CN116516193A - 一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法 - Google Patents

一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法，中间合金包括：稀土金属和铜；稀土金属的含量为10wt％～90wt％，Cu含量为10wt％～90wt％，密度为6.4g/cm3～9.4g/cm3，熔点为424℃～1006℃，氧含量＜200ppm，碳含量＜300ppm，夹杂物最大尺寸＜50μm，夹杂物总量＜0.5wt％。通过调整包含稀土和铜的中间合金的配比、密度及熔点，使其加入铜液后可以快速进入熔化后的铜液中部或中下部，充分混合稀土与铜基体，提高了稀土的效果。

Description

一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及稀土铜合金制造技术领域，特别涉及一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法。
背景技术
稀土加入铜中，可与氧、硫等杂质反应，起到净化作用；此外，稀土微溶于铜中，与铅、铋等有害元素生成高熔点的化合物，具有微合金化和变质作用，从而改善合金的力学性能、加工性能和导电性能。但是由于稀土熔点、密度和活泼性等特性与铜差异较大，其作为添加剂在使用过程中很难与铜基体完全混合均匀，导致稀土添加剂的作用效果不显著。
目前，市面上现有稀土添加剂多为规则的类长方体或者正方体的块状，或者随机破裂的不规则块状。稀土添加剂加入铜后，所受浮力和粘附阻力的合力往往大于重力作用，因此只能停留在铜液上部，无法与基底完全混合均匀，从而无法完全发挥稀土强化作用。目前，通常通过增加稀土添加剂的初始速率，从而增加其在铜液中沉入深度，但此方式对配套设备要求较高，投入成本大，且存在安全隐患。此外，稀土铜合金添加剂中氧夹杂过多，添加进铜液之后，受遗传效应影响，致使最终铜合金产品中氧化物夹杂较多，降低了导电率。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法，通过调整包含稀土和铜的中间合金的配比、密度及熔点，使其加入铜液后可以快速进入熔化后的铜液中部或中下部，充分混合稀土与铜基体，提高了稀土的效果。
为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种含稀土和铜的中间合金，包括：稀土金属和铜；
所述稀土金属的含量为10wt％～90wt％，Cu含量为10wt％～90wt％，密度为6.4g/cm3～9.4g/cm3，熔点为424℃～1006℃，氧含量＜200ppm，碳含量＜300ppm，夹杂物最大尺寸＜50μm，夹杂物总量＜0.5wt％。
进一步地，所述中间合金还包括：非稀土金属，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述稀土金属的含量为15wt％～85wt％，所述铜的含量为10wt％～80wt％，所述熔点为456℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.4g/cm3，氧含量＜150ppm，碳含量＜250ppm，夹杂物最大尺寸＜30μm，夹杂物总量＜0.1wt％；
优选的，所述稀土金属的含量为30wt％～65wt％，所述铜的含量为22wt％～62wt％，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述熔点为535℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.2g/cm3，氧含量＜100ppm，碳含量＜200ppm,夹杂物最大尺寸＜20μm，夹杂物总量＜0.1wt％。
进一步地，所述非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡、锌、钛、钴中的至少一种；
优选的，所述非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡的至少一种。
进一步地，所述稀土金属包括：镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的至少一种；
优选的，所述稀土金属包括镧、铈、钇中的至少一种。
