CN109518035A - 无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无带状组织的定向凝固Cu‑Cr合金的制备方法和应用，具体按照以下步骤进行：首先进行中频感应熔炼铸造；再挤压拉拔变形制备出合金杆材；退火炉中进行均匀化退火，退火处理后进行水淬；水淬后进行表面去氧化酸洗，放入定向凝固炉中进行定向凝固，制备无带状组织的定向凝固合金杆材。本发明在不影响定向凝固组织性能的前提下，能够明显消除定向凝固中因溶质偏析而产生的带状组织，适用于不同成分的Cu‑Cr合金，具有很好的通用性和有效性，较易获得具有连续柱状晶组织的Cu‑Cr合金。
Description
技术领域
本发明属于有色金属金属新材料制备技术领域，特别是涉及一种无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法和应用。
背景技术
定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术。定向凝固技术由于在凝固过程中可较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除了横向晶界，提高了材料的纵向力学性能，被广泛应用于高温合金、磁性材料、单晶生长、自生复合材料、类单晶金属间化合物、形状记忆合金等领域。
随着定向凝固技术的应用，人们在Cu-Cr合金定向凝固过程中发现了许多异常的组织，最典型的就是带状组织。带状组织是不同相或同一相不同形态在凝固过程中沿着与固液界面平行的方向周期性交替生长形成的显微组织。带状组织会使Cu-Cr合金凝固组织的完整性受到破坏，造成Cu-Cr合金性能下降和非一致性，因此在凝固过程中要尽可能控制和避免带状组织的出现。
目前，国内许多研究者对Cu-Cr定向凝固带状组织的形成机制进行了研究，从实验和理论两方面阐明了带状组织的产生与合金定向凝固界面前沿的溶质分布有关，并建立了相应的理论模型，但实际中影响Cu-Cr合金定向凝固带状组织的产生原因很复杂，并没有行之有效的带状组织的消除方法。带状组织在定向凝固非稳态凝固过程中的形成机制不是很明确，也就无法消除定向凝固过程中的带状组织。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，解决了现有技术中带状组织会使Cu-Cr合金凝固组织的完整性受到破坏，造成Cu-Cr合金性能下降和非一致性的问题。
本发明的另一目的在于提供一种无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金在定向凝固中的应用。
本发明所采用的技术方案是，无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一、将称取好的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1250~1400℃熔炼，温度过低融化时间慢且融化时间增长增加烧损，温度过高也使得Cr的过量烧损超过误差计算，将熔体温度降至1100~1250℃进行铸造，制备得到铸锭，浇铸温度过高引起砂型涨大，温度过低使得合金组织形成缺陷；
步骤二、采用挤压机将铸锭挤压成合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出合金杆材，挤压过后的棒材尺寸符合定向凝固实验的要求，冷拉拔过后的材料组织致密，表面光滑；挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；
步骤三、将合金杆材置于惰性气体保护的退火炉中进行均匀化退火，退火处理后进行水淬；
步骤四、将淬火后的合金杆材进行表面去氧化酸洗，放入定向凝固炉中的陶瓷管中；
步骤五、开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数，调节中频感应加热系统升温然后静置保温，开启抽拉系统，并设定拉伸速率，制备出无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金。
进一步的，所述步骤一中，铜、Cu-Cr合金中的Cr的质量分数为0.2-8%，铜为纯度为99.99%的阴极铜，铜、Cu-Cr合金中的Cr的质量分数越大越容易烧损，且熔炼温度越加不好控制，以Cr质量分数占0.2～8％的铜、Cu-Cr合金的形式加入使得Cr溶质有充分时间空间能够扩散均匀，减少铸锭的偏析。
进一步的，所述步骤三中退火温度为850~980℃，保温时间为1~4小时，均匀化退火温度、时间低于范围会使得合金杆材内部枝晶偏析的情况得不到改善，影响后续定向凝固制备；均匀化退火温度、时间高于范围易引起组织过烧，且晶粒容易长大；
进一步的，所述步骤五中定向凝固系统真空度为0.1~1Pa，循环冷却水量为100~1000L/h，冷却水温20~25℃，温度梯度为200~800K/cm，惰性气体压力为0.04~0.06 MPa，真空度过小有过量空气残余从而发生氧化反应，冷却水量以及水温的精准控制对于定向凝固过程中的温度梯度高低起着直接的调控，温度梯度过高或过低使得Cu-Cr合金在凝固过程中共晶组织的耦合生长遭到破坏，从而导致带状组织的形成，惰性气体气压过小使得合金发生氧化，过大造成成本浪费。
