CN112126804A - 一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,具体按照以下步骤实施:步骤1、将Cu粉和Nb粉使用混料机混合均匀,然后用液压机将混合粉体压制成压坯;步骤2、将Cu块、Cr粒和步骤1得到的Cu‑Nb粉末压坯置于坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu‑Cr‑Nb合金熔体;步骤3、将步骤2得到的Cu‑Cr‑Nb合金熔体浇注到细直径铜模具中,得到Cu‑Cr‑Nb合金棒材;步骤4、将步骤3得到的Cu‑Cr‑Nb合金棒材放入热处理炉中进行时效处理,即得到Cu‑Cr‑Nb合金棒材成品。通过本发明的方法缩短了铜合金制备工艺流程,提高了合金的冷却速率,使得合金的组织得到细化。
Description
技术领域
本发明属于铜合金制备技术领域,涉及一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法。
背景技术
微合金化Cu-Cr-Nb合金是一种具有Cr及Cr2Nb两种析出相的双相强化铜合金,其中Cr2Nb相具有良好的热稳定性,因此该合金具有良好的抗软化性能。采用传统方法熔炼制备的Cu-Cr-Nb合金需要进行高温固溶和时效的热处理工艺才能发挥合金的性能,通过高温固溶处理使溶质原子回溶进Cu基体,在时效过程中析出纳米沉淀相,但是高温固溶处理过程中难免会引起晶粒的长大以及大的Cr2Nb颗粒的形成,且传统方法熔炼的Cu-Cr-Nb合金会在凝固过程中生成大的Cr2Nb颗粒,影响合金的性能。
采用铜模冷却制备的Cu-Cr-Nb合金其冷却速度达到亚快速凝固速度范畴,可以大幅度提高Cr、Nb元素在合金中的固溶度,省去高温固溶处理,避免因晶粒的长大造成合金综合性能的下降,以及大的Cr2Nb颗粒的形成而影响沉淀强化的效果。同时在凝固过程中高的冷却速度可以越过Cr2Nb颗粒的形成温度,避免了在合金基体中生成大的Cr2Nb颗粒。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,解决了现有技术中存在的高温固溶使得晶粒长大造成合金综合性能的下降的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制备Cu-Nb粉末压坯:
将Cu粉和Nb粉使用混料机混合均匀,然后用液压机将混合粉体压制成压坯;
步骤2、熔炼:
将Cu块、Cr粒和步骤1得到的Cu-Nb粉末压坯置于坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu-Cr-Nb合金熔体;
步骤3、浇注:
将步骤2得到的Cu-Cr-Nb合金熔体浇注到细直径铜模具中,得到Cu-Cr-Nb合金棒材;
步骤4、时效处理:
将步骤3得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行时效处理,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粉和Nb粉的粒径均为100~600目。
步骤1中混料机混合时间为1~9h,压制力大小为100~400MPa。
步骤2中Cr粒的粒径为0.1~50mm。
步骤2中Cu块、Cr粒和Cu-Nb粉末压坯按照质量百分比分别为:Cr:0.2~4%,Nb:0.2~2%,余量为Cu,以上组分质量百分比之和为100%。
步骤2中感应炉中真空度大于5×10-3Pa,感应炉温度控制为:首先快速升温至1080~1150℃,保温5~15min,再缓慢升温至1500~1800℃,保温5~30min。
步骤2中坩埚中由下至上依次放置Cu块、Cr粒、Cu块、Cu-Nb粉末压坯、Cu块。
步骤3中细直径铜模具外径为100~300mm,内径为10~20mm。
步骤4中时效处理温度为400~600℃,保温时间为0.5~10小时。
本发明的有益效果是:本发明一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法采用铜模具冷却进一步提升了合金的冷却速度,细化了合金的组织,削弱了网状共晶组织对合金性能的影响,提高了合金元素在基体中的固溶度,省去了高温固溶处理,缩短了工艺流程,且除去了因高温固溶处理造成的晶粒长大等方面的影响,避免了大的Cr2Nb颗粒的生成,直接进行时效处理,在合金基体中析出了细小且弥散分布的Cr及Cr2Nb颗粒,缩短了工艺流程,提高了合金硬度、电导率及抗软化温度等性能。
附图说明
图1是本发明一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法的流程图;
图2是本发明方法熔炼Cu-Cr-Nb合金的原材料放置示意图;
