一种大吨位铬锆铜合金的制造方法

摘要

一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，在铜基体中含有0.01‑0.6wt％的锆、含有0.2‑3wt％的铬，合金在真空或保护气氛中熔炼；熔炼室分为上下二个区域，上部为大容量的低温区、采用电阻加热模式，加热温度范围为0‑1400℃，能够实现5000kg以上纯铜或含锆铜合金的熔化、熔炼；下部是小容量的高温区，采用中频感应加热模式，可以在0‑2200℃温度区间范围内快速加热，实现25‑300kg纯铬或含铬铜合金的熔炼、熔化，熔化的铬组元溶解于铜液并逆重力方向上浮进入上部低温铜合金熔液；上下二个区域的高低温熔液被固定于低温区下方的多孔泡沫铬材料隔离，其功能是避免下部熔区中的未完全熔化或未完全溶解于铜液中的大尺寸铬颗粒上浮进入炉体低温区中，同时保持上下二个温区铜合金熔液的自由流动；全部材料熔化完成后将坩埚内材料倾倒浇铸成铸锭、或者采用上引、下引、侧引铸锭的方式凝固成所需形状的铸件。

权利要求

1.一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，其特征在于，铬锆铜合金在真空或惰性气体保护环境中熔炼时采用一种炉内垂直分区熔炼方法：上部低温大容量温区采用电阻加热模式，加热温度区间范围为0-1400℃，熔炼容量大于5000kg，实现含锆铜合金的熔炼；下部高温小体积温区采用感应加热模式，熔炼容量为25-300kg,实现0-2200℃温度区间范围内的纯铬或含铬铜合金的熔炼；在炉内坩埚靠近坩埚底部固定有多孔泡沫铬材料将高低温熔液隔离，多孔泡沫铬材料的内部孔径为0.1-5mm，同时保持上下二个温区液体的自由流动；全部材料熔化完成后将坩埚内材料倾倒浇铸成铸锭、或者采用上引、下引、侧引铸锭的方式凝固成所需形状的铸件。

2.根据权利要求1所述的一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，其特征在于，所述的铬锆铜合金是在铜基体中含有占总量0.01-0.6wt％的锆，占总量0.2-3wt％的铬。

3.根据权利要求1所述的一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，其特征在于，采用真空熔炼方式时真空度范围为5-3000Pa；采用惰性气体保护环境时，气压范围为0.05-0.2MPa。

说明书

一种大吨位铬锆铜合金的制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于高强高导铜合金制造技术领域，特别涉及一种5吨以上的大吨位铬锆铜合金的制造方法。

背景技术

[0002] 铜是人类消耗量排在第三位的常用金属，具有良好的导电、导热性能、耐腐蚀性和优越的冷变形能力，是电力、电器、电子、通讯、交通、航空航天和机械制造业不可或缺的关键材料。

[0003] 随着工业技术的发展，铜材的一些性能已经不满足社会需求。其中，铜材的强度不足是其主要缺点，一般情况下，纯铜的冷态强度低于300MPa，冷加工变形后强度稍高于400MPa。但铜材冷变形后塑性下降严重，而且使用温度略高强度就会下降到变形前的水平。

[0004] 铬锆铜是一类最为重要的高强高导铜合金材料，是在纯铜中添加0.5-3wt％的铬、0.05-0.3wt％的锆。这一材料继承了纯铜的优越导电、导热性能，同时强度能够提高到500-
600MPa、导电率在80％IACS以上，成为电阻焊电极、连铸结晶器、集成电路引线框架、电触点材料、气割机喷嘴、电气化铁路接触线、牵引电机导条、滑环、护环、高压开关导电杆、触指、大型微波管结构和导电材料、切换开关、代银触头、灯丝引线、大型高速涡轮发电机的转子导线、电动机电刷、以及旋转源中子耙、核聚变系统中燃烧室喷嘴、衬套、火箭或喷气式飞机机翼或叶片前缘、微波管、电真空器件、大功率电子管支架等自冷导热材料等工业领域的关键材料。