进一步的，所述步骤五中频感应加热系统的升温速率为15~30℃/min，升温至1250~1400℃，静置保温10~30min，升温速率高于范围会导致溶质原子没有充分的时间来进行内部上下扩散均匀，由于重力等因素导致的样品内元素偏析的情况得不到改善，升温速率过慢耗费过量时间，升温至1250~1400℃，静置保温10~30min，保温温度低于1250℃，定向凝固抽拉容易出现不连续凝固组织，过高则会使固液界面处不稳定，影响定向凝固组织的生成；保温时间过低会导致大气熔炼的原料中氧化夹杂物没有充分的时间上浮，不能够保证定向凝固试样充分冶金反应的进行，从而影响定向凝固试样制备的质量，保温时间过长净化效果明显放缓，耗时过长收益太小。
进一步的，所述步骤五中拉伸速率30~100μm/s，拉伸速率低于30μm/s或高于100μm/s均有明显的带状组织出现。
本发明所采用的另一种技术方案是，无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金在定向凝固中的应用。
带状组织的形成主要是原因是在原料的成分设计不合理并且在制备过程中方法的不妥当导致原材料质量不满足要求，形成的主要原因是定向凝固制备过程中Cr溶质的偏析，并且由于各项定向凝固条件参数的设置导致合金组织的稳定、耦合生长遭到破坏，造成元素的偏析从而形成带状组织。
本发明的有益效果是，本发明既能有效的抑制带状组织的形成，又不改变Cu-Cr合金纵向柱状晶组织，实现了Cu-Cr合金定向凝固带状组织的调控，使Cu-Cr合金的综合性能得到了进一步的提升。本发明制备的Cu-Cr合金具有组织均匀、热稳定性高、相界面结合牢固、强度高、导电性好的优点。在不影响定向凝固组织性能的前提下，明显减弱了Cr元素的偏析行为，消除定向凝固中因溶质偏析而产生的带状组织，得到组织均匀连续整齐定向排列的柱状晶组织的Cu-Cr合金线材；对于成分不同的Cu-Cr合金，采用本发明均能够有效地抑制或消除带状组织的产生，表明本发明在生产过程具有通用性和有效性。利用本发明制备的Cu-Cr合金线材具有很高的抗拉强度和良好的导电率，在框架引线和接触线领域具有广阔的应用前景。通过大量的验证性实验对定向凝固中的带状组织的形成机制进行了理论分析，找出了影响带状组织形成的原因，提出了切实可行的带状组织消除方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是一般定向凝固方法制备的Cu-Cr合金组织图。
图2是本发明实施例1制得的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金图。
图3是本发明实施例2制得的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金图。
图4是本发明实施例3制得的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金图。
图5是本发明实施例4制得的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金图。
图6是本发明实施例5制得的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金图。
图7是本发明实施例2与一般方法所得到的定向凝固试样的导电性能对比图。
图8是本发明实施例2与一般方法所得到的定向凝固试样的抗拉伸强度对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一般方法具体指没有对原材料进行预处理，并且在定向凝固过程中没有进行过多的条件上的调控以保证合金组织均匀生长，《连续定向凝固技术制备Cu-Ag、Cu-Cr合金线材及其组织和性能的研究》和《定向凝固Cu-Cr亚共晶合金初始过渡区组织演化和相选择》得到的Cu-Cr合金组织如图1所示，图中具有明显的带状组织。
实施例1
将称取好的Cr为铜、Cu-Cr合金总质量的0.2%的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1250℃熔炼，将熔体温度降至1100℃进行铸造，铸锭尺寸为φ80mm；采用挤压机将铸锭挤压成φ16mm合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出φ11mm的合金杆材，挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；将合金杆材置于氩气保护的退火炉中进行均匀化退火，退火温度设为850℃，保温时间为4小时，退火处理后对进行水淬；将合金杆材酸洗后放入定向凝固炉中的陶瓷管中，开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数：定向凝固系统真空度为0.1Pa，循环冷却水量为100L/h，冷却水温20℃，温度梯度为200K/cm，氩气保护气体压力为0.04 MPa，调节中频感应加热系统的升温速率为15℃/min，升温至1250℃，静置保温10min，开启抽拉系统，拉伸速率30μm/s，制备出φ12mm无带状组织的定向凝固合金杆材，如图2所示，图2（a）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的横截面图，图2（b）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的纵截面图，由图2能够看出制备的组织均匀整齐，没有明显的带状偏析现象。
