CN107794405A - 一种细晶粒铜锡合金及其制备方法 - Google Patents

一种细晶粒铜锡合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种细晶粒铜锡合金，按照质量百分比包括以下原料组分：10％‑16％锡粉，0.1％‑0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％；其制备方法，包括以下步骤：步骤1，按照质量百分比称取以下组分：10％‑16％锡粉，0.1％‑0.5％钛粉，余量为铜粉；步骤2，将步骤1称取的各组份混合，进行模压压制，烧结，然后保温得到烧结体；步骤3，将步骤2得到的烧结体进行表面处理；步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体进行感应熔炼，使合金化的烧结体加热至熔融态，保温，搅拌，快速冷却，得到细晶粒铜锡合金。通过本发明制备方法可以得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金。

Description

一种细晶粒铜锡合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金制备技术领域，具体涉及一种细晶粒铜锡合金，本发明还涉及一种细晶粒铜锡合金的制备方法。
背景技术
锡青铜作为一种生产Nb3Sn低温超导线材的主要原材料，其组织及成分对Nb3Sn低温超导线材性能有很大影响。如果在青铜法制备Nb3Sn低温超导线材过程中，铜合金中Sn分布不均匀会导致Nb3Sn超导相分布不均匀从而影响其超导性能。传统铸造方法生产的铜锡合金易出现晶粒粗大，且出现严重的Sn的偏析，俗称“冒锡汗”。目前，国内外公开报道中对铜锡合金细化方法研究较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种细晶粒铜锡合金，具有晶粒细化、组织均匀的优点。
本发明的另一个目的是提供一种细晶粒铜锡合金的制备方法，通过先烧结再进行真空感应熔炼制备铜锡合金毛坯，并将铜锡合金进行后续塑性变形加工，能够得到得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金。
本发明所采用的技术方案是，一种细晶粒铜锡合金，按照质量百分比包括以下原料组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种细晶粒铜锡合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，进行模压压制，烧结，然后保温得到烧结体；
步骤3，将步骤2得到的烧结体进行表面处理；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体进行感应熔炼，使合金化的烧结体加热至熔融态，保温，搅拌，快速冷却，得到细晶粒铜锡合金。
本发明的特点还在于，
步骤2中，烧结温度为：800℃～1100℃；保温时间为：10min～30min。
步骤3中，表面处理的过程为：用10wt％硝酸酒精对烧结体进行酸洗后再用酒精清洗。
步骤4中，整个感应熔炼过程在Ar保护气氛下完成，保温时间为10min～13min。
本发明一种细晶粒铜锡合金的制备方法的有益效果是，先进行真空烧结，使经过压制完的坯体中Sn(锡)通过固态扩散进入Cu(铜)基体中，Sn颗粒与Cu颗粒形成良好的粘接性，形成合金化组织；将烧结体进行处理是为防止烧结过程中出现杂质影响后续熔炼过程的纯度，对最终合金组织产生一定的影响；烧结出的合金致密度较高部分具有较高的研究价值；采用真空感应熔炼，添加Ti(钛)，对烧结体实现快速凝固及电磁搅拌，快速凝固形成极大的过冷度，促进晶核生长，得到细小的树枝晶；同时，在电磁搅拌的作用下，使形核均匀，极大地抑制Sn的反偏析；两者同时可减轻铜锡合金熔体的微观不均匀性及使Sn更多的溶入Cu晶格中，在一定程度上提高固溶度，形成固溶强化，从而获得晶粒细化组织均匀的铜锡合金；其致密度可达95％以上，硬度可达85.7HB，电导率可达7.9％IACS以上。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的铜锡合金组织的SEM图；
图2为本发明实施例3制备的铜锡合金与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)下的铜锡合金密度值的对比图；
图3为本发明实施例3制备的铜锡合金与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)下的铜锡合金致密度的对比图；
图4为本发明实施例3制备的铜锡合金与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)下的铜锡合金硬度值的对比图；
图5为本发明实施例3制备铜锡合金与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)下的铜锡合金电导率的对比图。
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。
