CN112048654A - 一种高Cr含量CuCrZr中间合金及其磁悬浮熔炼生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高Cr含量CuCrZr中间合金及其磁悬浮熔炼生产方法，该中间合金可直接用于铬锆铜系列铜合金的生产，如：C18150铬锆铜、QCr0.5‑0.2‑0.1铬锆铜等。该中间合金同时含有Cu、Cr和Zr三种合金元素，并且Cr元素的质量百分比在30～50wt.％之间，Cr元素与Zr元素的质量比在1:1到10:1的范围内，余量为铜和不可避免的杂质。使用冷坩埚磁悬浮熔炼技术，可一次熔炼出成分均匀的CuCrZr三元中间合金，该中间合金可用于铬锆铜合金生产时Cr和Zr元素的同时添加，缩短铬锆铜合金熔炼生产流程。

Description

一种高Cr含量CuCrZr中间合金及其磁悬浮熔炼生产方法
技术领域
本发明涉及一种高Cr含量CuCrZr中间合金及其磁悬浮熔炼生产方法。更具体而言，本发明涉及一种用于简化铬锆铜类高端合金生产流程的合金元素添加剂，以及此种合金添加剂的磁悬浮短流程生产方法。
背景技术
铬锆铜系合金是轨道交通、电子信息、工业模具等高新技术领域需求的最重要材料之一。铬锆铜系合金以其高强韧高导电性的特点，吸引了国内外科研机构和工程领域的大量关注，是近年来铜合金领域的研究热点。目前，铬锆铜作为新型铜合金材料已经在电阻焊、电火花成型及模具行业广泛应用。随着我国高铁行业的快速发展，铬锆铜被作为新型高铁接触线的潜在应用材料，对其熔炼和成型加工技术提出了更高的技术要求。从全球范围角度来看，铬锆铜合金工业化生产关键问题仍是熔炼技术。由于Cr、Zr元素密度比Cu小，并且与氧亲和力较大，因此在熔炼铬锆铜合金时如果直接添加Cr和Zr元素，元素会浮于铜液表面快速烧损，而采用真空熔炼方法来进行实际生产其生产制备成本太高，实现连续生产、大长度产品难度相当大。如何解决铬锆铜合金的大气熔炼问题，在世界范围内均是铜合金生产企业的重要研究课题。
目前，CuCr和CuZr中间合金是用于生产铬锆铜的重要合金原料，CuCr商业中间合金的Cr含量通常仅在10％以内，而CuZr商业中间合金的Zr含量可达40％，但是目前国内和进口的铬锆铜合金，Cr含量通常为Zr含量的1倍到10倍之间，如果可以开发出高Cr低Zr的CuCrZr三元中间合金，可以直接用于铬锆铜的合金化使用，简化熔炼流程，提高铬锆铜生产效率。但Cr元素含量在30％以上的CuCr合金目前仍难以工业化大批量生产。一方面，高Cr含量的CuCr合金需要更高的熔炼温度，导致高温下无机耐火材料分解，极易污染CuCr合金熔体；另一方面，Cr元素含量增加后容易在CuCr合金中偏析，难以均匀分布。因此，如果能解决高Cr含量的CuCr合金熔炼问题，便可开发出可直接用于铬锆铜合金化的CuCrZr三元中间合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种高Cr含量CuCrZr中间合金及其磁悬浮熔炼生产方法，在实现铸锭快速凝固的同时，还可避免污染，能保证合金熔体纯净度。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种高Cr含量CuCrZr中间合金，该中间合金同时含有Cu、Cr和Zr三种合金元素，并且Cr元素的质量百分比在25～50wt.％之间，Cr元素与Zr元素的质量比在1:1到10:1的范围内，余量为铜和不可避免的杂质。
本发明的高Cr含量CuCrZr中间合金的磁悬浮熔炼方法为：
选取合适的熔炼原料，合金原料均为金属单质，其中金属Cr和Zr的原料尺寸在5-15mm范围内，Cu的原料尺寸在40-60mm范围内；
