CN108842091A - 一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用磁场/超声场耦合制备Cu‑Cr合金的方法，它是通过配料、熔炼、浇铸或连铸、磁场和超声场控制凝固得到，即：通过调控凝固组织，促进析出来获得Cu‑Cr合金。本发明的优点在于：（1）在凝固过程中同时施加磁场和超声场，控制Cu‑Cr合金凝固，极其明显的细化Cr枝晶，减小Cr偏析，使材料经后续冷变形加工后在基体中弥散分布均匀细小的Cr纤维相，大幅度提高材料的强度；（2）在凝固过程中施加磁场和超声场，有利于促进Cr原子析出，降低Cu基体中固溶Cr原子含量，促使析出相弥散分布，从而大幅度提高材料的导电率，进一步提高材料的强度；（3）制备工艺简单、成本低，在铸造阶段提高了材料的综合性能，降低了材料后续加工成型过程中的工艺复杂度和成本。

Description

一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料的制造方法，尤其是涉及一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法。
背景技术
高强高导电铜材料是一类具有优良物理性能和力学性能的功能材料，它不仅继承了铜优良的导电、导热性能，同时具有较高的强度和良好的塑性，在以集成电路引线框架、电气化铁路接触网、大型发电机转子、电阻焊电极等为代表的电子、交通、冶金工程、能源等领域有着广泛的应用前景。基于现代科技发展对铜基材料不断提出的新要求，美、日、德等国在高强高导电铜合金研究领域开展了大量的相关工作，已开发出众多系列产品并实现商业化应用。我国在高性能铜基材料领域的研究起步较晚，很多研究工作仍处于试验阶段，大多数还未形成产业化规模，目前高性能铜材料仍大部分依赖于进口。
20世纪70年代末，Bevk等在研究超导合金时发现，利用原位凝固制备获得的Cu-Nb合金，经大应变量拉拔变形后形成Nb纤维在Cu基体上排列分布的结构，材料抗拉强度和导电率可分别达到2.23GPa和近60%"IACS" 。鉴于这种具有纤维结构的材料是通过原位凝固/变形工艺形成的，故称作形变原位复合材料，其相比传统Cu基合金最大的优点是兼具优良的力学性能和导电性能的匹配。研究发现，适合制备Cu基形变原位复合材料的合金元素应具备以下两点：（1）室温下在铜中的固溶度极低，对铜基体的导电性能影响较小；（2）具有良好的塑性，强化相主要为体心立方结构的过渡族金属如Cr、W、Mo、V、Fe或面心立方结构的Ag等。复合材料中增强相的体积分数通常不高于20%，纤维在基体中呈分散排列，以保证材料具有较好的导热导电性能。现阶段形变Cu基原位复合材料的研究取得的研究成果主要集中在Cu-Nb和Cu-Ag合金。然而，这些合金或制备工艺复杂（Nb的熔点高达2648℃且Cu-Nb合金存在较大的液相不混溶间隙），或原材料价格昂贵（Ag），极大限制了这类材料的工业规模制备及应用。相比之下，Cu-Cr原位复合材料的原材料成本较低，母合金制备方便（液相不混溶间隙较小），同时Cr的剪切模量高，形变Cr纤维对Cu基体具有极好的强化作用。因此，在工业规模制备方面Cu-Cr原位复合材料更具潜力，并在诸多领域具有较好的应用前景。
Cu-Cr复合材料研究开发的关键在于如何解决第二相纤维的粗大、分布不均以及固溶合金元素原子在铜基体中残留量过高等问题。已有的研究主要是采取两个途径来调控Cu基复合材料的强度和电导率：中间热处理和多元合金化。中间热处理作为变形过程中的调控手段可以增加过渡族元素的析出，但这无疑使制备工艺复杂化，导致制造成本上升，同时中间热处理还会引起基体回复与纤维粗化行为，降低材料的抗拉强度。而多元合金化在提高强度的同时往往引起电导率下降，Ag虽然能综合改善材料的强度和电导率，但将大幅增加原材料的成本。由此可见，目前虽然以上两种途径在实验室中均能改善Cu基复合材料的强度和导电综合性能，但为了在工业中应用发展，研究开发新材料、新方法、技术势在必行。
前期研究中通过在交流磁场下进行Cu-Cr合金凝固实验发现，磁场在凝固组织方面能够细化和球化初生Cr枝晶，促进Cr相的均匀分布；在溶质分布方面能够有效降低Cu基体中Cr元素的含量，从而明显改善材料的强度和电导率。但交流磁场的单独应用存在磁感应强度较低，细化效果不突出，凝固时间较长易引起晶粒长大等问题。超声场独特的声空化和声流作用能够改变熔体形核率与晶粒生长速率，细化晶粒、使组织均匀、除气和除渣，在合金的凝固过程中起到有效消除铸造缺陷、改善成分偏析的作用。根据电磁场和超声场所具有的特点，将二者结合起来使用，一方面电磁场的宏观强制对流效应可以帮助超声场克服其作用范围有限的缺点，另一方面，超声场的爆发生核作用也可以强化电磁场对组织的细化效果，对铸坯的凝固组织细化、溶质分布带来显著的影响。
发明内容
针对现有制备Cu-Cr形变原位复合材料出现的问题，本发明的目的在于提供一种利用磁场和超声场耦合处理制备Cu-Cr合金的方法，此方法工艺简单、成本低，在铸造阶段即可制备出综合性能良好的合金铸坯，有利于材料在后续加工成型过程中获得强度和电导率俱优的复合材料。
本发明的目的是这样实现的：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，特征是：具体步骤如下：
A、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：5~18，锆：0.001~0.500，银：0.01~2.00，稀土：0.001~1.000，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、稀土金属或含稀土合金混合，得到配料；
B、熔炼：将配好的配料放入中频感应炉或其它熔炼炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化；
C、浇铸或连铸：将熔融的合金熔体浇入预热的砂型结晶器、石墨结晶器或其它材质结晶器内得到浇铸铸锭，或在连铸机上得到连铸铸锭；
D、磁场/超声场控制凝固：在铸锭的凝固过程中可分别或同时施加磁场强度为0.001-0.3T、频率范围为5-50Hz的交流磁场和功率为0-3kW、频率范围为20-30kHz的超声场，通过控制磁场和超声场的施加影响铸锭的凝固过程直至凝固结束，得到成品Cu-Cr合金。
步骤A中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金。
本发明的Cu-Cr合金是通过配料、熔炼、浇铸或连铸、磁场和超声场控制凝固得到，即：通过调控凝固组织，促进析出来获得Cu-Cr合金。调控凝固组织就是通过磁场和超声场的作用对凝固过程的控制解决初生Cr枝晶粗大、偏析严重问题，使Cr相细小、均匀地分布于铜基体；促进析出是在材料的凝固过程中，通过磁场和超声场的作用使Cr原子以初生Cr相的形式析出，尽可能减少Cu基体中Cr元素的残留量，达到改善电导率的目的。
本发明的优点在于：（1）在凝固过程中同时施加磁场和超声场，控制Cu-Cr合金凝固，能够极其明显细化Cr枝晶，减小Cr偏析，使材料经后续冷变形加工后在基体中弥散分布均匀细小的Cr纤维相，大幅度提高材料的强度；（2）在凝固过程中施加磁场和超声场，有利于促进Cr原子析出，降低Cu基体中固溶Cr原子含量，增加Cr粒子析出数量，减小析出相尺寸，促使析出相弥散分布，从而大幅度提高材料的导电率，进一步提高材料的强度；（3）制备工艺简单、成本低，在铸造阶段提高了材料的综合性能，降低了材料后续加工成型过程中的工艺复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明的工艺流程框图；
