CN113046586A - 一种Cu-Cr合金及其超声辅助熔炼方法 - Google Patents

一种Cu-Cr合金及其超声辅助熔炼方法 Download PDF

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CN113046586A CN202110263007.2A CN202110263007A CN113046586A CN 113046586 A CN113046586 A CN 113046586A CN 202110263007 A CN202110263007 A CN 202110263007A CN 113046586 A CN113046586 A CN 113046586A
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陈宗宁
王同敏
康慧君
郭恩宇
王志成
李廷举
曹志强
卢一平
接金川
张宇博
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Abstract

本发明提供一种Cu‑Cr合金及其超声辅助熔炼方法，所述Cu‑Cr合金的超声辅助熔炼方法包括以下步骤：将铜颗粒与高纯电解铬片混合，在真空高频感应炉中制备Cu‑Cr中间合金，将得到的中间合金与电解铜块混合，在中频感应炉中稀释；待中间合金熔化并与熔体完全混合后对金属熔体进行0.5～5min超声处理，完毕后将合金液浇铸到水冷模具中得到Cu‑Cr合金材料。整个过程在非真空标准大气压下进行。本发明涉及到的熔炼方法首次在铜基伪合金当中应用，提高了铸锭的质量、改善了铸态合金的微观组织，提高了合金的力学性能。

