CN107586977A - 一种高强高导铜合金棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高导铜合金棒材的制备方法,具体为:将Cu‑Nb中间合金、Cr粒和Cu块放置在坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu‑Cr‑Nb合金液;将Cu‑Cr‑Nb合金液在细直径石墨模具中浇注、冷却,得到Cu‑Cr‑Nb合金棒材;将棒材放入热处理炉中进行固溶、时效热处理,经机械加工,即得到Cu‑Cr‑Nb合金棒材成品。本发明通过采用细直径石墨模具浇注冷却法制备的Cu‑Cr‑Nb合金,提高了合金的冷却速率,使得合金的组织得到细化,同时大幅提升Cr、Nb元素在Cu基体中的固溶度。经时效处理从铜基体中析出弥散、细小的第二相颗粒,提高合金性能。
Description
技术领域
本发明属于铜合金制备技术领域,涉及一种高强高导铜合金棒材的制备方法。
背景技术
Cu-Cr-Nb合金是一种以Cr相和耐高温相Cr2Nb双相强化的弥散强化铜合金,该合金具有较高的强度、导电性和良好的热稳定性。Laves相Cr2Nb具有高熔点、低密度、优良的抗蠕变能力等优点,但Cr和Nb低温时在Cu中的溶解度十分有限,影响了沉淀强化的效果。快速凝固法常用于制备难熔合金和固溶度较低的合金,采用快速凝固技术制备Cu-Cr-Nb合金可以大幅度提高合金元素Cr和Nb在纯铜中的固溶度,从而使合金在时效热处理后获得较高的性能。
快速凝固法如雾化法(>104K/s)、旋铸法(>103K/s)等具有较高的冷却速度,但同时存在许多不足,如旋铸法获得合金厚度小,雾化法制得的合金粉末含氧量较高等缺点。且这两种方法制备的合金都无法直接使用,需要通过进一步加工才能获得铜合金制品,增加了生产成本。且采用粉末冶金法方法制备的合金因其致密度较难以进一步提高,影响了合金的性能提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强高导铜合金棒材的制备方法,旨在提高合金冷却速率的同时保证合金的冶金质量,从而获得高性能的铜合金。
本发明所采用的技术方案是,一种高强高导铜合金棒材的制备方法,具体按以下步骤实施:
步骤1,熔炼:
将Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块放置在坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu-Cr-Nb合金液;
步骤2,细直径石墨模具浇注、冷却:
将步骤1得到的Cu-Cr-Nb合金液在细直径石墨模具中浇注、冷却,得到Cu-Cr-Nb合金棒材;
步骤3,热处理:
将步骤2得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行固溶、时效热处理,经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
本发明的特点还在于,
步骤1中Cu-Nb中间合金中Nb含量为5~25wt%,余量为Cu。
Cu-Nb中间合金通过将打磨干净的Cu块、Nb块在真空电弧熔炼炉中,在氩气保护下,熔炼所得。
步骤1中坩埚中由下至上依次为Cu块、Cr粒、Cu块、Cu-Nb中间合金、Cu块。
步骤1中熔炼过程中控制真空感应炉抽真空在4×10-3Pa以上,通氩气作为保护气体;温度控制方式为:首先将合金快速升温至1050~1150℃,保温3~5min,再缓慢升温至1350~1500℃,保温18~30min,然后降温至1200~1300℃,保温2~4min。
步骤2中细直径石墨模具的外径为90~120mm,内径为5~15mm。
步骤2中制得的Cu-Cr-Nb合金中,按照质量百分比:Cr含量在0.7%~1.5%,Nb含量为0.1~0.5%,余量为Cu,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤3中固溶处理温度为880~1000℃,保温时间为0~1.5小时,水淬。
步骤3中时效处理温度为400~560℃,保温时间为3~6小时。
本发明的有益效果是,本发明通过采用细直径石墨模具浇注冷却法制备的Cu-Cr-Nb合金,提高了合金的冷却速率,使得合金的组织得到细化,同时大幅提升Cr、Nb元素在Cu基体中的固溶度。经时效处理从铜基体中析出弥散、细小的第二相颗粒,提高合金性能。
附图说明
图1是本发明制备方法的工艺流程图;
图2是本发明方法熔炼Cu-Cr-Nb合金的装配示意图;
图3是本发明使用是细直径石墨模具结构示意图;
图4是不同冷却方式下Cu-Cr-Nb合金的金相组织照片,其中a为随炉冷却后的金相组织,b为本发明方法冷却后的金相组织。
图中,1.Cu块,2.Cr粒,3.Cu-Nb中间合金,4.坩埚,5.石墨模具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其流程如图1所示,具体按以下步骤实施:
步骤1,Cu-Nb中间合金的制备
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10- 3Pa以上,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-(5~25)%Nb中间合金。
步骤2,Cu-Cr-Nb合金棒材制备