本发明的一种细晶粒铜锡合金，按照质量百分比包括以下原料组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
上述的一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，进行模压压制，烧结，然后保温得到烧结体；
步骤2中，烧结温度为：800℃～1100℃；保温时间为：10min～30min；
步骤3，将步骤2得到的烧结体进行表面处理；
步骤3中，表面处理的过程为：用10wt％硝酸酒精对烧结体进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体进行感应熔炼，使合金化的烧结体加热至熔融态，保温，搅拌，快速冷却，得到细晶粒铜锡合金；
步骤4中，整个感应熔炼过程在Ar保护气氛下完成，保温时间为10min～13min。
铜锡合金在电磁搅拌作用下形成更多的晶核，促进晶粒生长及形成均匀的组织。冷却过程采用快速冷却。凝固过程实现快速冷却可形成较大的过冷度，同时钛的添加起到异质形核的作用，增加形核率，使晶粒得到细化。制备铜锡合金过程中，不同Sn含量(质量百分比)使铜锡合金细化程度不同，影响其组织均匀性。快速冷却可扩展固溶度，有效地减轻Sn的偏析程度，最终得到细化的组织均匀的铜锡合金。
实施例1
一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：10％锡粉，0.1％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，将混合粉末放入Φ21模具通过模压成型，形成Φ21x60mm高的坯体，将坯体放入高纯石墨坩埚进行真空烧结，为防止合金氧化，向烧结炉中通入H2，加热至800℃后保温30min；
步骤3，为防止过多杂质影响后续熔炼过程，将步骤2得到的烧结体进行表面处理，具体表面处理过程为：将铜锡合金烧结体先用10％硝酸酒精进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体及高纯石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，向炉中先抽真空，再通入Ar，当加热至合金呈熔融态时，保温10min，得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金，致密度可达93.8％，硬度可达80.4HB，电导率可达7.24％IACS。
实施例2
一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：13％锡粉，0.3％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，将混合粉末放入Φ21模具通过模压成型，形成Φ21x60mm高的坯体，将坯体放入高纯石墨坩埚进行真空烧结，为防止合金氧化，向烧结炉中通入H2，加热至900℃后保温10min；
步骤3，为防止过多杂质影响后续熔炼过程，将步骤2得到的烧结体进行表面处理，具体表面处理过程为：将铜锡合金烧结体先用10％硝酸酒精进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体及高纯石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，向炉中先抽真空，再通入Ar，当加热至合金呈熔融态时，保温11min，得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金，致密度可达92.4％以上，硬度可达75.5HB，电导率可达6.72％IACS。
实施例3
一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：15％锡粉，0.3％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，将混合粉末放入Φ21模具通过模压成型，形成Φ21x60mm高的坯体，将坯体放入高纯石墨坩埚进行真空烧结，为防止合金氧化，向烧结炉中通入H2，加热至950℃后保温20min；
步骤3，为防止过多杂质影响后续熔炼过程，将步骤2得到的烧结体进行表面处理，具体表面处理过程为：将铜锡合金烧结体先用10％硝酸酒精进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体及高纯石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，向炉中先抽真空，再通入Ar，当加热至合金呈熔融态时，保温12min。
图1为本实施例制备的铜锡合金组织的SEM图，该条件下组织为树枝晶的共晶组织，卵形的先共晶相为树枝状晶晶粒，晶粒得到了细化。黑色为腐蚀过的CuSn固溶体，浅色部分为富Sn相，Sn原子主要聚集在枝晶间。
图2为本实施例制备的铜锡合金与其它Sn含量的密度对比图，实施例下密度可达8.5464g/cm2。
图3为本实施例制备的铜锡合金与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)铜锡合金的致密度对比图，从图中可看出，本实施例下所获得合金致密度最高，其致密化程度达95.1％。
