一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法
阅读说明：本技术 一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法 (Preparation method of vacuum induction melting Cu8Cr4Nb alloy ) 是由 刘向东 刘琦 孙君鹏 田东松 王沛 周斌 唐丽尖 韩依曼 苟锁 杜舵 李潇 山 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法,包括以下步骤：S1配料：预制8Cr4Nb中间合金,并按百分含量称取电解铜板及预制8Cr4Nb中间合金；S2装炉：将配好的电解铜板及8Cr4Nb中间合金料装入坩埚内；S3抽真空：开启机械泵,待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时,开启罗茨泵；S4熔炼：当真空度抽到р≤10Pa时,梯度加热升温至65KW,保持直至坩埚内金属全部熔化后,降功率至20KW,缓慢向炉体内充入高纯氩气,炉内压力升至约0.08Mpa时,关闭充氩阀；S5浇铸：升功率至65KW,精炼5min,降功率至50KW保持1min开始浇铸,浇铸时间1.5～2min；S6出炉：浇铸完成后关闭加热,冷却后出炉。本发明所制备的Cu8Cr4Nb合金材料成分、组织均匀,夹杂物少,无Cu、Cr、Nb富集等宏观、微观缺陷。(The invention discloses a preparation method of a vacuum induction melting Cu8Cr4Nb alloy, which comprises the following steps: s1, batching: prefabricating 8Cr4Nb intermediate alloy, and weighing an electrolytic copper plate and prefabricated 8Cr4Nb intermediate alloy according to percentage; s2 furnace charging: the prepared electrolytic copper plate and 8Cr4Nb intermediate alloy material are loaded into a crucible; s3, vacuumizing: starting the mechanical pump, and starting the roots pump when the vacuum pressure P in the furnace is less than or equal to 0.08 MPa; s4 smelting: when the pH value is less than or equal to 10Pa after the vacuum degree is pumped, heating the mixture in a gradient way to 65KW, reducing the power to 20KW after the metal in the crucible is completely melted, slowly filling high-purity argon into the furnace body, and closing an argon filling valve when the pressure in the furnace is increased to about 0.08 Mpa; s5 casting: increasing the power to 65KW, refining for 5min, reducing the power to 50KW, keeping for 1min, and starting casting, wherein the casting time is 1.5-2 min; s6 discharging: and (4) closing the heating after the casting is finished, and discharging the product after the product is cooled. The Cu8Cr4Nb alloy material prepared by the method has uniform components and structures, less inclusions, and no macroscopic and microscopic defects such as Cu, Cr and Nb enrichment.)