按照Cu-Cr-Nb合金棒材中Cr含量为0.7~1.5%,Nb含量为0.1~0.5%,其余为Cu(含量指质量百分比)的要求,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图2的装填方式放置在坩埚中,坩埚4中由下至上依次为Cu块1、Cr粒2、Cu块1、Cu-Nb中间合金3、Cu块1,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1050~1150℃,保温3~5min,再缓慢升温至1350~1500℃,保温18~30min,然后降温至1200~1300℃,保温2~4min,得到合金液。将合金液以合适的浇注速度随炉浇注到下方外径为90~120mm,内径为5~15mm的石墨模具5中,石墨模具5的结构如图3所示,获得合金棒材。
步骤3,Cu-Cr-Nb合金棒材的热处理
将步骤2中得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行固溶、时效热处理,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。固溶处理温度为880~1000℃,保温时间为0~1.5小时,水淬;时效处理温度为400~560℃,保温时间为3~6小时。
本发明将Nb元素引入Cu-Cr合金中,结合较高的冷却速度,可以显著提高Cu-Cr合金的性能。一方面,快速凝固提高了液体金属的过冷度,提高了形核率,得到细小的初生晶粒,具有极强的细晶强化作用;另一方面,采用较大的冷却速度使得更多的合金元素固溶到基体中,在随后的时效过程中析出弥散、细小的强化相颗粒,达到弥散强化的目的。综合以上两方面,采用本发明制备Cu-Cr-Nb合金可以达到提高合金导电性、强度的目的。
实施例1
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10-3,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-5%Nb中间合金。制备目标成分为Cu-1.2Cr-0.3Nb的合金,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图2的装填方式放置在坩埚中,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1150℃,保温3min,再升温至1350℃,保温25min,然后降温至1280℃,保温2min。将合金液缓慢地随炉浇注到下方外径为100mm,内径为5mm的石墨模具中,获得Cu-Cr-Nb合金棒材。将制得的合金棒材放入热处理炉中进行热处理,固溶温度为980℃,水淬;时效温度为450℃,时间为4h。经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
实施例2
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10- 3Pa以上,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-25%Nb中间合金。制备目标成分为Cu-0.7Cr-0.1Nb的合金,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图2的装填方式放置在坩埚中,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1080℃,保温4min,再缓慢升温至1450℃,保温30min,然后降温至1200℃,保温3min。将合金液以先慢后快的速度随炉浇注到下方外径为90mm,内径为15mm的石墨模具中,获得合金Cu-Cr-Nb棒材。将制得的合金棒材放入热处理炉中进行热处理,固溶温度为1000℃,时间为1.5h,水淬;时效温度为480℃,时间为5.5h。经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
实施例3
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10- 3Pa以上,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-20%Nb中间合金。制备目标成分为Cu-1.5Cr-0.5Nb的合金,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图2的装填方式放置在坩埚中,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1050℃,保温5min,再缓慢升温至1500℃,保温18min,然后降温至1250℃,保温4min。将合金液以先快后慢的速度随炉浇注到下方外径为100mm,内径为10mm的石墨模具中,获得Cu-Cr-Nb合金棒材。将制得的合金棒材放入热处理炉中进行热处理,固溶温度为880℃,时间为1h,水淬;时效温度为520℃,时间为5h。经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
实施例4