[0005] 由于锆元素易氧化、铬极难熔化和溶解于铜液中，使得铬锆铜合金一般需要在真空或惰性气氛下熔炼。然而，由于受制于电源功率和感应圈绝缘问题的限制，人们难以制造大功率、大容量真空熔炼炉或惰性气氛熔炼炉，使得至今国内外一般只能制造重量500kg以下的铬锆铜材料。

发明内容

[0006] 为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，采用炉内垂直分区熔炼，将含铬组元的熔炼合金置于真空或气氛炉的下部，用水冷感应圈感应加热获得的高温使其熔化和溶解于铜液中，此一区域的熔炼容量为25-300kg，可实现的加热温度范围为0-2200℃；将含锆组元和铜组元的熔炼置于真空或气氛炉的上部，用电阻加热方式使锆和铜组元熔化,此一区域的熔炼容量为大于5000kg，加热温度区间为0-1400℃；二者用多孔泡沫铬材料隔离，多孔泡沫铬材料的内部孔径为0.1-5mm，使熔化和溶解后的富铬铜熔体因比重低于铜熔体而通过多孔泡沫铬材料上浮溶于上部铜熔体中，未熔化和未溶解于铜熔体中的铬颗粒被多孔泡沫铬材料隔离而保持于下部高温区中直至熔化和溶解完成。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0008] 一种大吨位铬锆铜合金的制造方法，铬锆铜合金在真空或惰性气体保护环境中熔炼时采用一种炉内垂直分区熔炼方法：上部低温大容量温区采用电阻加热模式，加热温度区间范围为0-1400℃，熔炼容量大于5000kg，实现纯铜或含锆铜合金的熔炼；下部高温小体积温区采用感应加热模式，熔炼容量为25-300kg,实现0-2200℃温度区间范围内的纯铬或含铬铜合金的熔炼；在炉内坩埚靠近坩埚底部固定有多孔泡沫铬材料将高低温熔液隔离，多孔泡沫铬材料的内部孔径为0.1-5mm，同时保持上下二个温区液体的自由流动；全部材料熔化完成后将坩埚内材料倾倒浇铸成铸锭、或者采用上引、下引、侧引铸锭的方式凝固成所需形状的铸件。

[0009] 所述的铬锆铜合金是在铜基体中含有占总量0.01-0.6wt％的锆，占总量0.2-3wt％的铬。

[0010] 采用真空熔炼方式时真空度范围为5-3000Pa；采用惰性气体保护环境时，气压范围为0.05-0.2MPa。

[0011] 本技术方法的设计原理是将熔化分为上下二个区域、分别采用不同的加热方式、形成的内部熔体中的二个不同温度的熔区由多孔泡沫铬材料隔离。其中，上部用电阻式发热体加热，解决因受制于电源功率和感应圈绝缘问题而难以获得大功率、大容量真空熔炼炉或惰性气氛熔炼炉的问题；在炉体下部一个小区域内采用感应式加热，依靠其实现的高温和快速加热将铬熔化和溶解，解决传统电阻加热方式难以获得持续高温和加热速度缓慢、无法将铬组元熔化和溶解于铜液体的问题，熔化后的铬组元溶解于铜液并逆重力方向上浮进入上部区域的低温铜合金熔液；二个区域由多孔泡沫铬材料隔离，避免下部熔区中的未完全熔化或未完全溶解于铜液中的大尺寸铬颗粒上浮进入炉体低温区中。

