一种铜钆中间合金的制备方法

摘要

本发明涉及一种铜钆中间合金的制备方法，属于铜合金材料熔炼铸造技术领域。本发明采取真空熔炼方式，按照铜钆中间合金的质量比选料，配料，装炉；抽真空，升温，充氩气，待金属完全熔化后搅拌，保温精炼，除气；匀速浇铸，制备钆含量为3％～9％(质量百分数)的铜钆中间合金。本发明采用特殊装料方法提高熔炼效率，通过控制熔炼工艺中各阶段的温度调节熔化、反应和精炼过程中的熔体质量，采用水冷模浇铸以减少偏析，经此方法制备的铜钆中间合金铸锭成分均匀且偏差小、杂质含量低、熔点低、内部无明显缺陷，十分适合用于钆改性铜合金的制备。

权利要求

1.一种铜钆中间合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照铜钆中间合金的质量比选料，配料，装炉；所述的铜钆中间合金中钆元素的质量百分数为3％～9％，余量为铜；采用的装料方式为：在石墨坩埚底部铺设2-5层切割成小块的电解铜板，将钆原料破碎成平均粒径小于15mm的颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1～2层电解铜板，如此反复直至原料全部装填完毕；

(2)抽真空，升温，充氩气，待金属完全熔化后搅拌，保温精炼，除气；

(3)匀速浇铸，浇铸模具为带石墨漏斗的水冷铜模。

2.如权利要求1所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：以金属铜、钆为原料，铜原料为阴极电解铜，纯度不小于99.9965w％；钆原料为纯度不小于99.0w％的钆。

3.如权利要求2所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：配料时，钆在设计重量的基础上增加3～6w％。

4.如权利要求1所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：小块的电解铜板的尺寸为140mm×80mm以下。

5.如权利要求1所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：抽真空至压力小于

0.1Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至20～

30Pa，加大功率升温至1220～1250℃，待原料全部熔化后持续搅拌2～3分钟至反应完全，降温至1150～1170℃保温8～12分钟精炼，除气至压力小于0.8Pa。

6.如权利要求5所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：所述的中等功率升温的速率为18～22℃/min，加大功率升温的速率为28～32℃/min。

7.如权利要求1所述的铜钆中间合金的制备方法，其特征在于：所述的浇铸温度为1210～1230℃。

说明书

一种铜钆中间合金的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种铜钆中间合金的制备方法，属于铜合金材料熔炼铸造技术领域。

背景技术

[0002] 稀土元素在铜中主要起净化、去除杂质和细化晶粒的作用，在显著提高材料强度和耐热性能的同时对导电性影响较小，还能显著改善合金的铸造性能。利用我国稀土特色优势，研发具有优异综合性能的稀土改性铜及铜合金对于开拓稀土的高效利用和高端应用、支持和发展我国铜加工产业具有重要的意义。

[0003] 研究已知，添加极少量的稀土元素就可以显著改变铜或铜合金中的某些特性，这个添加量一般不大于1wt.％，以一种轨道交通接触线用铜锡合金为例，只需添加0.01～0.04wt.％的富铈混合稀土。因此，通常采用铜-稀土中间合金方式向铜或铜合金中添加稀土元素。关于铜-轻稀土二元中间合金或多元合金精炼剂的研究已有很多，其制备工艺和技术趋于成熟，而对于铜与重稀土元素合金化方面的研究相对较少。

[0004] 钆是一种在室温下具有磁性的钇组重稀土元素，利用其物理性质和氧化物特性在改善铜及铜合金基体纯净度的同时还可以扩展铜材料的功能特性，具有很高的研究和应用价值。为提高钆元素的使用效率，也需采用中间合金方式添加。但钆元素化学活性高、受热时极易与水和空气等介质反应、高温熔炼时烧损严重，制备原料损失小、成分均匀的铜-钆二元中间合金是十分复杂的。当前关于铜-钆二元中间合金的研究十分有限，在中间合金熔炼与铸造技术方面尚需进一步完善。

发明内容

[0005] 本发明的主要目在于提出一种适用于铜钆中间合金的制备方法。经此方法制备的铜钆中间合金成分均匀、杂质含量低、熔点低，十分有利后续钆元素改性铜合金的制备。