进一步地，所述中间合金外表面的表面粗糙度≤400μm。
进一步地，所述中间合金外侧包覆有壳体；
所述壳体中铜含量＞95wt％，所述壳体厚度为0.5cm～4cm。
进一步地，所述中间合金为流线型结构，其包括：一体成型的第一部分和第二部分；
所述第一部分远离所述第二部分的一端为流线型结构；
所述第二部分垂直于所述第一部分轴向的任意横截面最大尺寸B≤2R，R为所述第一部分与所述第二部分连接部截面的最大尺寸值；
优选的，第一部分的长度L与整个中间合金的总长度L1满足L/L1≥50％。
进一步地，所述第一部分流线型截面的轮廓以下列表达式绕X轴旋转一周获得：
其中，L为所述第一部分轴向的长度，x是所述第一部分轴向的X轴坐标值，y是与所述第一部分轴向的X轴垂直的Y轴坐标值，坐标原点为第一部分远离所述第二部分的端部中心点，θ为所述第一部分轴向横截面边缘点与所述连接部中心点连线与Y轴方向的夹角，C为决定所述中间合金形状所受阻力结果的一个变量；
可选的，C的数值范围为0≤C≤0.5，当C＝0，表示给定长度和直径的最小阻力，C＝1/3，表示给定长度和体积的最小阻力。
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种含稀土和铜的中间合金制备方法，用于制备上述含稀土和铜的中间合金，包括如下步骤：
使用熔盐电解法或者金属热还原法制备稀土金属原料；
按照中间合金所述含稀土和铜的重量百分比含量进行配料，将铜金属原料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，将稀土金属原料放入真空感应熔炼炉料槽内，对所述真空感应熔炼炉进行洗炉、充氩并使炉内压力达到预设压力值，依据预设温度值进行升温熔炼并待坩埚内所述铜金属原料熔清后，加入料槽内的稀土金属及过渡族金属，保温精炼后得到合金熔液；
将所述合金溶液浇铸于模具中，在炉内气氛保护下随炉冷却，得到所述中间合金。
进一步地，在充氩过程结束后，所述真空感应熔炼炉中的预设压力值为10000Pa～90000Pa；
所述升温熔炼过程中的预设温度值为1200℃～1700℃。
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
1.通过调整包含稀土和铜的中间合金的配比、密度及熔点，使其加入铜液后可以快速进入熔化后的铜液中部或中下部，充分混合稀土与铜基体，提高了稀土的效果；
2.相较于市面上普通稀土添加剂，通过采用流线型的端部外形，使中间合金拥有更小的阻力系数，可以在铜合金液中达到更深的穿透深度，达到稀土与铜及铜合金液充分混合均匀的目的，稀土收得率显著提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的含稀土和铜的中间合金结构示意图。
附图标记：
1、第一部分，2、第二部分。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参照图1，本发明实施例的第一方面提供了一种含稀土和铜的中间合金，包括：稀土金属和铜；稀土金属的含量为10wt％～90wt％，Cu含量为10wt％～90wt％，密度为6.4g/cm3～9.4g/cm3，熔点为424℃～1006℃，氧含量＜200ppm，碳含量＜300ppm，夹杂物最大尺寸＜50μm，夹杂物总量＜0.5wt％。
此外，中间合金还包括：非稀土金属，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述稀土金属的含量为15wt％～85wt％，所述铜的含量为10wt％～80wt％，所述熔点为456℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.4g/cm3，氧含量＜150ppm，碳含量＜250ppm，夹杂物最大尺寸＜30μm，夹杂物总量＜0.1wt％；
所述稀土金属的含量为30wt％～65wt％，所述铜的含量为22wt％～62wt％，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述熔点为535℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.2g/cm3，氧含量＜100ppm，碳含量＜200ppm,夹杂物最大尺寸＜20μm，夹杂物总量＜0.1wt％。优选此成分范围，中间合金的密度与纯铜更为接近，可更好与铜基体混合，达到均匀添加的效果，且氧含量越低、夹杂物尺寸和数量越小，最终铜合金产品中氧化物夹杂越少。