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，具体是涉及一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法。
背景技术
近年来，兼顾高强度、高导电、耐高温的铜合金材料被应用于非破坏性脉冲强磁场领域，Cu8Cr4Nb材料目前经过多次验证，各项性能均优于其他材料，该材料拥有高温强度、抗蠕变性、耐低周疲劳性及高热导率等优点，可用于火箭燃烧室喷涂材料，该衬层壁面材料性能的改善是长寿命燃烧室的一个关键，主要依靠合金中Cr2Nb颗粒弥散强化，同时保留纯铜的高热导率，Cu8Cr4Nb合金由于金属间化合物颗粒有高的熔点，因此在高温条件下依旧保持高的力学性能。
目前国内该合金材料都是进口，国内生产工艺目前以粉末冶金方法进行制造，成分组织不均匀，致密度不高，材料机械性能偏低，且氧含量较高；同时由于铌属于高熔点金属，熔点2468℃，铬熔点1857℃，铜熔点1083℃，三种金属熔点差异较大，熔炼难度大。
因此，针对现有技术存在的不足，提供了一种采用真空感应熔炼制备Cu8Cr4Nb合金的方法解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法。
本发明的技术方案是：一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法，包括以下步骤：
S1配料：预制8Cr4Nb中间合金，并按百分含量称取电解铜板及预制8Cr4Nb中间合金，备用；
S2装炉：将配好的电解铜板及8Cr4Nb中间合金料装入坩埚内，合上炉盖，关闭放气阀；
S3抽真空：开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
S4熔炼：当真空度抽到р≤10Pa时，梯度加热升温至65KW，保持直至坩埚内金属全部熔化后，降功率至20KW，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08Mpa时，关闭充氩阀；
S5浇铸：升功率至65KW，精炼5min，降功率至50KW保持1min开始浇铸，浇铸时间1.5～2min；
S6出炉：浇铸完成后关闭加热，冷却30min后出炉。
进一步地，所述Cu8Cr4Nb合金由重量百分含量计5.5-7.5％Cr、4.8-6.8％Nb、85.7-89.7％Cu组成；但考虑在Cu8Cr4Nb合金制备过程中必然有各金属元素损耗，故所述Cu8Cr4Nb合金中各金属配料的百分含量分别为：6-8％Cr，5-7％Nb，86％-90％Cu。通过提供不同的电解铜板与8Cr4Nb中间合金含量、8Cr4Nb中间合金各元素含量，以满足不同用途Cu8Cr4Nb的使用。
进一步地，所述步骤S1中8Cr4Nb中间合金预制后进行烘烤+电脉冲的复合处理，具体为：烘烤温度为180～240℃，烘烤20～30min后对其进行电脉冲处理，电脉冲处理的脉冲电流为90～120A，脉冲频率为600～1100Hz，然后注入低温高纯氩气降温至80～100℃时撤除电脉冲处理，随后继续降温至40℃以下取出待用，其中，所述低温高纯氩气具体为温度在10～15℃的高纯氩气。通过预制8Cr4Nb中间合金的烘烤有利于加快熔炼速度同时避免了合金液的喷溅，同时通过电脉冲处理使合金形成类调幅组织，增强合金的有序偏聚，提高后续制备的Cu8Cr4Nb合金的电导率等性能。
进一步地，所述步骤S4中梯度加热升温具体为：将功率升至30±2KW，保持8min，功率升至40±2KW，保持10min，功率升至50±2KW，保持10min，加热功率升至65KW。采用梯度加热的方式，能够提高减少真空感应熔炼过程中对于设备的损伤，同时有利于原材料中提起气体的释放，从而提高Cu8Cr4Nb合金材料的纯净度。
进一步地，所述步骤S5中浇铸使用石墨坩埚，浇铸速度具体为：先以2.5±1t/min的速率浇铸，然后再加速至4±1t/min，最后减速至2±1t/min。浇铸速度先慢、再适当加快，最后再减慢，保证充分的补缩，消除铸锭中的冶金缺陷。