Description

一种Cu-Cr合金及其超声辅助熔炼方法
技术领域
本发明涉及Cu-Cr合金技术，尤其涉及一种Cu-Cr合金及其辅助熔炼方法。
背景技术
铜铬合金因具有高导电性和机械强度的独特组合而广泛应用于制造导电元件。从铜铬二元相图可知，铬和铜不形成任何复合相，铬在合金中以单相存在。因此，铜铬二元合金也被认为是伪合金，其中微小的铬颗粒分散在基体中。然而，在铸态下，生成的铬呈粗鱼骨状。这增加了合金内部的残余应力，从而对合金的性能产生不利影响。在金属熔体中引入超声波会引起一些重要的效应，例如瞬态空化和声流，从而影响凝固过程。声空化涉及微小气泡的形成、生长和破裂。当气泡破裂时，将产生大约1000标准大气压的压力，局部温度可以达到大约5000℃。据估计，附近的加热和冷却速度超过1010K/s。凝固后微观结构的变化受这些效应影响。
超声场辅助熔炼工艺在铸造镁合金以及铝合金复合材料方面应用广泛，这得益于镁铝合金熔体的温度相对较低，目前常用的工具头材料为Ti合金探头以及涂层钢探头。然而，由于缺乏能在铜合金液相线附近的高温下稳定工作且不会与铜熔体发生反应的超声波探头，所以在凝固过程中通过超声对铬晶体进行成功的改性还没有实现。
发明内容
本发明的目的在于，针对目前铜铬合金熔炼存在的诸多问题，提出一种Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，该方法在铜基伪合金当中应用，提高了铸锭的质量、改善了铸态合金的微观组织，提高了合金的力学性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，包括以下步骤：
(1)、将高纯铜颗粒与电解铬片在真空高频感应炉中熔炼制备得到中间合金；本发明中间合金的制备针对于在非真空下极易氧化的合金元素，增加合金元素非真空熔炼收成率；
(2)、将调配并烘干好的电解铜块装入预热的石墨坩埚中，在中频感应炉中进行熔化；完全熔解后将中间合金投入熔体中继续提高加热功率使中间合金完全熔化并得到充分稀释；
(3)、降低加热功率，待合金液温度降至1050～1200℃时施加超声，超声探头进入合金液面1～2cm保持处理0.5～5min，调节加热功率控制金属液温度在1050～1200℃；超声在熔炼过程中施加，处理温度要包含合金固液相线之间的温度；
(4)、超声处理结束后迅速将熔体浇铸到水冷模具中，空冷到室温，制备得到合金铸锭。
步骤(1)中采用真空高频感应炉的目的是制备中间合金，非真空下铬极易发生氧化；步骤(2)在中频感应炉中稀释中间合金。并施加超声。
步骤(2)中提高加热功率能提高温度熔化并稀释中间合金。步骤(3)中降低加热功率能降低温度，达到超声处理的温度范围。
进一步地，步骤(1)所述高纯铜颗粒与电解铬片的用量比为1:4.5～7；步骤(2)所述电解铜块与中间合金的用量比为7:1～1.5。
进一步地，步骤(1)将高纯铜颗粒与电解铬片在真空高频感应炉中熔炼制备得到中间合金，包括以下步骤：
将高纯铜颗粒与电解铬片放入氮化硼坩埚并置于20～60℃干燥箱中烘干1～2h；
将原料同坩埚装入真空高频感应炉膛，抽真空至10～100pa以下，依次关闭分子泵与机械泵停止抽真空；打开保护气阀通入保护气体直至炉膛内表压为0.3～0.5大气压，关闭阀门；
提高加热功率，升温原料熔化，在1200～1400℃温度下熔炼10～15分钟，待原料完全熔化混合后停止加热，无需浇注，随炉冷却一段时间后打开进气阀，打开炉膛取出中间合金铸锭。
进一步地，步骤(1)所述保护气为氩气，用氩气作为保护气能防止在熔炼过程中造成熔体的飞溅并减少溶解于熔液中的气体含量。
进一步地，步骤(2)所述石墨坩埚的预热温度为200-300℃；步骤(2)提高加热功率至熔体1250-1350℃使中间合金得到充分稀释。
进一步地，步骤(3)所述对超声频率发生器属性的设定，功率：2.5～3kW，频率：18～21kHz。
进一步地，步骤(3)用于处理铜合金熔体的超声探头材质为Sialon陶瓷，Sialon陶瓷能够在高温环境下长时间工作而不失稳。
进一步地，合金液温度的测定所使用的工具是红外测温仪。
进一步地，步骤(4)所述水冷模具的材质为紫铜。
本发明的另一个目的还公开了一种Cu-Cr合金，采用上述方法制备而成。
进一步地，所述Cu-Cr合金中各组分的质量分数为Cr：1.5～2.5％、Cu：余量。
本发明Cu-Cr合金及其辅助熔炼方法，属于有色金属加工技术领域，在不引入第三元素的前提下，利用超声外场提供一种针对于Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法。具体地，本发明与现有技术相比较具有以下优点：
1)采用本制备方法利用超声在熔体中的声空化效应，激发溶解在熔体中的气体形成空化气泡并能带走不溶性杂质。这可以明显减少非真空熔炼Cu-Cr合金存在的铸造缺陷，细化粗大的微观组织，改善了材料的力学性能。
2)本发明成功地解决了超声向诸如铜合金等高温熔体中引入困难的问题，采用新型耐热陶瓷Sialon陶瓷作为超声探头，能够在1300～1500℃的高温下工作且不损坏，能够在1300℃以下的温度范围内稳定工作而不失频率。
3)本制备方法制成合金可以进行后续的热处理强化，使其与所需性能相匹配，能灵活地满足不同领域的需求。
附图说明
图1为本发明超声辅助熔炼Cu-Cr合金施加方式示意图；
图2为对照组样品的微观组织图；
图3为本发明实施例1制备的合金样品的微观组织图；
图4为本发明实施例1制备的合金样品与对照组样品的力学性能对比图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步说明：
实施例1
本实施例公开了一种Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，包括以下步骤：
第一步：铜铬中间合金原料准备，根据质量分数比：Cr：20％、Cu：80％，将预先调配好的高纯铜颗粒75g与高纯电解铬15g片放入氮化硼坩埚1并置于60℃干燥箱中烘干1h，目的是排除原料及坩埚上残余的水分；
第二步：制备中间合金：将烘干好的原料同坩埚装入真空高频感应炉膛(铜颗粒压在铬片的上面)，打开机械泵抽真空至130pa，打开分子泵抽真空至10pa，依次关闭分子泵与机械泵停止抽真空；打开保护气阀通入氩气保护气体直至炉膛内表压为0.5大气压，关闭阀门；
第三步：打开加热电源，提高加热功率升温使原料熔化，在1320℃温度下熔炼原料全部熔化，此时再继续精炼10分钟，待原料完全混合后停止加热，无需浇注，随炉冷却一段时间后打开进气阀使炉膛内恢复大气压，打开炉膛取出铸锭；