图3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4是不同冷却方式下Cu-Cr-Nb合金的应力-应变曲线;
图5是本发明方法制备的Cu-Cr-Nb合金的软化温度特性曲线。
图中,1.Cu块,2.Cr粒,3.CuNb粉末压坯,4.坩埚。
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。
本发明一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,如图1所示,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制备Cu-Nb粉末压坯:
将粒径均为100~600目的Cu粉和Nb粉使用混料机混合1~9h,然后用液压机将混合粉体压制成压坯,压制力大小为100~400MPa;
步骤2、熔炼:
将Cu块、粒径为0.1~50mm的Cr粒和步骤1得到的Cu-Nb粉末压坯置于坩埚中,坩埚中由下至上依次放置Cu块、Cr粒、Cu块、Cu-Nb粉末压坯、Cu块,如图2所示,在真空感应熔炼炉中进行熔炼,感应炉中真空度大于5×10-3Pa,随后充入少量氩气,感应炉温度控制为:首先快速升温至1080~1150℃,保温5~15min,再缓慢升温至1500~1800℃,保温5~30min,得到Cu-Cr-Nb合金熔体;
Cu块、Cr粒和Cu-Nb粉末压坯按照质量百分比分别为:Cr:0.2~4%,Nb:0.2~2%,余量为Cu,以上组分质量百分比之和为100%;
步骤3、浇注:
将步骤2得到的Cu-Cr-Nb合金熔体浇注到外径为100~300mm,内径为10~20mm的细直径铜模具中,得到Cu-Cr-Nb合金棒材;
步骤4、时效处理:
将步骤3得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行时效处理,时效处理温度为400~600℃,保温时间为0.5~10小时,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
实施例1
将Cu块进行打磨并称量,按Cu-0.4Cr-0.2Nb的比例计算并称量出Cr粒、CuNb粉末压坯,按照图2的装填方式放入坩埚,将真空感应熔炼炉真空度抽到5×10-3Pa以上,抽真空结束后充入少量Ar气作为保护气体,开始熔炼,首先将温度快速升温至1080℃,保温15min,随后将温度缓慢升至1500℃,保温30min,将合金熔体均匀的浇注到外径为100mm,内径为10mm的铜模具中,制得Cu-Cr-Nb合金棒材,将制得的合金棒材在热处理炉中进行时效处理,时效温度为400℃,时间为10h,即得到成品Cu-Cr-Nb合金棒材。
实施例2
将Cu块进行打磨并称量,按Cu-1.0Cr-0.4Nb的比例计算并称量出Cr粒、CuNb粉末压坯,按照图2的装填方式放入坩埚,将真空感应熔炼炉真空度抽到5×10-3Pa以上,抽真空结束后充入少量Ar气作为保护气体,开始熔炼,首先将温度快速升温至1100℃,保温10min,随后将温度缓慢升至1600℃,保温20min,将合金熔体均匀的浇注到外径为150mm,内径为13mm的铜模具中,制得Cu-Cr-Nb合金棒材,将制得的合金棒材在热处理炉中进行时效处理,时效温度为475℃,时间为7h,即得到成品Cu-Cr-Nb合金棒材。
实施例3
将Cu块进行打磨并称量,按Cu-2.0Cr-0.6Nb的比例计算并称量出Cr粒、CuNb粉末压坯,按照图2的装填方式放入坩埚,将真空感应熔炼炉真空度抽到5×10-3Pa以上,抽真空结束后充入少量Ar气作为保护气体,开始熔炼,首先将温度快速升温至1120℃,保温8min,随后将温度缓慢升至1700℃,保温15min,将合金熔体均匀的浇注到外径为100mm,内径为15mm的铜模具中,制得Cu-Cr-Nb合金棒材,将制得的合金棒材在热处理炉中进行时效处理,时效温度为525℃,时间为4h,即得到成品Cu-Cr-Nb合金棒材。
实施例4
将Cu块进行打磨并称量,按Cu-3.0Cr-1.2Nb的比例计算并称量出Cr粒、CuNb粉末压坯,按照图2的装填方式放入坩埚,将真空感应熔炼炉真空度抽到5×10-3Pa以上,抽真空结束后充入少量Ar气作为保护气体,开始熔炼,首先将温度快速升温至1130℃,保温7min,随后将温度缓慢升至1750℃,保温10min,将合金熔体均匀的浇注到外径为250mm,内径为18mm的铜模具中,制得Cu-Cr-Nb合金棒材,将制得的合金棒材在热处理炉中进行时效处理,时效温度为550℃,时间为2h,即得到成品Cu-Cr-Nb合金棒材。
实施例5