作为本发明的一种技术方案，所述步骤S6中浇铸后冷却方法具体为：通过专用水冷铜模及通过水冷冷却30min出炉。由于Cu8Cr4Nb合金材料冷却慢，容易偏析且缩孔很深，采用水冷铜模进行冷却，可有效的解决上述这些问题。
作为本发明的另一种技术方案，所述步骤S6中冷却方法具体为：冷却前期采用喷雾压力为8-12MPa的低浓度冷却液进行喷雾冷却，冷却中期采用风速为3-7m/s的低温高纯氩气进行风冷，冷却后期采用高浓度冷却液进行浸泡冷却，随后采用低温纯水进行冲洗；
所述低浓度冷却液具体为冷却液(10-15X)，所述高浓度冷却液具体为冷却液(2-5X)；
所述冷却前期时间为5-8min，所述冷却中期时间为12-15min，所述冷却后期时间为7～13min，所述低温高纯氩气具体为温度在10～15℃的高纯氩气，所述低温纯水具体为10～15℃的纯水。
由于8Cr4Nb合金材料冷却慢，容易偏析且缩孔很深，通过上述阶段性冷却方式，先利用低温高纯氩气将其冷却固形，随后依次采用高倍数稀释冷却液、低倍数稀释冷却液对固形后8Cr4Nb合金进行喷雾冷却以及浸泡冷却，通过阶段性冷却有效的解决Cu8Cr4Nb合金冷却容易偏析且缩孔深的问题，从而得到组织致密均匀、性能优良的Cu8Cr4Nb合金。
更进一步地，所述冷却液按重量份数计由10～15份氯化钠、5～8份聚乙烯醇、2～3份乙二胺四乙酸二钠、1～2份聚丙烯酸钠、100～120份纯水混合而成。通过上述配比的冷却液组成的低浓度冷却液、高浓度冷却液在保证冷却的同时优化合金组织提高Cu8Cr4Nb合金的各项力学性能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明制备方法采用8Cr4Nb中间合金可以有效降低二次熔炼温度，通过二次熔炼增强了材料成分均匀性，通过先熔炼中间合金，减少元素烧损，有效的解决了由于Nb、Cr、Cu三者合金元素熔点差异较大，熔炼难度较大的问题。
(2)本发明制备方法所制备的Cu8Cr4Nb合金材料成分、组织均匀，夹杂物少，无Cu、Cr、Nb富集等宏观、微观缺陷。
(3)本发明制备方法提供的冷却方法，可加快金属液凝固，解决偏析缺陷等问题，使生产的Cu8Cr4Nb合金铸锭组织致密，气孔、夹杂较少，无合金元素富集及偏析等冶金缺陷。
附图说明
图1是本发明制备方法的工艺流程图。
图2是本发明8Cr4Nb中间合金未腐蚀处理的50倍金相照片。
图3是本发明8Cr4Nb中间合金未腐蚀处理的500倍金相照片。
图4是本发明Cu8Cr4Nb合金腐蚀处理后的50倍金相照片。
图5是本发明Cu8Cr4Nb合金腐蚀处理后的500倍金相照片。
具体实施方式
实施例1
一种真空感应熔炼Cu8Cr4Nb合金的制备方法，包括以下步骤：
8Cr4Nb中间合金制备
S11配料：按重量百分含量计，原料中各元素百分含量为：Cr：52.85％，Nb：47.15％，按比例称取所需原料；
S12装炉：将配好的铬块及铌块装入坩埚内,合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
S13抽真空，开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
S14熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至18KW，保持8min，功率升至40KW，保持10min，功率升至52KW，保持10min，功率升至65KW保持直至坩埚内金属全部熔化后，降功率至20KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀；
S15浇铸：升功率至60KW，精炼5min；使金属液充分融合，均匀，然后开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，快速浇铸，浇铸时间≦30S；
S16出炉：浇铸完成后，关闭加热，冷却20分钟后出炉，并查看浇铸质量情况，得到8Cr4Nb中间合金；
Cu8Cr4Nb合金制备
S1配料：按百分含量称取电解铜板及预制的8Cr4Nb中间合金，89.35％电解铜板、10.65％8Cr4Nb中间合金，备用；
S2装炉：将配好的电解铜板及8Cr4Nb中间合金料装入坩埚内，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；
