真空熔鑄工藝對(duì)銅鉻合金組織與性能的影響

摘要：試驗(yàn)?zāi)康模航档腿坭T過(guò)程對(duì)合金組織造成的負(fù)面影響。試驗(yàn)方法：通過(guò)真空熔鑄工藝針對(duì)銅鉻合金進(jìn)行制備，利用顯微鏡、電鏡以及能譜，深入探究真空熔鑄工藝對(duì)銅鉻合金組織與性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果：經(jīng)一系列試驗(yàn)后表明，通過(guò)真空熔鑄工藝可以對(duì)銅鉻合金成分和組織展開有效控制，鑄件缺陷也會(huì)有所減少。

關(guān)鍵詞：真空熔煉;銅鉻合金;中間合金;組織偏析

引言：

銅鉻合金以其高強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中得到極其廣泛的工業(yè)應(yīng)用，主要制備方法有燒結(jié)法、真空熔煉法、等離子噴涂法等。采用真空熔煉法時(shí)，由于鉻熔煉過(guò)程是在真空或其他惰性氣氛中進(jìn)行，銅鉻合金純度較高，結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)較少，通過(guò)此方法可獲得力學(xué)性能和電學(xué)性能優(yōu)異的鑄件材料，且非常適合工業(yè)化運(yùn)用。

1試驗(yàn)條件

1.1成分

在本次試驗(yàn)中所用金屬原料為99.9%電解銅和金屬鉻，鉻合金的最大粒徑約為2mm。熔煉過(guò)程為：通過(guò)真空熔煉爐實(shí)現(xiàn)快速熔煉，熔煉過(guò)程在真空狀態(tài)或惰性氣氛進(jìn)行澆鑄。為了充分研究不同新型鑄件冷卻溫度和速率對(duì)不同鑄錠結(jié)構(gòu)、宏觀組織偏析和收縮情況等不同鑄造結(jié)構(gòu)缺陷的直接影響，設(shè)計(jì)兩種新型鑄件冷卻系統(tǒng)。澆注冷卻溫度分別為1280℃和1330℃。

1.2方法

在1280℃與1330℃溫度下澆鑄四根試樣，針對(duì)試樣橫截面展開深入分析。試驗(yàn)過(guò)程為：將純鉻與中間合金以不同的方式融入銅鉻合金之中，純鉻在熔煉過(guò)程的熔點(diǎn)較高，而銅鉻中間合金的熔點(diǎn)一般低于純鉻，且晶體鉻含量一般在4%以上。根據(jù)純銅鉻二元相圖分析，共晶中間合金鋼的成分約為1.28%。對(duì)于以往的共晶銅鉻合金鋼在冷卻制備中由一個(gè)液相共晶區(qū)開始進(jìn)入液固兩相共晶區(qū)，首先需要析出初生鉻，由于初生鉻的比例比初生銅小得多，鉻比例的上升容易引起明顯的偏析，鉻含量比例越高，偏析越嚴(yán)重，因此使銅鉻合金的共晶成分不在中間，后期銅鉻合金鋼的共晶成分在鑄造過(guò)程中無(wú)法準(zhǔn)確控制。按本文要求制備的銅鉻合金含鉻量約為0.8%，屬亞類共晶銅鉻合金，其溫度流動(dòng)區(qū)間和共晶成分流動(dòng)區(qū)間遠(yuǎn)小于初生Cu-4%Cr合金，因此合金凝固過(guò)程中的成分流動(dòng)性能較好，凝固后的比重偏析可能較小。因此，選取中間合金制備銅鉻合金，這樣不僅可以簡(jiǎn)化制備過(guò)程，減少比重偏析，而且更有利于銅鉻合金共晶成分的精確含量控制。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1含量影響