图4为本实施例铜锡合金组织与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)铜锡合金的硬度对比图，从图中可看到该实施例下制备出的合金硬度值可达85.7HB。
图5为本实施例铜锡合金组织与其它Sn含量(11wt％、13wt％及16wt％)铜锡合金的电导率对比图，从图中可看到该实施例下制备出的合金可达7.93％IACS。
实施例4
一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：16％锡粉，0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，将混合粉末放入Φ21模具通过模压成型，形成Φ21x60mm高的坯体，将坯体放入高纯石墨坩埚进行真空烧结，为防止合金氧化，向烧结炉中通入H2，加热至950℃后保温30min；
步骤3，为防止过多杂质影响后续熔炼过程，将步骤2得到的烧结体进行表面处理，具体表面处理过程为：将铜锡合金烧结体先用10％硝酸酒精进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体及高纯石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，向炉中先抽真空，再通入Ar，当加热至合金呈熔融态时，保温10min，得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金，致密度可达92.4％以上，硬度可达75.5HB，电导率可达6.72％IACS。
实施例5
一种细晶粒铜锡合金，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：16％锡粉，0.3％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，将混合粉末放入Φ21模具通过模压成型，形成Φ21x60mm高的坯体，将坯体放入高纯石墨坩埚进行真空烧结，为防止合金氧化，向烧结炉中通入H2，加热至1100℃后保温30min；
步骤3，为防止过多杂质影响后续熔炼过程，将步骤2得到的烧结体进行表面处理，具体表面处理过程为：将铜锡合金烧结体先用10％硝酸酒精进行酸洗后再用酒精清洗；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体及高纯石墨坩埚放入真空感应熔炼炉中，向炉中先抽真空，再通入Ar，当加热至合金呈熔融态时，保温13min，得到晶粒细化、组织均匀的铜锡合金，致密度可达91.5％以上，硬度可达70.5HB，电导率可达5.52％IACS。
本发明一种细晶粒铜锡合金有如下优点：晶粒细化、组织均匀；
本发明一种细晶粒铜锡合金的制备方法有如下优点：先进行真空烧结，使经过压制完的坯体中Sn(锡)通过固态扩散进入Cu(铜)基体中，Sn颗粒与Cu颗粒形成良好的粘接性，形成合金化组织；将烧结体进行处理是为防止烧结过程中出现杂质影响后续熔炼过程的纯度，对最终合金组织产生一定的影响；烧结出的合金致密度较高部分具有较高的研究价值；采用真空感应熔炼，添加Ti(钛)，对烧结体实现快速凝固及电磁搅拌，快速凝固形成极大的过冷度，促进晶核生长，得到细小的树枝晶；同时，在电磁搅拌的作用下，使形核均匀，极大地抑制Sn的反偏析；两者同时可减轻铜锡合金熔体的微观不均匀性及使Sn更多的溶入Cu晶格中，在一定程度上提高固溶度，形成固溶强化，从而获得晶粒细化组织均匀的铜锡合金；其致密度可达95％以上，硬度可达85.7HB，电导率可达7.9％IACS以上。

Claims (5)

1.一种细晶粒铜锡合金，其特征在于，按照质量百分比包括以下原料组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％。
2.一种细晶粒铜锡合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照质量百分比称取以下组分：10％-16％锡粉，0.1％-0.5％钛粉，余量为铜粉，上述各组份质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的各组份混合，进行模压压制，烧结，然后保温得到烧结体；
步骤3，将步骤2得到的烧结体进行表面处理；
步骤4，将经过步骤3处理后的烧结体进行感应熔炼，使合金化的烧结体加热至熔融态，保温，搅拌，快速冷却，得到细晶粒铜锡合金。
3.根据权利要求2所述的一种细晶粒铜锡合金的制备方法，其特征在于，步骤2中，烧结温度为：800℃～1100℃；保温时间为：10min～30min。
4.根据权利要求2所述的一种细晶粒铜锡合金的制备方法，其特征在于，步骤3中，表面处理的过程为：用10wt％硝酸酒精对烧结体进行酸洗后再用酒精清洗。
5.根据权利要求2所述的一种细晶粒铜锡合金的制备方法，其特征在于，步骤4中，整个感应熔炼过程在Ar保护气氛下完成，保温时间为10min～13min。
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