实施例2
将称取好的Cr为铜、Cu-Cr合金总质量的0.8%的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1300℃熔炼，将熔体温度降至1150℃进行铸造，铸锭尺寸为φ80mm；采用挤压机将铸锭挤压成φ16mm合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出φ11mm的合金杆材，挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；将合金杆材置于氩气保护的退火炉中进行均匀化退火，退火温度设为900℃，保温时间为3小时，退火处理后对进行水淬；将合金杆材酸洗后放入定向凝固炉中的陶瓷管中，开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数：定向凝固系统真空度为0.3Pa，循环冷却水量为300L/h，冷却水温23℃，温度梯度为400K/cm，氩气保护气体压力为0.05 MPa，调节中频感应加热系统的升温速率为20℃/min，升温至1300℃，静置保温15min，开启抽拉系统，拉伸速率50μm/s，制备出φ12mm无带状组织的定向凝固合金杆材，如图3所示，图3（a）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的横截面图，图3（b）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的纵截面图，由图3（a）看出为典型的柱状晶组织，图3中的定向凝固组织消除了横向晶界，得到了择优取向的组织，且柱状晶大小均匀，晶间距离保持一致，柱状晶连续修长，不存在带状组织的偏析现象，试样沿定向凝固生长方向上的力学性能得到了进一步的提高。
实施例3
将称取好的Cr为铜、Cu-Cr合金总质量的1.5%的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1350℃熔炼，将熔体温度降至1200℃进行铸造，铸锭尺寸为φ80mm；采用挤压机将铸锭挤压成φ16mm合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出φ11mm的合金杆材，挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；将合金杆材置于氩气保护的退火炉中进行均匀化退火，退火温度设为950℃，保温时间为2小时，退火处理后对进行水淬；将合金杆材酸洗后放入定向凝固炉中的陶瓷管中，开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数：定向凝固系统真空度为0.5Pa，循环冷却水量为500L/h，冷却水温23℃，温度梯度为500K/cm，氩气保护气体压力为0.04 MPa，调节中频感应加热系统的升温速率为25℃/min，升温至1350℃，静置保温20min，开启抽拉系统，拉伸速率60μm/s，制备出φ12mm无带状组织的定向凝固合金杆材，如图4所示，图4（a）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的横截面图，图4（b）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的纵截面图，由图4能够看出制备的组织均匀整齐，没有明显的带状偏析现象。
实施例4
将称取好的Cr为铜、Cu-Cr合金总质量的5%的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1400℃熔炼，将熔体温度降至1250℃进行铸造，铸锭尺寸为φ80mm；采用挤压机将铸锭挤压成φ16mm合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出φ11mm的合金杆材，挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；将合金杆材置于氩气保护的退火炉中进行均匀化退火，退火温度设为980℃，保温时间为1小时，退火处理后对进行水淬；将合金杆材酸洗后放入定向凝固炉中的陶瓷管中，开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数：定向凝固系统真空度为0.8Pa，循环冷却水量为800L/h，冷却水温23℃，温度梯度为600K/cm，氩气保护气体压力为0.06 MPa，调节中频感应加热系统的升温速率为30℃/min，升温至1400℃，静置保温25min，开启抽拉系统，拉伸速率80μm/s，制备出φ12mm无带状组织的定向凝固合金杆材，如图5所示，图5（a）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的横截面图，图5（b）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的纵截面图，由图5能够看出制备的组织均匀整齐，没有明显的带状偏析现象。