将Cu块进行打磨并称量,按Cu-4.0Cr-2.0Nb的比例计算并称量出Cr粒、CuNb粉末压坯,按照图2的装填方式放入坩埚,将真空感应熔炼炉真空度抽到5×10-3Pa以上,抽真空结束后充入少量Ar气作为保护气体,开始熔炼,首先将温度快速升温至1150℃,保温5min,随后将温度缓慢升至1800℃,保温10min,将合金熔体均匀的浇注到外径为300mm,内径为20mm的铜模具中,制得Cu-Cr-Nb合金棒材,将制得的合金棒材在热处理炉中进行时效处理,时效温度为600℃,时间为0.5h,即得到成品Cu-Cr-Nb合金棒材。
本发明通过调整CuNb粉末压坯中Cu粉和Nb粉的粉末粒径、Cr粒的粒径,Cr、Nb含量、熔炼工艺、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3所示为采用随炉冷却(a)和细直径铜模具冷却(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由初生树枝状α-Cu相和分布在枝晶间的(α+β)Cu-Cr共晶相以及少量微米级Cr2Nb颗粒组成。而采用细直径铜模具冷却制得的合金金相组织为单相Cu细胞状晶,大幅度的细化了合金组织,除去了共晶相对合金性能的影响,并避免了在凝固过程中生成Cr2Nb颗粒。图4为随炉冷却和铜模冷却制备合金的应力-应变曲线,采用铜模冷却的合金其抗拉强度相较于随炉冷却合金有大幅度提升。图5为铜模冷却直接时效法制备的合金依据《GB/T 33370-2016铜及铜合金软化温度的测定方法》进行测试所绘制的软化温度特性曲线,可以看出其软化温度达到600℃左右,相较于传统方法制备的Cu-Cr-Nb合金性能大幅提升,具有现实意义。
本发明通过使用铜模具冷却提高合金熔体的冷却速度,并直接对合金进行时效处理,提高了Cu-Cr-Nb合金的性能。一方面,通过高的冷却速度细化了合金组织,提高了溶质原子在合金基体中的固溶度,为后续直接时效处理做准备。另一方面,选择直接时效的热处理方式,避免了因高温处理对合金组织的影响。在时效过程中析出了细小且弥散的Cr及Cr2Nb强化相,到达弥散强化的目的。因此,采用本发明制备Cu-Cr-Nb合金可以达到提高合金导电性、强度和软化温度的目的。
Claims (9)
1.一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、制备Cu-Nb粉末压坯:
将Cu粉和Nb粉使用混料机混合均匀,然后用液压机将混合粉体压制成压坯;
步骤2、熔炼:
将Cu块、Cr粒和步骤1得到的Cu-Nb粉末压坯置于坩埚中,在有氩气保护的感应熔炼炉中进行熔炼,得到Cu-Cr-Nb合金熔体;
步骤3、浇注:
将步骤2得到的Cu-Cr-Nb合金熔体浇注到细直径铜模具中,得到Cu-Cr-Nb合金棒材;
步骤4、时效处理:
将步骤3得到的Cu-Cr-Nb合金棒材放入热处理炉中进行时效处理,即得到Cu-Cr-Nb合金棒材成品。
2.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤1中Cu粉和Nb粉的粒径均为100~600目。
3.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤1中混料机混合时间为1~9h,压制力大小为100~400MPa。
4.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤2中Cr粒的粒径为0.1~50mm。
5.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤2中Cu块、Cr粒和Cu-Nb粉末压坯按照质量百分比分别为:Cr:0.2~4%,Nb:0.2~2%,余量为Cu,以上组分质量百分比之和为100%。
6.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤2中感应炉中真空度大于5×10-3Pa,感应炉温度控制为:首先快速升温至1080~1150℃,保温5~15min,再缓慢升温至1500~1800℃,保温5~30min。
7.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤2中坩埚中由下至上依次放置Cu块、Cr粒、Cu块、Cu-Nb粉末压坯、Cu块。
8.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤3中细直径铜模具外径为100~300mm,内径为10~20mm。
9.根据权利要求1所述的一种铜模冷却和直接时效制备铜铬铌合金棒材的方法,其特征在于,所述步骤4中时效处理温度为400~600℃,保温时间为0.5~10小时。
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