[0006] 本发明提出的适用于铜钆中间合金的制备方法采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0007] (1)按照铜钆中间合金的质量比选料，配料，装炉；

[0008] (2)抽真空，升温，充氩气，待金属完全熔化后搅拌，保温精炼，除气；

[0009] (3)匀速浇铸。

[0010] 步骤(1)中，铜钆中间合金中钆元素的质量百分数为3％～9％，余量为铜；以金属铜、钆为原料，铜原料选用A级阴极电解铜，其纯度不小于99.9965％(质量百分比)，钆原料选用纯度不小于99.0％(质量百分比)钆元素。

[0011] 步骤(1)中，配料时按设计重量称量铜原料；在称量钆原料时应在设计重量的基础上增加3～6％(质量百分比)，即钆原料为设计重量的103～106％(质量百分比)。

[0012] 步骤(1)中，采用石墨坩埚进行熔炼；装料方式为：在石墨坩埚底部铺设2-5层切割成小块的电解铜板(电解铜板小块的尺寸为140mm×80mm以下)，将钆原料破碎成平均粒径小于15mm的颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1～2层电解铜板，如此反复直至原料全部装填完毕。

[0013] 步骤(2)中，抽真空至压力小于0.1Pa时开始以中等功率升温(升温速率为18～22℃/min)，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至20～30Pa，加大功率升温(升温速率为28～32℃/min)至1220～1250℃，待原料全部熔化后持续搅拌2～3分钟至反应完全，降温至1150～1170℃保温8～12分钟精炼，除气至压力小于0.8Pa。

[0014] 步骤(3)中，浇铸温度为1210～1230℃。

[0015] 步骤(3)中，浇铸模具为带石墨漏斗的水冷铜模。

[0016] 本发明采用特殊装料方法提高熔炼效率，通过控制熔炼工艺中各阶段的温度调节熔化、反应和精炼过程中的熔体质量，采用水冷模浇铸以减少偏析。该方法的优点是，能有效减少钆的烧损，制备的中间合金铸锭化学成分均匀、内部无明显缺陷(金相组织如图1所示)，其成分与设计成分偏差小，十分适合用于钆改性铜合金的制备。

附图说明

[0017] 图1为Cu-5wt.％Gd中间合金铸态金相组织。

具体实施方式

[0018] 以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步描述，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

[0019] 本发明的铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0020] (1)选料，配料，装炉：选取纯度不小于99.9965％(质量百分比)的A级阴极电解铜和纯度不小于99.0％(质量百分比)的钆作为原料，按钆元素占比3％～9％(质量百分比)、余量为铜配制中间合金并称量钆和电解铜，其中称量钆原料时应在设计重量的基础上增加3～6％(质量百分比)。装料时先在石墨坩埚底部铺设2-5层切割成小块的电解铜板，将破碎成平均粒径小于15mm的钆原料均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1～2层电解铜板，如此反复直至原料全部装填完毕。

[0021] (2)抽真空至压力小于0.1Pa时开始以中等功率升温(升温速率为18～22℃/min)，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至20～30Pa，加大功率升温(升温速率为28～32℃/min)至1220～1250℃，待原料全部熔化后持续搅拌2～3分钟至反应完全，降温至1150～1170℃保温8～12分钟精炼，除气至压力小于0.8Pa。

[0022] (3)提升温度至1210～1230℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0023] 实施例1：

[0024] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0025] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝97:3。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板97kg，剪成约(120mm±20mm)×(70mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆3.15kg，破碎成平均粒径12mm的小块作为原料。在200kg石墨坩埚底部铺设5层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖2层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0026] (2)抽真空至压力8.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至30Pa，加大功率升温至1250℃，待原料全部熔化后持续搅拌3分钟至反应完全，降温至1170℃保温12分钟精炼，除气至压力为0.6Pa。

[0027] (3)提升温度至1230℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0028] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：96.9wt.％，Gd：3.1wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0029] 实施例2：

[0030] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0031] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝96:4。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板96kg，剪成约(120mm±20mm)×(70mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆4.24kg，破碎成平均粒径12mm的小块作为原料。在200kg石墨坩埚底部铺设5层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖2层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0032] (2)抽真空至压力9.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至30Pa，加大功率升温至1250℃，待原料全部熔化后持续搅拌3分钟至反应完全，降温至1170℃保温12分钟精炼，除气至压力为0.6Pa。

