之处在于,
配料:配置纯度为99.97wt%的电解铜板1020g,占总重量的99.5wt.%;配置稀土铒含量为8wt.%、稀土钕含量为7wt.%的铜铒钕全等轴晶组织转变剂35.2g,稀土铒和稀土钕占总重量的0.5wt.%;电解铜板与铜铒钕全等轴晶组织转变剂的总重量为1055.2g。
制备过程:在加热炉中将金属浇注模具预热至370℃,待用;将配置好的电解铜板放入熔炼炉中经过加热熔化,控制熔体温度1150℃;向铜溶液中加入配置好的铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温17分钟后将合金熔体浇注到预热温度为370℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯。铜铒钕金属间化合物以球状均匀的弥散分布在铜基体中,从能谱分析结果中可以看出,铜铒钕金属间化合物中仅含有铜、铒和钕三种元素,没有其它杂质元素的存在。
实施例结果表明,本发明方法能够避免铜熔体污染问题,减少异类杂质元素的引入,并能够获得全等轴晶组织铜铸坯;此外,铜镧(或铜铈或铜钇或铜铒钕)金属间化合物以球状均匀的弥散分布在铜基体中,成为有效的异质晶核,并抑制柱状晶的形成,从而导致铜铸坯全等轴晶组织的形成。
Claims (4)
1.一种制备全等轴晶铜铸坯的方法,其特征在于,采用铜稀土合金作为全等轴晶组织转变剂;该制备方法的具体步骤如下:将电解铜板经过加热熔化,控制熔体温度在1150℃±10℃;按照稀土元素占铜熔体0.35wt.%~0.6wt.%的比例计算,向铜溶液中加入铜稀土全等轴晶组织转变剂,进行搅拌,使其与铜熔体均匀混合,再经过静置精炼,静置保温10~30分钟后将合金熔体浇注到预热温度为350~400℃的金属模具中;然后铸锭随模具冷却到室温,并获得全等轴晶组织的铜铸坯;
铜稀土全等轴晶组织转变剂由铜与稀土元素组成,其中的稀土元素为镧、铈、镨、钕、钇、钪、铒之一种,且稀土元素占总全等轴晶组织转变剂重量的15~20wt.%。
2.根据权利要求1所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,其特征在于,加入的铜稀土全等轴晶组织转变剂中稀土元素在熔体中的比例为0.45~0.55wt.%。
3.根据权利要求1所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,其特征在于,静置精炼保温时间为10~20分钟。
4.根据权利要求1所述的制备全等轴晶铜铸坯的方法,其特征在于,浇注金属模具预热温度为350~380℃。
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CN (1) | CN105689692B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113584336A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-11-02 | 江西铜业集团有限公司 | 一种耐高温稀土热管坯及其制备方法 |
Citations (2)
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CN102433503A (zh) * | 2011-12-16 | 2012-05-02 | 江阴同庆机械制造有限公司 | 一种风电法兰合金钢及工件的制造工艺 |
CN102864332A (zh) * | 2012-09-10 | 2013-01-09 | 任静儿 | 一种铜稀土合金 |
Family Cites Families (1)
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-
2014
- 2014-11-29 CN CN201410708649.9A patent/CN105689692B/zh active Active
Patent Citations (2)
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稀土元素在有色金属合金中的形态、功能及稀土耐磨合金研制的初探;李光第;《有色冶金》;19951231(第6期);说明书第37页第1栏倒数第8行-第39页最后1行 * |
稀土元素对铜合金显微组织的影响;陈晓芳;《南昌大学学报》;20030331;第27卷(第1期);全文 * |
铜及铜合金晶粒细化方法的研究现状;吴卫华;《湖南冶金》;20060930;第34卷(第5期);全文 * |
Also Published As
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CN105689692A (zh) | 2016-06-22 |
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