图2为磁场/超声场控制凝固示意图（浇铸）；
图3为磁场/超声场控制凝固示意图（连铸）。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：5，锆：0.001，银：0.01，稀土铈：0.001，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、铈金属或含铈合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入中频感应炉中进行熔炼，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化，静置后进行浇铸；
3、浇铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，将熔融的合金熔体浇入预热温度为500℃的石墨结晶器内；
4、磁场/超声场耦合控制凝固：当合金熔体完全浇入结晶器时，同时施加交流磁场（磁场强度0.05T，频率30Hz）和超声场（采用上部导入法, 工具头由上部浸入熔体液面以下10mm进行施振, 超声波功率为1kW，频率为20kHz）。当铸锭中心温度降至固相线以下，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金（如图2所示）。
实施例2：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：18，锆：0.500，银：2.00，稀土镧：0.002，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、镧金属或含镧合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入中频感应炉中，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化，静置后进行浇铸；
3、浇铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，将熔融的合金熔体浇入预热温度为400℃的砂型结晶器内；
4、磁场/超声场控制凝固：当合金熔体完全浇入结晶器后，静置约30秒同时施加交流磁场（磁场强度0.3T，频率16Hz）和超声场（采用侧面导入法, 工具头与结晶器侧面贴合进行施振, 超声波功率为0.3kW，频率为20kHz）。当铸锭中心温度降至固相线以下，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金。
实施例3：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：8，锆：0.100，银：0.50，稀土钇：0.01，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、钇金属或含钇合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入高频感应炉中，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化，静置后进行浇铸；
3、浇铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，将熔融的合金熔体浇入预热温度为600℃的金属结晶器内；
4、磁场/超声场控制凝固：当合金熔体完全浇入结晶器后，先施加交流磁场（磁场强度0.04T，频率40Hz），当熔体温度降至液相线温度以下50℃时，再施加超声场（采用上部导入法,工具头由上部浸入熔体液面以下10 mm进行施振,超声波功率为3kW，频率为30kHz）。当铸锭中心温度降至固相线以下，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金。
实施例4：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：10，锆：0.300，银：1.00，稀土铈：0.06，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、铈金属或含铈合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入下连铸炉中，首先利用中频感应熔炼熔化合金，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化；
3、连铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，采用引锭机构拉铸合金，使熔融的合金形成连铸铸锭；
4、磁场/超声场控制凝固：在铸锭的拉铸过程中同时施加交流磁场（磁场强度0.1T，频率50Hz）和超声场（采用侧面导入法, 工具头与结晶器侧面贴合进行施振, 超声波功率为0.2kW，频率为20kHz）。当熔融合金拉铸完后，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金（如图3所示）。
实施例5：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：15，锆：0.400，银：1.50，稀土钇：0.08，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、钇金属或含钇合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入水平连铸炉中，首先利用中频感应熔炼熔化合金，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化；
3、连铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，采用引锭机构拉铸合金，使熔融的合金形成连铸铸锭；
4、磁场/超声场控制凝固：在铸锭的拉铸过程中同时施加交流磁场（磁场强度0.07T，频率30Hz）和超声场（采用侧面导入法, 工具头与结晶器侧面贴合进行施振, 超声波功率为0.5kW，频率为25kHz）。当熔融合金拉铸完后，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金。
实施例6：
一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，具体步骤如下：
1、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：13，锆：0.400，银：0.70，稀土镧：0.900，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、镧金属或含镧合金混合，得到配料；
2、熔炼：将配好的配料放入下连铸炉中，首先利用中频感应熔炼熔化合金，采用红外测温仪实时测量熔体温度，加热到液相线温度以上约100℃左右保温，以保证原材料充分熔化；
3、连铸：待合金温度降至液相线以上约30℃左右，采用引锭机构拉铸合金，使熔融的合金形成连铸铸锭；
4、磁场/超声场控制凝固：在铸锭的拉铸过程中同时施加交流磁场（磁场强度0.2T，频率20Hz）和超声场（采用侧面导入法, 工具头与结晶器侧面贴合进行施振, 超声波功率为0.3kW，频率为30kHz）。当熔融合金拉铸完后，同时停止磁场和超声场，得到成品Cu-Cr合金。