具体的，非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡、锌、钛、钴中的至少一种。优选的，非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡的至少一种。非稀土金属源于铜中常见的微量元素，不会引入新杂质；其次，非稀土金属起到对稀土添加剂微合金化、防止稀土添加剂氧化等作用。
进一步地，稀土金属包括：镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的至少一种。优选的，稀土金属包括镧、铈、钇中的至少一种，镧、铈、钇丰度较高，价格相对低廉，且添加效果更好。
进一步地，中间合金外表面的表面粗糙度≤400μm。外层外表面平整、光洁，产品表面越光洁，阻力系数越小，添加进铜液中后所受阻力越小，穿透深度更深。
进一步地，中间合金外侧包覆有壳体；壳体中铜含量＞95％，壳体厚度为0.5cm～4cm。R取值范围为5cm～15cm，L取值范围为10cm～30cm；稀土添加剂尺寸过大造成熔化时间加长，所以，优选该尺寸范围是基于衡量稀土添加剂熔化时间确定。
壳体的熔点、密度高于其内部的中间合金。稀土金属的含量为30wt％～65wt％，所述铜的含量为22wt％～62wt％，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述熔点为535℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.2g/cm3，氧含量＜100ppm，碳含量＜200ppm,夹杂物最大尺寸＜20μm，夹杂物总量＜0.1wt％。夹杂物尺寸和数量可控对最终添加效果影响显著，在此范围内，稀土添加剂添加效果更好。
在本发明实施例的一个具体实施方式中，中间合金为流线型结构，其包括：一体成型的第一部分和第二部分；第一部分远离第二部分的一端为流线型结构；第二部分垂直于第一部分轴向的任意横截面最大直径B≤2R，R为第一部分与第二部分连接部截面的最大尺寸值。
可选的，第二部分为圆柱型、圆台型或圆锥型结构。
具体的，第二部分垂直于轴向的任意横截面最大直径(宽度)B≤2R；此设计具有更小的粘滞阻力及浮力，可以加入到铜液中部及中下部位置，确保稀土元素加入均匀，收得率更高。
由于流线型使得稀土添加剂的阻力系数减小，从而降低了稀土添加剂在铜液的粘滞阻力，相较于普通块状，可以达到更深的铜液穿透深度，增加稀土混合均匀性。
进一步地，第一部分流线型截面的轮廓以下列表达式绕X轴旋转一周获得：
其中，L为第一部分轴向的长度，x是第一部分轴向的X轴坐标值，y是与第一部分轴向的X轴垂直的Y轴坐标值，坐标原点为第一部分远离所述第二部分的端部中心点，θ为第一部分横截面边缘点与连接部中心点连线与Y轴方向的夹角。
C为决定所述中间合金形状所受阻力结果的一个变量；
可选的，C的数值范围为0≤C≤0.5；当C＝0，表示给定长度和直径的最小阻力，C＝1/3，表示给定长度和体积的最小阻力。
C处于上述范围时，第一部分头部形状更为尖锐，所受阻力更小，穿透铜液的深度更深，添加效果更好。
此外，第一部分的长度L与整个中间合金的总长度L1满足L/L1≥50％。具体的，第一部分长度L与整个稀土添加剂总长度L1满足L/L1≥50％，以达到“头重脚轻”的效果，可以确保第一部分向下投入铜液中。
具体的，R取值范围为1cm～20cm，L取值范围为2cm～40cm。
相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种含稀土和铜的中间合金制备方法，用于制备上述含稀土和铜的中间合金，包括如下步骤：
使用熔盐电解法或者金属热还原法制备稀土金属原料；
按照中间合金含稀土和铜的重量百分比含量进行配料，将铜金属原料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，将稀土金属原料放入真空感应熔炼炉料槽内，对真空感应熔炼炉进行洗炉、充氩并使炉内压力达到预设压力值，依据预设温度值进行升温熔炼并待坩埚内铜金属原料熔清后，加入料槽内的稀土金属及过渡族金属，保温精炼后得到合金熔液；
将合金溶液浇铸于模具中，在炉内气氛保护下随炉冷却，得到中间合金。