附图说明

[0012] 图1是实施例1中铬锆铜的显微组织。

[0013] 图2是实施例2中铬锆铜的显微组织。

[0014] 图3是实施例3中铬锆铜的显微组织。

[0015] 图4是实施例4中铬锆铜的显微组织。

具体实施方式

[0016] 下面结合实施例详细说明本发明的实施方式。

[0017] 实施例一

[0018] 采用真空熔炼方式，炉室中工作真空度为5-200Pa。真空炉内安装采用上粗下细的石墨坩埚，坩埚上部孔内的孔径为1800mm，孔深度2000mm，可以容纳最大重量约30吨的铜液体；坩埚下部细孔中上口内径320mm、底部内径350mm，孔深度600mm，可以实现300kg纯铬或含铬铜合金的熔炼；坩埚下部与上部变径过度处固定有与细孔过度处直径相同(320mm)的多孔泡沫铬材料，泡沫铬材料的厚度为25mm，内部孔径为0.2-0.5mm，多孔泡沫铬材料在熔化过程中将高低温熔液隔离，避免下部熔区中的未完全熔化或未完全溶解于铜液中的大尺寸铬颗粒上浮进入炉体低温区中。

[0019] 坩埚上部圆周外采用石墨电极为发热体的电阻加热模式，可实现的最高加热温度为1300℃；坩埚下部采用水冷铜感应圈，采用中频感应加热模式，中频频率为1500Hz；石墨发热体与水冷铜感应圈之间用绝缘保温材料隔离分开。

[0020] 将熔炼用的全部铬原料放入下部细孔坩埚内，之后安装固定多孔泡沫铬材料，铜和全部锆原料放入上部大孔坩埚中。

[0021] 对上下二个区域材料同时开始加热，上部铜和锆原料加热至800℃以上后开始逐步熔化，熔化后熔液可流入下部高温区中帮助下部铬原料熔化和溶解；下部铬块加热至1800℃以上时铬块逐渐熔化和溶解于铜液中、之后逆重力上浮进入上部低温区中并被稀释于铜熔液中。上下二个区域材料全部熔清后将坩埚内材料用上引法引出棒状铬锆铜铸锭。

[0022] 图1为该方法制备样品放大20倍的金相组织，表明获得了均匀致密的组织结构。

[0023] 表1为该方法制备铸锭中取样的化学分析结果，达到了设计的成份要求。

[0024] 表1实施例1成份分析

[0025] 样品号 铬(wt％) 锆(wt％)1 0.82 0.081
2 0.94 0.087
3 1.09 0.098

[0026] 实施例二

[0027] 采用真空熔炼方式，炉室中工作真空度为20-500Pa。真空炉内原位捣打上粗下细的氧化镁坩埚，坩埚孔中上口内径900mm、下部内径1000mm，孔深2000mm，可以容纳最大重量约10吨的铜液体；坩埚下部细孔内的直径为250mm，孔深度400mm，可以实现120kg含铬铜合金的熔炼。坩埚下部与上部变径过度处镶嵌固定与细孔过度处直径相同的多孔泡沫铬材料(250mm)，泡沫铬材料的厚度为10mm、泡沫网络内部孔径为1-2mm。

[0028] 坩埚上部圆周外采用采用硅碳棒电极为发热体的电阻加热模式，可最高加热至1400℃；坩埚下部采用水冷铜感应圈，采用中频感应加热模式，中频频率为3000Hz；石墨发热体与水冷铜感应圈之间用绝缘保温材料隔离分开。

[0029] 将熔炼用的全部铬原料以及占总质量比为30wt％的铜放入下部细孔坩埚内，之后安装固定多孔泡沫铬材料于上部坩埚下方，其余铜和全部锆原料放入上部大孔坩埚中。

[0030] 对上下二个区域材料同时开始加热，上部铜和锆原料加热至850℃以上后开始逐步熔化，熔化后熔液可流入下部高温区中帮助下部铬原料熔化和溶解；下部铬和铜被加热至1800°以上时铬块熔化和溶解于铜液中、之后逆重力上浮进入上部低温区中并被稀释于铜熔液中。上下二个区域材料全部熔清后将坩埚内材料倾倒入模具浇铸成铸锭。