Claims (2)

1.一种利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，其特征在于：具体步骤如下：
A、配料：Cu-Cr合金的配方按质量百分比计为：铬：5~18，锆：0.001~0.500，银：0.01~2.00，稀土：0.001~1.000，铜：余量；按化学成分要求，将符合配方质量百分比的电解铜、纯铬或含铬合金、纯锆或含锆合金、纯银或含银合金、稀土金属或含稀土合金混合，得到配料；
B、熔炼：将配好的配料放入中频感应炉或其它熔炼炉中，按常规的铜合金冶炼工艺熔化；
C、浇铸或连铸：将熔融的合金熔体浇入预热的砂型结晶器、石墨结晶器或其它材质结晶器内得到浇铸铸锭，或在连铸机上得到连铸铸锭；
D、磁场/超声场控制凝固：在铸锭的凝固过程中可分别或同时施加磁场强度为0.001-0.3T、频率范围为5-50Hz的交流磁场和功率为0-3kW、频率范围为20-30kHz的超声场，通过控制磁场和超声场的施加影响铸锭的凝固过程直至凝固结束，得到成品Cu-Cr合金。
2.根据权利要求1的利用磁场/超声场耦合制备Cu-Cr合金的方法，其特征在于：步骤A中的稀土是指含铈或钇或镧元素的金属或合金。
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Address after: 330012 No. 7777 Changdong Avenue, Nanchang High-tech Zone, Jiangxi Province

Applicant after: Inst. of Applied Physics, Jiangxi Prov. Academy of Sciences

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Applicant before: Inst. of Applied Physics, Jiangxi Prov. Academy of Sciences

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