实施例5
将称取好的Cr为铜、Cu-Cr合金总质量的8%的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1350℃熔炼，将熔体温度降至1200℃进行铸造，铸锭尺寸为φ80mm；采用挤压机将铸锭挤压成φ16mm合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出φ11mm的合金杆材，挤压机的电机功率为150KW、挤压力为5000KN、挤压速度为25mm/s、预热功率为12KW，拉拔机的转速为1480r/min、功率为87KW、电压为880V、传动比为40.17；将合金杆材置于氩气保护的退火炉中进行均匀化退火，退火温度设为950℃，保温时间为2小时，退火处理后对进行水淬；将合金杆材酸洗后放入定向凝固炉中的陶瓷管中，开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数：定向凝固系统真空度为1.0Pa，循环冷却水量为1000L/h，冷却水温23℃，温度梯度为800K/cm，氩气保护气体压力为0.06 MPa，调节中频感应加热系统的升温速率为25℃/min，升温至1300℃，静置保温30min，开启抽拉系统，拉伸速率100μm/s，制备出φ12mm无带状组织的定向凝固合金杆材，如图6所示，图6（a）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的横截面图，图6（b）为无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的纵截面图，由图6能够看出制备的组织均匀整齐，没有明显的带状偏析现象。
实施例1-5得到的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金都比一般方法得到的定向凝固试样要好，组织更加均匀整齐，没有明显的带状偏析现象。
通过图7和图8通过对比能够看到采用本发明实施例2制得的样品在导电率和抗拉强度上都要明显高于一般方法所指制得的样品，这都得益于采用本发明制得的样品从组织上显著改善了微观偏析的情况，消除了带状组织，从而综合性能得到了提高。
本发明通过对原料成分进行合理范围控制，通过改善原料的制备方法并进行均匀化前处理，以及调整了定向凝固过程中的各项参数，从而使得Cr溶质在定向凝固生长过程中所发生的共晶反应更趋向于耦合生长，不存在明显的组织偏析情况，初生相更加均匀定向生长，共晶组织定向细小均匀的分布于初生相晶间，因此制备的Cu-Cr合金组织均匀、热稳定性高、相界面结合牢固。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一、将称取好的铜、Cu-Cr合金依次放入中频感应炉在1250~1400℃熔炼，将熔体温度降至1100~1250℃进行铸造，制备得到铸锭；
步骤二、采用挤压机将铸锭挤压成合金棒材，再经过冷拉拔变形制备出合金杆材；
步骤三、将合金杆材置于惰性气体保护的退火炉中进行均匀化退火，退火处理后进行水淬；
步骤四、将淬火后的合金杆材进行表面去氧化酸洗，放入定向凝固炉中的陶瓷管中；
步骤五、开启定向凝固熔炼系统，调整熔炼参数，调节中频感应加热系统升温然后静置保温，开启抽拉系统，并设定拉伸速率，制备出无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金。
2.根据权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，铜、Cu-Cr合金中的Cr的质量分数为0.2-8%，铜为纯度为99.99%的阴极铜。
3.根据权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，所述步骤三中退火温度为850~980℃，保温时间为1~4小时。
4.根据权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，定向凝固系统真空度为0.1~1Pa，循环冷却水量为100~1000L/h，冷却水温20~25℃，温度梯度为200~800K/cm，惰性气体压力为0.04~0.06MPa。
5.根据权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，所述步骤五中频感应加热系统的升温速率为15~30℃/min，升温至1250~1400℃，静置保温10~30min。
6.根据权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金的制备方法，其特征在于，所述步骤五中拉伸速率30~100μm/s。
7.如权利要求1所述的无带状组织的定向凝固Cu-Cr合金在定向凝固中的应用。
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