如炉料有表面氧化，需要对炉料进行酸洗烘干；烘干后按照所需的合金化学组成进行原料配比，炉料均匀混合后一次性加入水冷铜坩埚中，采用磁悬浮冷坩埚感应熔铸方法熔炼高Cr含量CuCrZr中间合金，熔炼温度在1600℃～1900℃之间，熔炼过程使用氩气进行保护。合金熔体经电磁搅拌均匀后，合金熔体在水冷铜坩埚内随炉底逐渐下降离开熔炼区，离开熔炼区的合金熔体快速层凝，待凝固结束即可从结晶器炉底上取下高Cr含量CuCrZr中间合金铸锭。
高Cr含量CuCrZr三元中间合金，并通过磁悬浮熔炼技术将高含量的Cr元素熔入铜合金，同时加入易于氧化的Zr元素，并且通过控制Cr和Zr元素的质量比可以直接获得用于生产某些具体牌号的中间合金，例如：Cr:Zr质量比为6:1的中间合金可以用来生产进口牌号的C18150合金；Cr:Zr质量比为2.5:1的中间合金可以用来生产QCr0.5-0.2-0.1牌号合金；Cr:Zr质量比为1.5:1的中间合金可以用来生产QCr0.6-0.4-0.05牌号铬锆铜合金。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的高Cr含量CuCrZr中间合金熔体具有更高的元素含量，并且Cr和Zr元素根据后续生产铬锆铜的合金成分预先进行了成分设计，从而简化了铬锆铜生产过程中要多次加入中间合金的操作流程，避免了多次添加合金元素对熔体的二次污染；
2.成分洁净，组织均匀细小。因使用冷坩埚磁悬浮感应熔炼技术，避免了传统无机耐火材料坩埚的熔体污染，并且熔炼过程搅拌充分，熔体在铜坩埚内快速冷却，凝固组织不但细小均匀，而且属于非平衡状态，后续作为合金添加剂使用时熔化较快；
3.降低生产成本。传统的中间合金需要分别制备CuCr和CuZr中间合金，并且CuCr中间合金中的Cr元素含量通常低于10％，所以生产铬锆铜产品前，要大量制备CuCr和CuZr中间合金，而本发明可以通过使用单质金属单次熔炼即可一次性制备出用于添加的高Cr含量CuCrZr三元中间，相比传统工艺大大缩短了工艺流程，并降低了能源消耗。
附图说明
图1是本发明涉及合金的磁悬浮熔炼工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施案例1：
一种高Cr含量CuCrZr三元中间合金的生产工艺，包括以下步骤：
(1)合金配料：以生产C18150铬锆铜合金为例，C18450合金中的Cr:Zr质量比为6:1左右。选取炉料尺寸适中的金属原料，配料前酸洗烘干，然后配比10kg的CuCrZr三元中间合金，其中Cr:Zr质量比为6:1，电解铜5.8kg，Cr颗粒3.6kg，Zr颗粒0.6kg。
(2)磁悬浮熔炼：炉料均匀混合后一次性加入水冷铜坩埚中，采用磁悬浮冷坩埚感应熔铸方法熔炼高Cr含量CuCrZr中间合金，熔炼温度在1820℃～1900℃之间，熔炼过程全程使用氩气进行保护。
(3)拉制铸锭：合金元素充分熔化后，降低电源频率，对熔体进行电磁搅拌均匀后，同时合金熔体在水冷铜坩埚内随炉底逐渐下降离开熔炼区，对离开熔炼区的合金熔体进行气体冷却，铸锭内部发生快速层凝，直至合金铸锭全部离开线圈的熔炼区域后，降至室温即可从结晶器炉底上取下CuCrZr中间合金铸锭。
(4)成分测试：从铸锭心部和外部分别取样进行成分测试，Cr元素含量在35.6～35.9％之间，Zr元素含量在5.5～5.8％之间。
实施案例2：
一种高Cr含量CuCrZr三元中间合金的生产工艺，包括以下步骤：
(1)合金配料：以生产QCr0.5-0.2-0.1铬锆铜合金为例，QCr0.5-0.2-0.1合金中的Cr:Zr质量比为2.5:1左右。选取炉料尺寸适中的金属原料，配料前酸洗烘干，然后配比10kg的CuCrZr三元中间合金，其中Cr:Zr质量比为6:1，电解铜5.8kg，Cr颗粒3.0kg，Zr颗粒1.2kg。
