本發(fā)明涉及一種銅釓中間合金的制備方法，屬于銅合金材料熔煉鑄造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
稀土元素在銅中主要起凈化、去除雜質(zhì)和細化晶粒的作用，在顯著提高材料強度和耐熱性能的同時對導(dǎo)電性影響較小，還能顯著改善合金的鑄造性能。利用我國稀土特色優(yōu)勢，研發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的稀土改性銅及銅合金對于開拓稀土的高效利用和高端應(yīng)用、支持和發(fā)展我國銅加工產(chǎn)業(yè)具有重要的意義。
研究已知，添加極少量的稀土元素就可以顯著改變銅或銅合金中的某些特性，這個添加量一般不大于1wt.％，以一種軌道交通接觸線用銅錫合金為例，只需添加0.01～0.04wt.％的富鈰混合稀土。因此，通常采用銅-稀土中間合金方式向銅或銅合金中添加稀土元素。關(guān)于銅-輕稀土二元中間合金或多元合金精煉劑的研究已有很多，其制備工藝和技術(shù)趨于成熟，而對于銅與重稀土元素合金化方面的研究相對較少。
釓是一種在室溫下具有磁性的釔組重稀土元素，利用其物理性質(zhì)和氧化物特性在改善銅及銅合金基體純凈度的同時還可以擴展銅材料的功能特性，具有很高的研究和應(yīng)用價值。為提高釓元素的使用效率，也需采用中間合金方式添加。但釓元素化學活性高、受熱時極易與水和空氣等介質(zhì)反應(yīng)、高溫熔煉時燒損嚴重，制備原料損失小、成分均勻的銅-釓二元中間合金是十分復(fù)雜的。當前關(guān)于銅-釓二元中間合金的研究十分有限，在中間合金熔煉與鑄造技術(shù)方面尚需進一步完善。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目在于提出一種適用于銅釓中間合金的制備方法。經(jīng)此方法制備的銅釓中間合金成分均勻、雜質(zhì)含量低、熔點低，十分有利后續(xù)釓元素改性銅合金的制備。
本發(fā)明提出的適用于銅釓中間合金的制備方法采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)按照銅釓中間合金的質(zhì)量比選料，配料，裝爐；
(2)抽真空，升溫，充氬氣，待金屬完全熔化后攪拌，保溫精煉，除氣；
(3)勻速澆鑄。
步驟(1)中，銅釓中間合金中釓元素的質(zhì)量百分數(shù)為3％～9％，余量為銅；以金 屬銅、釓為原料，銅原料選用A級陰極電解銅，其純度不小于99.9965％(質(zhì)量百分比)，釓原料選用純度不小于99.0％(質(zhì)量百分比)釓元素。
步驟(1)中，配料時按設(shè)計重量稱量銅原料；在稱量釓原料時應(yīng)在設(shè)計重量的基礎(chǔ)上增加3～6％(質(zhì)量百分比)，即釓原料為設(shè)計重量的103～106％(質(zhì)量百分比)。
步驟(1)中，采用石墨坩堝進行熔煉；裝料方式為：在石墨坩堝底部鋪設(shè)2-5層切割成小塊的電解銅板(電解銅板小塊的尺寸為140mm×80mm以下)，將釓原料破碎成平均粒徑小于15mm的顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋1～2層電解銅板，如此反復(fù)直至原料全部裝填完畢。
步驟(2)中，抽真空至壓力小于0.1Pa時開始以中等功率升溫(升溫速率為18～22℃/min)，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至20～30Pa，加大功率升溫(升溫速率為28～32℃/min)至1220～1250℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌2～3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1150～1170℃保溫8～12分鐘精煉，除氣至壓力小于0.8Pa。
步驟(3)中，澆鑄溫度為1210～1230℃。
步驟(3)中，澆鑄模具為帶石墨漏斗的水冷銅模。
本發(fā)明采用特殊裝料方法提高熔煉效率，通過控制熔煉工藝中各階段的溫度調(diào)節(jié)熔化、反應(yīng)和精煉過程中的熔體質(zhì)量，采用水冷模澆鑄以減少偏析。該方法的優(yōu)點是，能有效減少釓的燒損，制備的中間合金鑄錠化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷(金相組織如圖1所示)，其成分與設(shè)計成分偏差小，十分適合用于釓改性銅合金的制備。
附圖說明
圖1為Cu-5wt.％Gd中間合金鑄態(tài)金相組織。
具體實施方式
以下通過具體實例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。
本發(fā)明的銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)選料，配料，裝爐：選取純度不小于99.9965％(質(zhì)量百分比)的A級陰極電解銅和純度不小于99.0％(質(zhì)量百分比)的釓作為原料，按釓元素占比3％～9％(質(zhì)量百分比)、余量為銅配制中間合金并稱量釓和電解銅，其中稱量釓原料時應(yīng)在設(shè)計重量的基礎(chǔ)上增加3～6％(質(zhì)量百分比)。裝料時先在石墨坩堝底部鋪設(shè)2-5層切割成小塊的電解銅板，將破碎成平均粒徑小于15mm的釓原料均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋1～2層電解銅板，如此反復(fù)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力小于0.1Pa時開始以中等功率升溫(升溫速率為18～22℃/min)，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至20～30Pa，加大功率升溫(升溫速率為28～32℃/min)至1220～1250℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌2～3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1150～1170℃保溫8～12分鐘精煉，除氣至壓力小于0.8Pa。
(3)提升溫度至1210～1230℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
實施例1：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝97:3。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板97kg，剪成約(120mm±20mm)×(70mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓3.15kg，破碎成平均粒徑12mm的小塊作為原料。在200kg石墨坩堝底部鋪設(shè)5層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋2層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力8.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至30Pa，加大功率升溫至1250℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1170℃保溫12分鐘精煉，除氣至壓力為0.6Pa。
(3)提升溫度至1230℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：96.9wt.％，Gd：3.1wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
實施例2：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝96:4。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板96kg，剪成約(120mm±20mm)×(70mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓4.24kg，破碎成平均粒徑12mm的小塊作為原料。在200kg石墨坩堝底部鋪設(shè)5層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋2層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力9.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至30Pa，加大功率升溫至1250℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1170℃保溫12分鐘精煉，除氣至壓力為0.6Pa。