S3抽真空：开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
S4熔炼：当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至30KW，保持8min，功率升至40KW，保持10min，功率升至50KW，保持10min，加热功率升至65KW，保持直至坩埚内金属全部熔化后，降功率至20KW，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08Mpa时，关闭充氩阀；
S5浇铸：升功率至65KW，精炼5min，降功率至50KW保持1min开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸速度具体为：先以2.5t/min的速率浇铸，然后再加速至4t/min，最后减速至2t/min，浇铸使用专用水冷铜模，浇铸时间1.8min；
S6出炉：浇铸完成后关闭加热，水冷冷却30min后出炉。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，所述步骤S1中8Cr4Nb中间合金预制后进行烘烤+电脉冲的复合处理，具体为：烘烤温度为210℃，烘烤23min后对其进行电脉冲处理，电脉冲处理的脉冲电流为110A，脉冲频率为950Hz，然后注入低温高纯氩气降温至95℃时撤除电脉冲处理，随后继续降温至40℃以下取出待用，其中，所述低温高纯氩气具体为温度在10℃的高纯氩气。通过预制8Cr4Nb中间合金的烘烤有利于加快熔炼速度同时避免了合金液的喷溅，同时通过电脉冲处理使合金形成类调幅组织，增强合金的有序偏聚，提高后续制备的Cu8Cr4Nb合金的电导率等性能。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，与其不同之处在于，所述步骤S6中冷却方法具体为：冷却前期采用喷雾压力为9MPa的低浓度冷却液进行喷雾冷却，冷却中期采用风速为6m/s的低温高纯氩气进行风冷，冷却后期采用高浓度冷却液进行浸泡冷却，随后采用低温纯水进行冲洗；
所述低浓度冷却液具体为冷却液(12X)，使用纯水将冷却液稀释12倍，所述高浓度冷却液具体为冷却液(3X)，使用纯水将冷却液稀释3倍；
所述冷却前期时间为7min，所述冷却中期时间为13min，所述冷却后期时间为10min，所述低温高纯氩气具体为温度在15℃的高纯氩气，所述低温纯水具体为10℃的纯水。
由于8Cr4Nb合金材料冷却慢，容易偏析且缩孔很深，通过上述阶段性冷却方式，先利用低温高纯氩气将其冷却固形，随后依次采用高倍数稀释冷却液、低倍数稀释冷却液对固形后8Cr4Nb合金进行喷雾冷却以及浸泡冷却，通过阶段性冷却有效的解决8Cr4Nb合金冷却容易偏析且缩孔深的问题，从而得到组织致密均匀、性能优良的Cu8Cr4Nb合金。
其中，所述冷却液按重量份数计由13份氯化钠、7份聚乙烯醇、3份乙二胺四乙酸二钠、2份聚丙烯酸钠、110份纯水混合而成。通过上述配比的冷却液组成的低浓度冷却液、高浓度冷却液在保证冷却的同时优化合金组织提高Cu8Cr4Nb合金的各项力学性能。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，与其不同之处在于，冷却液配比及稀释倍数的不同，具体为：
所述低浓度冷却液具体为冷却液(10X)，所述高浓度冷却液具体为冷却液(2X)；其中，所述冷却液按重量份数计由10份氯化钠、5份聚乙烯醇、2份乙二胺四乙酸二钠、1份聚丙烯酸钠、100份纯水混合而成。通过上述配比的冷却液组成的低浓度冷却液、高浓度冷却液在保证冷却的同时优化合金组织提高Cu8Cr4Nb合金的各项力学性能。
实施例5
本实施例与实施例3基本相同，与其不同之处在于，冷却液配比及稀释倍数的不同，具体为：
所述低浓度冷却液具体为冷却液(15X)，所述高浓度冷却液具体为冷却液(5X)；其中，所述冷却液按重量份数计由15份氯化钠、8份聚乙烯醇、3份乙二胺四乙酸二钠、2份聚丙烯酸钠、120份纯水混合而成。通过上述配比的冷却液组成的低浓度冷却液、高浓度冷却液在保证冷却的同时优化合金组织提高Cu8Cr4Nb合金的各项力学性能。
Cu8Cr4Nb合金相关性能实验
一、Cu8Cr4Nb合金检验