四根試樣中Cr的平均含量接近于Cu-0.8%Cr的標(biāo)稱含量，并對(duì)Cr含量進(jìn)行準(zhǔn)確控制。但是，四種澆鑄試樣的平均Cr含量略高于0.8%，說(shuō)明電解銅的整體質(zhì)量損失比固體鉻更嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，合金金屬元素的氧化揮發(fā)、飛濺和蒸發(fā)燃燒損失，可能是合金金屬元素在熔煉過(guò)程中整體質(zhì)量損失的主要原因。由于整個(gè)電解銅的沸點(diǎn)和蒸發(fā)熱與固體鉻含量相似，并且通過(guò)收集坩堝壁和爐體中含有的固體鉻殘?jiān)Q重后可以發(fā)現(xiàn)，由于銅合金揮發(fā)性燃燒對(duì)金屬鉻元素整體質(zhì)量的損失只有鉻合金成分總重量的1%左右，所以鉻合金元素?fù)]發(fā)性對(duì)熔煉合金相對(duì)固體的化學(xué)成分含量影響不大。此外，在高溫真空熔煉合金的條件下，氧化飛濺燃燒損失很小，且不直接影響熔煉合金的相對(duì)成分。

2.2偏析影響

雖然合金試樣中部Cr含量均勻，但底部較低，靠近底部的冒口比例較高，頂部重量明顯下降。從Cu-Cr合金相圖分析，Cu-0.8%Cr可繼續(xù)共晶，隨著合金液固相的不斷凝固過(guò)程，固/液合金樣品在液固相結(jié)晶界面中部元素鉻含量越來(lái)越高，因此，后續(xù)合金液晶固體，鉻含量越高，合金樣品的鉻含量越高，縮孔在試樣中由于兩端Cr濃度低，合金液中Cr含量高，最終凝固。由于宏觀成分的偏析主要取決于凝固過(guò)程中液相的流動(dòng)偏析，顯然，隨著合金模具整體冷卻和導(dǎo)熱系數(shù)的提高，鑄造溫度逐漸降低，凝固合金的液流速率逐漸顯著增大。固相組成的快速連續(xù)凝固限制了長(zhǎng)期液體的正常連續(xù)流動(dòng)，由于成分偏析而沒(méi)有足夠的時(shí)間向液面擴(kuò)散，宏觀分量偏析的幅度有明顯減小的趨勢(shì)。

3影響分析

經(jīng)過(guò)500℃，3h連續(xù)退火后，鑄態(tài)合金試樣的退火電導(dǎo)率和晶界硬度顯著提高，退火前后電導(dǎo)率和晶界硬度變化明顯。此外，在這些顆粒中可能還存在少量彌漫性單相圓形凝固顆粒，如下圖所示：

在500℃連續(xù)退火3h后，未觀察到大量的單相Cr凝固顆粒，也未在這些晶粒中擴(kuò)散析出，但晶界明顯粗糙。這種情況的主要原因?yàn)椋恒~鉻合金在冷卻條件較大時(shí)，其中的Cr會(huì)在基體之中處于固溶狀態(tài)，導(dǎo)致一些鑄態(tài)合金樣品的退火和傳導(dǎo)效率顯著下降。單相Cr在不同銅合金基體中的平衡凝固使其溶解度迅速降低。在隨后的晶界退火過(guò)程中，隨著基體溫度的降低，通過(guò)過(guò)飽和固溶體和沉淀強(qiáng)化處理，單相Cr粒子的原子向晶界擴(kuò)散，迅速實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的晶界強(qiáng)化。晶界和原子晶格結(jié)構(gòu)對(duì)銅基體的畸變大大降低，鑄態(tài)合金樣品的電導(dǎo)率和晶界硬度均大大提高?？梢钥闯?，合金未經(jīng)固化固溶處理，直接時(shí)效不能間接達(dá)到良好的晶界強(qiáng)化效果。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，經(jīng)過(guò)以上試驗(yàn)后可以得知，通過(guò)中間合金方式，加入鉻元素，熔煉后，合金金屬元素鉻燃燒損耗小，鑄件成分均勻，且銅鉻合金的鑄造質(zhì)量遠(yuǎn)高于相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從根本解決鑄件在熔煉過(guò)程中形成的各種缺陷問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：劉家濤（1987.03.），性別：男，民族：漢，籍貫：遼寧省普蘭店市，職務(wù)/職稱：工程師，學(xué)歷：研究生，單位：中鋁沈陽(yáng)有色金屬加工有限公司，研究方向：材料工程，單位所在省市及郵編：遼寧省沈陽(yáng)市110108。