[0033] (3)提升温度至1230℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0034] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：95.9wt.％，Gd：4.1wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0035] 实施例3：

[0036] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0037] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝95:5。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板47.5kg，剪成约(100mm±20mm)×(50mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆
2.625kg，破碎成平均粒径10mm的小块作为原料。在100kg石墨坩埚底部铺设4层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖2层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0038] (2)抽真空至压力8.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至25Pa，加大功率升温至1240℃，待原料全部熔化后持续搅拌3分钟至反应完全，降温至1160℃保温11分钟精炼，除气至压力为0.5Pa。

[0039] (3)提升温度至1220℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0040] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：95.0wt.％，Gd：5.0wt.％，杂质含量低、熔点低。如图1所示，为Cu-5wt.％Gd中间合金铸态金相组织，由图中可以看到，合金中化学成分分布均匀、内部无明显缺陷。

[0041] 实施例4：

[0042] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0043] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝94:6。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板47kg，剪成约(100mm±20mm)×(50mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆3.12kg，破碎成平均粒径10mm的小块作为原料。在100kg石墨坩埚底部铺设4层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖2层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0044] (2)抽真空至压力8.5×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至25Pa，加大功率升温至1240℃，待原料全部熔化后持续搅拌3分钟至反应完全，降温至1160℃保温11分钟精炼，除气至压力为0.5Pa。

[0045] (3)提升温度至1220℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0046] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：94.0wt.％，Gd：6.0wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0047] 实施例5：

[0048] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0049] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝93:7。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板37.2kg，剪成约(80mm±20mm)×(30mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆
2.912kg，破碎成平均粒径8mm的小块作为原料。在70kg石墨坩埚底部铺设3层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0050] (2)抽真空至压力6.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至25Pa，加大功率升温至1240℃，待原料全部熔化后持续搅拌2分钟至反应完全，降温至1160℃保温10分钟精炼，除气至压力为0.5Pa。

[0051] (3)提升温度至1220℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0052] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：93.1wt.％，Gd：6.9wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0053] 实施例6：

[0054] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0055] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝92:8。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板18.4kg，剪成约(50mm±10mm)×(30mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆
1.648kg，破碎成平均粒径5mm的小块作为原料。在50kg石墨坩埚底部铺设2层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0056] (2)抽真空至压力5.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至20Pa，加大功率升温至1230℃，待原料全部熔化后持续搅拌2分钟至反应完全，降温至1150℃保温9分钟精炼，除气至压力为0.4Pa。

[0057] (3)提升温度至1210℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0058] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：92.1wt.％，Gd：7.9wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0059] 实施例7：

[0060] 一种铜钆中间合金的制备方法，采取真空熔炼方式，包括如下步骤：

[0061] (1)设计中间合金质量比为Cu:Gd＝91:9。选取纯度大于99.9965wt.％电解铜板9.1kg，剪成约(30mm±10mm)×(30mm±10mm)的小块；选取纯度大于99.0wt.％的钆
0.927kg，破碎成平均粒径5mm的小块作为原料。在20kg石墨坩埚底部铺设2层电解铜板，将钆颗粒均匀铺设在电解铜层上面，再在其上覆盖1层电解铜板，反复铺设直至原料全部装填完毕。

[0062] (2)抽真空至压力3.0×10-2Pa时开始以中等功率升温，至电解铜开始熔化并伴有微量金属液飞溅时，充氩气至20Pa，加大功率升温至1220℃，待原料全部熔化后持续搅拌2分钟至反应完全，降温至1150℃保温8分钟精炼，除气至压力为0.4Pa。

[0063] (3)提升温度至1210℃，将反应物匀速浇入带石墨漏斗的水冷铜模中。

[0064] 按照上述配比及工艺制备的铜钆中间合金，其化学成分为Cu：91.2wt.％，Gd：8.8wt.％，且化学成分均匀、内部无明显缺陷，杂质含量低、熔点低。

[0065] 本发明采取真空熔炼方式制备钆含量为3％～9％(质量百分数)的铜钆中间合金，经此方法制备的铜钆中间合金铸锭成分均匀且偏差小、杂质含量低、熔点低、内部无明显缺陷，十分适合用于钆改性铜合金的制备。