[0031] 附图2为该方法制备样品放大20倍的金相组织，表明获得了均匀致密的组织结构。

[0032] 表2为该方法制备铸锭中取样的化学分析结果，达到了设计的成份要求。

[0033] 表2实施例2成份分析

[0034] 样品号 铬(wt％) 锆(wt％)1 0.78 0.085
2 0.81 0.085
3 0.82 0.089

[0035] 实施例三

[0036] 采用氮气保护的气氛熔炼方式，炉室中充入0.05-0.07MPa氮气。气氛炉内上部捣打氧化钙坩埚，坩埚孔中上口内径720mm、下部内径800mm、孔深1300mm，可以容纳最大重量约5吨的铜液体；氧化钙坩埚下部安装孔径250mm、孔深度350mm的石墨坩埚，可以实现100kg纯铬或含铬铜合金的熔炼；二种坩埚相接处安装固定多孔泡沫铬材料，泡沫铬材料的直径与下部石墨坩埚上口直径相同(250mm)，厚度为30mm，内部孔径为0.5-0.8mm。

[0037] 坩埚上部圆周外采用采用镍铬丝电极为发热体的电阻加热模式，可加热温度至最高温度1200°；坩埚下部采用水冷铜感应圈，采用中频感应加热模式，中频频率为3000Hz；镍铬丝发热体与水冷铜感应圈之间用绝缘保温材料隔离分开。

[0038] 将熔炼用的全部铬原料以及占总量比为30wt％的铜放入下部细孔坩埚内，之后安装固定多孔泡沫铬材料，其余铜和全部锆原料放入上部大孔氧化钙坩埚中。

[0039] 先对上部区域材料加热，上部铜和锆原料加热至1150℃保温，上部铜材料开始熔化后对下部石墨坩埚中材料开始送电加热，下部铬和铜被加热至全部熔化和溶解于铜液中后，将坩埚内熔液倾倒入模具浇铸成铸锭。

[0040] 附图3为该方法制备样品放大20倍的金相组织，表明获得了均匀致密的组织结构。

[0041] 表3为该方法制备铸锭中取样的化学分析结果，达到了设计的成份要求。

[0042] 表3实施例3成份分析

[0043] 样品号 铬(wt％) 锆(wt％)1 0.85 0.084
2 0.72 0.097
3 0.68 0.15

[0044] 实施例四

[0045] 采用氩气保护的气氛熔炼方式，炉室中充入0.09-0.1MPa氩气。气氛炉内下部捣打氧化镁坩埚，坩埚上口内径230mm、下部内径250mm，孔深度600mm，可以实现100kg纯铬或含铬铜合金的熔炼；氧化镁坩埚上部安装石墨坩埚，坩埚内孔直径为800mm、孔深1300mm，可以容纳最大重量约5吨的铜液体；二种坩埚相接处安装固定多孔泡沫铬材料，泡沫铬材料的直径与下部氧化镁坩埚上口直径相同(230mm)，厚度为30mm，内部孔径为2-3mm。

[0046] 坩埚上部圆周外采用石墨电极为发热体的电阻加热模式，加热温度最高可至1400°；坩埚下部采用水冷铜感应圈，采用中频感应加热模式，中频频率为2500Hz；石墨发热体与水冷铜感应圈之间用绝缘保温材料隔离分开。

[0047] 将熔炼用的全部铬原料以及占总质量比45wt％的铜放入下部氧化镁坩埚内，之后安装固定多孔泡沫铬材料，其余铜和全部锆原料放入上部石墨坩埚中。

[0048] 先对上部区域材料加热，上部铜和锆原料加热至1300℃保温，上部铜材料开始熔化后对下部氧化镁坩埚中材料开始送电加热，下部铬和铜被加热至全部熔化和溶解于铜液中后，用下引法将坩埚内熔液引入坩埚制备成板状铸锭。

[0049] 附图4为该方法制备样品放大20倍的金相组织，表明获得了均匀致密的组织结构。

[0050] 表4为该方法制备铸锭中取样的化学分析结果，达到了设计的成份要求。

[0051] 表4实施例4成份分析

[0052]样品号 铬(wt％) 锆(wt％)
1 1.36 0.060
2 1.09 0.047
3 1.22 0.094