采用实施例1方法制备Cu8Cr4Nb合金三次，记作编号1、2、3，并对8Cr4Nb中间合金材料、Cu8Cr4Nb合金材料的化学含量检测如下表1、表2所示：
表1 8Cr4Nb中间合金材料化学含量检测表
编号
Cr(％)
Nb(％)
1
52.65
47.35
2
52.72
47.28
3
52.80
47.2
表2 Cu8Cr4Nb合金材料配料及化学含量检测表
并选取实验例1所制备的Cu8Cr4Nb合金材料，分为两组样本分别进行形貌观察，
组别一为Cu8Cr4Nb合金未腐蚀处理，其Cu8Cr4Nb合金材料的金相照片如图2、3所示；
组别二为Cu8Cr4Nb合金腐蚀处理，其Cu8Cr4Nb合金材料的金相照片如图4、5所示；
由上述表1、2可以看出，本发明制备方法合金元素烧损少，同时根据金相照片看出，通过本发明制备方法制备的Cu8Cr4Nb合金组织均匀，夹杂物少，无Cu、Cr、Nb富集等宏观、微观缺陷，有效的解决了由于Nb、Cr、Cu三者合金元素熔点差异较大使生产的Cu8Cr4Nb合金铸锭组织致密，气孔、夹杂较少，无合金元素富集及偏析等冶金缺陷。
二、Cu8Cr4Nb合金对比性能实验
实验分组：选用现有粉末冶金法，根据实施例1合金成分配比，电解铜粉+铬粉+铌粉+雾化，通过混合，研磨，压制成型，采用保护气氛烧结而成，得到Cu8Cr4Nb合金作为对照例；选用实施例1-5制备方法分别制备Cu8Cr4Nb合金，分别记作实验例1、实验例2、实验例3、实验例4、实验例5；
检测项目：对上述分组Cu8Cr4Nb合金分别进行抗拉强度、屈服强度以及电导率测试，具体如下：
1)抗拉强度
选取各个各组Cu8Cr4Nb合金样本，参照GB228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》，在WDW-1电子万能试验机上进行拉伸试验，试验结果如下表3所示：
表3 Cu8Cr4Nb合金的抗拉强度测试表
2)延伸率
选取各个各组Cu8Cr4Nb合金样本，使用WDW-1电子万能试验机进行延伸率检测试验，试验结果如下表4所示：
表4 Cu8Cr4Nb合金的屈服强度测试表
实验例1
实验例2
实验例3
实验例4
实验例5
对照例
延伸率/％
5.9
7.3
9.7
9.2
8.9
3.5
3)电导率
选取各个各组Cu8Cr4Nb合金样本，使用金属导电率涡流测量仪FD101对各个样本进行导电率测试，实验结果如下表5所示：
表5 Cu8Cr4Nb合金样本的电导率测试表
实验例1
实验例2
实验例3
实验例4
实验例5
对照例
电导率
87
92
89
87
88
80
实验结论：
1)对比实验例1-5与对照例，
根据图3数据对比可知，实验例1-5的抗拉强度均优于现有粉末冶金法制备的Cu8Cr4Nb合金；
根据图4数据对比可知，实验例1-5的拉伸率均优于现有粉末冶金法制备的Cu8Cr4Nb合金；
根据图5数据对比可知，实验例1-5的电导率均优于现有粉末冶金法制备的Cu8Cr4Nb合金。
2)对比实验例1、2，
根据图3数据对比可知，实验例2的抗拉强度相对实验例1有一定提高，可见实验例2通过对预制后8Cr4Nb中间合金进行烘烤+电脉冲复合处理对Cu8Cr4Nb合金的抗拉强度有一定影响；
根据图4数据对比可知，实验例2的拉伸率相对实验例1有一定提高，可见实验例2通过对预制后8Cr4Nb中间合金进行烘烤+电脉冲复合处理对Cu8Cr4Nb合金的抗拉强度有一定影响；
根据图5数据对比可知，实验例2的导电率相对实验例1有明显提高，可见实验例2通过对预制后8Cr4Nb中间合金进行烘烤+电脉冲复合处理对Cu8Cr4Nb合金的导电率有较大影响。
3)对比实验例1、实验例3-5，
根据图3数据对比可知，实验例3-5的抗拉强度相对实验例1均有明显提高，可见实验例3-5通过对浇铸后Cu8Cr4Nb合金冷却方式不同，对Cu8Cr4Nb合金的抗拉强度有较大影响，其中以实验例4参数下所得Cu8Cr4Nb合金的抗拉强度最优；
根据图4数据对比可知，实验例2的拉伸率相对实验例1有明显提高，可见实验例3-5通过对浇铸后Cu8Cr4Nb合金冷却方式不同，对Cu8Cr4Nb合金的拉伸率有明显影响，其中以实验例4参数下所得Cu8Cr4Nb合金的拉伸率最优；
根据图5数据对比可知，实验例2的导电率相对实验例1有一定影响，可见实验例3-5通过对浇铸后Cu8Cr4Nb合金冷却方式不同，对Cu8Cr4Nb合金的导电率有一定影响。
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