(2)磁悬浮熔炼：炉料均匀混合后一次性加入水冷铜坩埚中，采用磁悬浮冷坩埚感应熔铸方法熔炼高Cr含量CuCrZr中间合金，熔炼温度在1820℃～1900℃之间，熔炼过程全程使用氩气进行保护。
(3)拉制铸锭：合金元素充分熔化后，降低电源频率，对熔体进行电磁搅拌均匀后，同时合金熔体在水冷铜坩埚内随炉底逐渐下降离开熔炼区，对离开熔炼区的合金熔体进行气体冷却，铸锭内部发生快速层凝，直至合金铸锭全部离开线圈的熔炼区域后，降至室温即可从结晶器炉底上取下CuCrZr中间合金铸锭。
(4)成分测试：从铸锭心部和外部分别取样进行成分测试，Cr元素含量在29.4～29.8％之间，Zr元素含量在11.4～11.7％之间。
实施案例3：
一种高Cr含量CuCrZr三元中间合金的生产工艺，包括以下步骤：
(1)合金配料：以生产QCr0.6-0.4-0.05铬锆铜合金为例，QCr0.6-0.4-0.05合金中的Cr:Zr质量比为1.5:1左右。选取炉料尺寸适中的金属原料，配料前酸洗烘干，然后配比10kg的CuCrZr三元中间合金，其中Cr:Zr质量比为6:1，电解铜5.0kg，Cr颗粒3.0kg，Zr颗粒2.0kg。
(2)磁悬浮熔炼：炉料均匀混合后一次性加入水冷铜坩埚中，采用磁悬浮冷坩埚感应熔铸方法熔炼高Cr含量CuCrZr中间合金，熔炼温度在1820℃～1900℃之间，熔炼过程全程使用氩气进行保护。
(3)拉制铸锭：合金元素充分熔化后，降低电源频率，对熔体进行电磁搅拌均匀后，同时合金熔体在水冷铜坩埚内随炉底逐渐下降离开熔炼区，对离开熔炼区的合金熔体进行气体冷却，铸锭内部发生快速层凝，直至合金铸锭全部离开线圈的熔炼区域后，降至室温即可从结晶器炉底上取下CuCrZr中间合金铸锭。
(4)成分测试：从铸锭心部和外部分别取样进行成分测试，Cr元素含量在29.4～29.7％之间，Zr元素含量在19.3～19.6％之间。
以上所述仅为本发明的一种较佳实现方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则范围内所做的非根本性修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高Cr含量CuCrZr中间合金，其特征在于该中间合金同时含有Cu、Cr、Zr三种合金元素，并且Cr元素的质量百分比在25～50wt.％之间，Cr元素与Zr元素的质量比在1:1到10:1的范围内，余量为铜和不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述的高Cr含量CuCrZr中间合金的磁悬浮熔炼方法，其特征在于进行原材料准备及配料，炉料均匀混合后一次性加入带有水冷装置的铜坩埚中，采用磁悬浮冷坩埚感应熔铸方法熔炼高含量CuCrZr中间合金，熔炼温度在1600℃～1900℃之间，熔炼过程使用氩气进行保护，合金熔体经电磁搅拌均匀后，合金熔体在水冷铜坩埚内随炉底逐渐下降，直至离开线圈熔炼区，对离开熔炼区的铸锭进行气体冷却，实现铸锭内部的快速层凝，待铸锭凝固过程完全结束后即可从结晶器炉底上取下高含量CuCrZr中间合金铸锭。
3.根据权利要求2所述的一种高Cr含量CuCrZr中间合金的磁悬浮熔炼方法，其特征在于合金原料均为金属单质，其中金属Cr和Zr的原料尺寸在5-15mm范围内，Cu的原料尺寸在40-60mm范围内。
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