(3)提升溫度至1230℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：95.9wt.％，Gd：4.1wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
實施例3：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝95:5。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板47.5kg，剪成約(100mm±20mm)×(50mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓2.625kg，破碎成平均粒徑10mm的小塊作為原料。在100kg石墨坩堝底部鋪設(shè)4層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋2層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力8.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至25Pa，加大功率升溫至1240℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1160℃保溫11分鐘精煉，除氣至壓力為0.5Pa。
(3)提升溫度至1220℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：95.0wt.％，Gd：5.0wt.％，雜質(zhì)含量低、熔點低。如圖1所示，為Cu-5wt.％Gd中間合金鑄態(tài)金相組織，由圖中可以看到，合金中化學成分分布均勻、內(nèi)部無明顯缺陷。
實施例4：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝94:6。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板47kg，剪成約(100mm±20mm)×(50mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓3.12kg，破碎成平均粒徑10mm的小塊作為原料。在100kg石墨坩堝底部鋪設(shè)4層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋2層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力8.5×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至25Pa，加大功率升溫至1240℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌3分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1160℃保溫11分鐘精煉，除氣至壓力為0.5Pa。
(3)提升溫度至1220℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：94.0wt.％，Gd：6.0wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
實施例5：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝93:7。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板37.2kg，剪成約(80mm±20mm)×(30mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓2.912kg，破碎成平均粒徑8mm的小塊作為原料。在70kg石墨坩堝底部鋪設(shè)3層電 解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋1層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力6.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至25Pa，加大功率升溫至1240℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌2分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1160℃保溫10分鐘精煉，除氣至壓力為0.5Pa。
(3)提升溫度至1220℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：93.1wt.％，Gd：6.9wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
實施例6：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝92:8。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板18.4kg，剪成約(50mm±10mm)×(30mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓1.648kg，破碎成平均粒徑5mm的小塊作為原料。在50kg石墨坩堝底部鋪設(shè)2層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋1層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力5.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至20Pa，加大功率升溫至1230℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌2分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1150℃保溫9分鐘精煉，除氣至壓力為0.4Pa。
(3)提升溫度至1210℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：92.1wt.％，Gd：7.9wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
實施例7：
一種銅釓中間合金的制備方法，采取真空熔煉方式，包括如下步驟：
(1)設(shè)計中間合金質(zhì)量比為Cu:Gd＝91:9。選取純度大于99.9965wt.％電解銅板9.1kg，剪成約(30mm±10mm)×(30mm±10mm)的小塊；選取純度大于99.0wt.％的釓0.927kg，破碎成平均粒徑5mm的小塊作為原料。在20kg石墨坩堝底部鋪設(shè)2層電解銅板，將釓顆粒均勻鋪設(shè)在電解銅層上面，再在其上覆蓋1層電解銅板，反復(fù)鋪設(shè)直至原料全部裝填完畢。
(2)抽真空至壓力3.0×10-2Pa時開始以中等功率升溫，至電解銅開始熔化并伴有微量金屬液飛濺時，充氬氣至20Pa，加大功率升溫至1220℃，待原料全部熔化后持續(xù)攪拌2分鐘至反應(yīng)完全，降溫至1150℃保溫8分鐘精煉，除氣至壓力為0.4Pa。
(3)提升溫度至1210℃，將反應(yīng)物勻速澆入帶石墨漏斗的水冷銅模中。
按照上述配比及工藝制備的銅釓中間合金，其化學成分為Cu：91.2wt.％，Gd：8.8wt.％，且化學成分均勻、內(nèi)部無明顯缺陷，雜質(zhì)含量低、熔點低。
本發(fā)明采取真空熔煉方式制備釓含量為3％～9％(質(zhì)量百分數(shù))的銅釓中間合金，經(jīng)此方法制備的銅釓中間合金鑄錠成分均勻且偏差小、雜質(zhì)含量低、熔點低、內(nèi)部無明顯缺陷，十分適合用于釓改性銅合金的制備。