第四步：进行超声辅助熔炼Cu-Cr合金：根据质量分数比：Cr：3％、Cu：余量准备所需的铜块425g并连同制备好的铜铬中间合金置于60℃干燥箱中烘干1h，将石墨坩埚、石墨搅拌棒、坩埚钳以及喷涂上氮化硼的铜模置于250℃干燥箱中烘干1h；
第五步：在中频感应炉4中进行熔化。完全熔解后将准备好的中间合金投入熔体中继续提高加热功率使中间合金得到充分稀释。降低加热功率，用红外线测温仪测温，待合金液温度降至1170℃时施加超声。超声发生器参数设置：频率20kHz、功率2.5kW。超声探头2进入合金液3面1cm保持处理1min，如图1所示，调节加热功率控制金属液温度不低于1150℃；
第六步：超声处理结束后将超声探头移出熔体并迅速将熔体浇铸到水冷模具中，空冷到室温，制备得到合金铸锭。
为了展示这种针对于铜合金的超声辅助熔炼方法的有益效果，还进行了对比实验。对照组及实验组的信息如表1所示，其中例号0为未施加超声的对照组样品，例号1为本发明方法制备的合金样品。
表1熔炼前后合金成分
Figure BDA0002970845400000041
Figure BDA0002970845400000051
如表1可知，采用本发明的制备方法后，Cr的收成率从59％提高到了68％。
本实施例及对照组铸态微观组织如图2和图3所示；硬度及极限抗拉强度对比如图4所示；经过上述实验步骤对Cu-Cr合金材料进行改性后，材料的硬度可达98HV提升了9％，抗拉强度可达400Mpa提升了20％。
实施例2
本实施例公开了一种Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，包括以下步骤：
第一步：铜铬中间合金原料准备：根据质量分数比：Cr：20％、Cu：80％，将预先调配好的高纯铜颗粒75g与高纯电解铬15g片放入氮化硼坩埚并置于60℃干燥箱中烘干1h，目的是排除原料及坩埚上残余的水分；
第二步：制备中间合金：将烘干好的原料同坩埚装入真空高频感应炉膛(铜颗粒压在铬片的上面)，打开机械泵抽真空至130pa，打开分子泵抽真空至10pa，依次关闭分子泵与机械泵停止抽真空；打开保护气阀通入氩气保护气体直至炉膛内表压为0.5大气压，关闭阀门；
第三步：打开加热电源，提高加热功率升温使原料熔化，在1320℃温度下熔炼原料以全部熔化，此时再继续精炼10分钟，待原料完全混合后停止加热，无需浇注，随炉冷却一段时间后打开进气阀使炉膛内恢复大气压，打开炉膛取出铸锭；
第四步：进行超声辅助熔炼Cu-Cr合金：根据质量分数比：Cr：3％、Cu：余量准备所需的铜块425g并连同制备好的铜铬中间合金置于60℃干燥箱中烘干1h，将石墨坩埚、石墨搅拌棒、坩埚钳以及喷涂上氮化硼的铜模置于250℃干燥箱中烘干1h；
第五步：在中频感应炉中进行熔化。完全熔解后将准备好的中间合金投入熔体中继续提高加热功率使中间合金得到充分稀释。降低加热功率，用红外线测温仪测温，待合金液温度降至1170℃时施加超声。超声发生器参数设置：频率20kHz、功率3kW。超声探头进入合金液面1cm保持处理3min，调节加热功率控制金属液温度在1100℃附近；
第六步：超声处理结束后将超声探头移出熔体并迅速将熔体浇铸到水冷模具中，空冷到室温，制备得到合金铸锭。
综上所述，本发明可以在一定程度上对抗合金元素与大气的作用，合金在非真空下的收成率得到了提高，另外明显减少非真空熔炼Cu-Cr合金存在的铸造缺陷，细化粗大的微观组织，改善材料的力学性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将高纯铜颗粒与电解铬片在真空高频感应炉中熔炼制备得到中间合金；
(2)、将调配并烘干好的电解铜块装入预热的石墨坩埚中，在中频感应炉中进行熔化；完全熔解后将中间合金投入熔体中继续提高加热功率使中间合金得到充分稀释；
(3)、降低加热功率，待合金液温度降至1050～1200℃时施加超声，超声探头进入合金液面1～2cm保持处理0.5～5min，调节加热功率控制金属液温度在1050～1200℃；
(4)、超声处理结束后迅速将熔体浇铸到水冷模具中，空冷到室温，制备得到合金铸锭。
2.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(1)所述高纯铜颗粒与电解铬片的用量比为1:4.5～7；步骤(2)所述电解铜块与中间合金的用量比为7:1～1.5。
3.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(1)将高纯铜颗粒与电解铬片在真空高频感应炉中熔炼制备得到中间合金，包括以下步骤：
将高纯铜颗粒与电解铬片放入氮化硼坩埚并置于20～60℃干燥箱中烘干1～2h；将原料同坩埚装入真空高频感应炉膛，抽真空至10～100pa以下，依次关闭分子泵与机械泵停止抽真空；打开保护气阀通入保护气体直至炉膛内表压为0.3～0.5大气压，关闭阀门；提高加热功率，升温原料熔化，在1200～1400℃温度下熔炼10～15分钟，待原料完全熔化混合后停止加热，无需浇注，随炉冷却一段时间后打开进气阀，打开炉膛取出中间合金铸锭。
4.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(1)所述保护气为氩气，用氩气作为保护气能防止在熔炼过程中造成熔体的飞溅并减少溶解于熔液中的气体含量。
5.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(2)所述石墨坩埚的预热温度为200-300℃；步骤(2)提高加热功率至熔体1250-1350℃使中间合金得到充分稀释。
6.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(3)所述对超声频率发生器属性的设定，功率：2.5～3kW，频率：18～21kHz。
7.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，步骤(3)用于处理铜合金熔体的超声探头材质为Sialon陶瓷。
8.根据权利要求1所述Cu-Cr合金的超声辅助熔炼方法，其特征在于，合金液温度的测定所使用的工具是红外测温仪。
9.一种Cu-Cr合金，其特征在于，采用权利要求1-8任意一项所述方法制备而成。
10.根据权利要求9所述Cu-Cr合金，其特征在于，所述Cu-Cr合金中各组分的质量分数为Cr：1.5～2.5％、Cu：余量。
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