进一步地，在充氩过程结束后，真空感应熔炼炉中的预设压力值为10000Pa～90000Pa；
升温熔炼过程中的预设温度值为1200℃～1700℃。
下面以若干个实施例对上述中间合金及制备方法进行详细说明：
实施例1
将纯铜和稀土金属铈按照质量百分数分别为10％和90％进行备料。将铜和稀土铈放入真空感应熔炼炉坩埚内，抽真空至0.2Pa以下，充入高纯氩气使炉内真空度至60000Pa。充入高纯氩气，当炉内真空度维持在60000Pa时，升温至1200℃，待坩埚内金属熔清后，待熔清后精炼10min。将合金溶液浇注到流线型模具中，在炉内氩气气氛保护下随炉冷却，得到R为23cm、L为20cm、L1为38cm、C为0.25的流线型含稀土和铜中间合金。经过检测，稀土合金的密度为6.9g/cm3，熔点为424℃，夹杂物最大尺寸33μm，氧含量99ppm，碳含量190ppm，将其加入铜液中，测试产品中稀土收得率为61.4％，铜坯边部、1/4半径、1/2半径、中部稀土成分标准差2.2ppm，导电性能优异。
实施例2
将纯铜和稀土金属镧按照质量百分数分别为90％和10％进行备料。将铜和镧放入真空感应熔炼炉坩埚内，抽真空至0.2Pa以下，充入高纯氩气使炉内真空度至70000Pa。充入高纯氩气，当炉内真空度维持在70000Pa时，升温至1200℃，待坩埚内金属熔清后，待熔清后精炼10min。将合金溶液浇注到R为14cm、L为15cm、L1为28cm、C为0.33流线型金属壳中，壁厚15mm，外壳铜含量96％，在炉内氩气气氛保护下随炉冷却，得到的带有流线型外壳的含稀土和铜中间合金。经过检测，稀土合金的密度为8.7g/cm3，熔点为873℃，夹杂物最大尺寸25μm，氧含量77ppm，碳含量180ppm，将其加入铜液中，测试产品中稀土收得率为60.8％，铜坯边部、1/4半径、1/2半径、中部稀土成分标准差2.1ppm，导电性能优异。
实施例3
将纯铜和稀土金属镨、铈按照质量百分数分别为90％、5％和5％进行备料。将铜及稀土镨、铈放入真空感应熔炼炉坩埚内，抽真空至0.2Pa以下，充入高纯氩气使炉内真空度至10000Pa。充入高纯氩气，当炉内真空度维持在10000Pa时，升温至1300℃，待坩埚内金属熔清后，待熔清后精炼10min。将合金溶液浇注到半径为10cm的球形模具中，在炉内氩气气氛保护下随炉冷却。本实施例的中间合金外形为半径10cm的球体。经过检测，稀土合金的密度为8.7g/cm3，熔点为1006℃，夹杂物最大尺寸37μm，氧含量57ppm，碳含量200ppm，将其加入铜液中，测试产品中稀土收得率为58.2％，铜坯边部、1/4半径、1/2半径、中部稀土成分标准差2.1ppm，导电性能优异。
表1
表2中示出了市售铈铜合金(Ce:90wt％，Cu：10wt％)、镧铜合金(La:10wt％，Fe：90wt％)两个对比例与实施例1和2对比，其自身物性如下表2所示：
表2
由表2中数据可知：本发明提出的含稀土和铜的中间合金对成分、形状、熔点、密度、氧含量及夹杂物数量和尺寸进行了全方位调控，相较市面上成分单一、形状不规则的稀土铜中间合金，氧含量、碳含量更低，夹杂物的尺寸和数量更小，品质更为优异。
表3为若干个实施例中的含稀土和铜的中间合金制备方法及对应效果的对比表。
表3
由表3中数据可知：本发明通过调控稀土和铜的中间合金的配比、密度、熔点及外形，使其加入铜液后可以快速进入熔化后的铜液中部或中下部，充分混合稀土与铜基体，提高了稀土的收得率和成分均匀性，此外，获得铜及铜合金的导电效果也更为优异，具备大规模工业生产的前景。
本发明实施例旨在保护一种含稀土和铜的中间合金及其制备方法，中间合金包括：稀土金属和铜；稀土金属的含量为10wt％～90wt％，Cu含量为10wt％～90wt％，密度为6.4g/cm3～9.4g/cm3，熔点为424℃～1006℃，氧含量＜200ppm，碳含量＜300ppm，夹杂物最大尺寸＜50μm，夹杂物总量＜0.5wt％。上述技术方案具备如下效果：
1.通过调整包含稀土和铜的中间合金的配比、密度及熔点，使其加入铜液后可以快速进入熔化后的铜液中部或中下部，充分混合稀土与铜基体，提高了稀土的效果；
2.相较于市面上普通稀土添加剂，通过采用流线型的端部外形，使中间合金拥有更小的阻力系数，可以在铜合金液中达到更深的穿透深度，达到稀土与铜及铜合金液充分混合均匀的目的，稀土收得率显著提高。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种含稀土和铜的中间合金，其特征在于，包括：稀土金属和铜；