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10- 3Pa以上,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-10%Nb中间合金。制备目标成分为Cu-1.0Cr-0.25Nb的合金,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图2的装填方式放置在坩埚中,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1100℃,保温4min,再缓慢升温至1400℃,保温28min,然后降温至1300℃,保温4min。将合金液快速地随炉浇注到下方外径为120mm,内径为15mm的石墨模具中,获得Cu-Cr-Nb合金棒材。将制得的合金棒材放入热处理炉中进行热处理,固溶温度为920℃,时间为0.5h,水淬;时效温度为400℃,时间为6h。经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
实施例5
将打磨干净的Cu块、Nb块由下至上依次放入真空电弧熔炼炉中,抽真空到1×10- 3Pa以上,通氩气作为保护气,熔炼过程中应控制电流在250安培,反复熔炼4次,得到Cu-15%Nb中间合金。制备目标成分为Cu-0.8Cr-0.15Nb的合金,将计算称量好的Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块依照图3的装填方式放置在坩埚中,抽真空到4×10-3Pa以上,充入少量Ar气。首先将合金快速升温至1120℃,保温3min,再升温至1470℃,保温22min,然后降温至1230℃,保温2min。将合金液缓慢地随炉浇注到下方外径为100mm,内径为15mm的石墨模具中,获得Cu-Cr-Nb合金棒材。将制得的合金棒材放入热处理炉中进行热处理,固溶温度为1000℃,水淬;时效温度为560℃,时间为3h。经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
本发明通过调整Cu-Nb中间合金的成分、熔炼工艺、浇注速度、模具尺寸、热处理工艺,获得了高性能的Cu-Cr-Nb合金。使用真空感应熔炼炉熔炼合金时,熔炼以及浇注的整个过程都是在氩气保护下完成的,避免了合金液的氧化,简化了操作步骤。图4所示为采用随炉冷却(a)和细直径石墨模具冷却(b)所获得的Cu-Cr-Nb合金的组织对比图,从图中可以看出,采用随炉冷却法制得合金的金相组织,合金组织粗大,共晶相区域较大;而采用细直径石墨模具冷却法具有更高的冷却速度,大幅度地细化了合金组织,减轻了合金元素的偏析,使得共晶相区域明显减少,合金组织更加均匀。采用本发明的方法制备的Cu-Cr-Nb合金较传统制备方法获得的Cu-Cr-Nb合金性能大幅提升,具有现实意义。
Claims (9)
1.一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,具体按以下步骤实施:
步骤1,熔炼:
将Cu-Nb中间合金、Cr粒和Cu块放置在坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu-Cr-Nb合金液;
步骤2,细直径石墨模具浇注、冷却:
将步骤1得到的Cu-Cr-Nb合金液在细直径石墨模具中浇注、冷却,得到Cu-Cr-Nb合金棒材;
步骤3,热处理:
将步骤2得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行固溶、时效热处理,经机械加工,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤1中Cu-Nb中间合金中Nb含量为5~25wt%,余量为Cu。
3.根据权利要求1或2所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述Cu-Nb中间合金通过将打磨干净的Cu块、Nb块在真空电弧熔炼炉中,在氩气保护下,熔炼所得。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤1中坩埚中由下至上依次为Cu块、Cr粒、Cu块、Cu-Nb中间合金、Cu块。
5.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤1中熔炼过程中控制真空感应炉抽真空在4×10-3Pa以上,通氩气作为保护气体;温度控制方式为:首先将合金快速升温至1050~1150℃,保温3~5min,再缓慢升温至1350~1500℃,保温18~30min,然后降温至1200~1300℃,保温2~4min。
6.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤2中细直径石墨模具的外径为90~120mm,内径为5~15mm。
7.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤2中制得的Cu-Cr-Nb合金中,按照质量百分比:Cr含量为0.7%~1.5%,Nb含量为0.1~0.5%,余量为Cu,以上组分质量百分比之和为100%。
8.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤3中固溶处理温度为880~1000℃,保温时间为0~1.5小时,水淬。
9.根据权利要求1所述的一种高强高导铜合金棒材的制备方法,其特征在于,所述步骤3中时效处理温度为400~560℃,保温时间为3~6小时。
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