所述稀土金属的含量为10wt％～90wt％，Cu含量为10wt％～90wt％，密度为6.4g/cm3～9.4g/cm3，熔点为424℃～1006℃，氧含量＜200ppm，碳含量＜300ppm，夹杂物最大尺寸＜50μm，夹杂物总量＜0.5wt％。
2.根据权利要求1所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，所述中间合金还包括：非稀土金属，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述稀土金属的含量为15wt％～85wt％，所述铜的含量为10wt％～80wt％，所述，氧含量＜150ppm，碳含量＜250ppm，夹杂物最大尺寸＜30μm，夹杂物总量＜0.1wt％；
优选的，所述稀土金属的含量为30wt％～65wt％，所述铜的含量为22wt％～62wt％，所述非稀土金属的含量为0.1wt％～15wt％，所述熔点为535℃～1002℃，所述密度为6.7g/cm3～9.2g/cm3，氧含量＜100ppm，碳含量＜200ppm,夹杂物最大尺寸＜20μm，夹杂物总量＜0.1wt％。
3.根据权利要求2所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡、锌、钛、钴中的至少一种；
优选的，所述非稀土金属包括：铝、镍、锰、锡的至少一种。
4.根据权利要求1所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述稀土金属包括：镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇中的至少一种；
优选的，所述稀土金属包括镧、铈、钇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述中间合金外表面的表面粗糙度≤400μm。
6.根据权利要求1-5任一所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述中间合金外侧包覆有壳体；
所述壳体中铜含量＞95wt％，所述壳体厚度为0.5cm～4cm。
7.根据权利要求1-5任一所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述中间合金为流线型结构，其包括：一体成型的第一部分和第二部分；
所述第一部分远离所述第二部分的一端为流线型结构；
所述第二部分垂直于所述第一部分轴向的任意横截面最大尺寸B≤2R，R为所述第一部分与所述第二部分连接部截面的最大尺寸值；
优选的，第一部分的长度L与整个中间合金的总长度L1满足L/L1≥50％。
8.根据权利要求7所述的含稀土和铜的中间合金，其特征在于，
所述第一部分流线型截面的轮廓以下列表达式绕X轴旋转一周获得：
其中，L为所述第一部分轴向的长度，x是所述第一部分轴向的X轴坐标值，y是与所述第一部分轴向的X轴垂直的Y轴坐标值，坐标原点为第一部分远离所述第二部分的端部中心点，θ为所述第一部分轴向横截面边缘点与所述连接部中心点连线与Y轴方向的夹角，C为决定所述中间合金形状所受阻力结果的一个变量；
可选的，C的数值范围为0≤C≤0.5。
9.一种含稀土和铜的中间合金制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-8任一所述的含稀土和铜的中间合金，包括如下步骤：
使用熔盐电解法或者金属热还原法制备稀土金属原料；
按照中间合金所述含稀土和铜的重量百分比含量进行配料，将铜金属原料放入真空感应熔炼炉的坩埚内，将稀土金属原料放入真空感应熔炼炉料槽内，对所述真空感应熔炼炉进行洗炉、充氩并使炉内压力达到预设压力值，依据预设温度值进行升温熔炼并待坩埚内所述铜金属原料熔清后，加入料槽内的稀土金属及过渡族金属，保温精炼后得到合金熔液；
将所述合金溶液浇铸于模具中，在炉内气氛保护下随炉冷却，得到所述中间合金。
10.根据权利要求9所述的含稀土和铜的中间合金制备方法，其特征在于，
在充氩过程结束后，所述真空感应熔炼炉中的预设压力值为10000Pa～90000Pa；
所述升温熔炼过程中的预设温度值为1200℃～1700℃。
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