真空熔铸工艺对铜铬合金组织与性能的影响

摘要：试验目的：降低熔铸过程对合金组织造成的负面影响。试验方法：通过真空熔铸工艺针对铜铬合金进行制备，利用显微镜、电镜以及能谱，深入探究真空熔铸工艺对铜铬合金组织与性能的影响。试验结果：经一系列试验后表明，通过真空熔铸工艺可以对铜铬合金成分和组织展开有效控制，铸件缺陷也会有所减少。

关键词：真空熔炼;铜铬合金;中间合金;组织偏析

引言：

铜铬合金以其高强度和良好的导热系数等特点，在我国工业生产中得到极其广泛的工业应用，主要制备方法有烧结法、真空熔炼法、等离子喷涂法等。采用真空熔炼法时，由于铬熔炼过程是在真空或其他惰性气氛中进行，铜铬合金纯度较高，结构中的杂质较少，通过此方法可获得力学性能和电学性能优异的铸件材料，且非常适合工业化运用。

1试验条件

1.1成分

在本次试验中所用金属原料为99.9%电解铜和金属铬，铬合金的最大粒径约为2mm。熔炼过程为：通过真空熔炼炉实现快速熔炼，熔炼过程在真空状态或惰性气氛进行浇铸。为了充分研究不同新型铸件冷却温度和速率对不同铸锭结构、宏观组织偏析和收缩情况等不同铸造结构缺陷的直接影响，设计两种新型铸件冷却系统。浇注冷却温度分别为1280℃和1330℃。

1.2方法

在1280℃与1330℃温度下浇铸四根试样，针对试样横截面展开深入分析。试验过程为：将纯铬与中间合金以不同的方式融入铜铬合金之中，纯铬在熔炼过程的熔点较高，而铜铬中间合金的熔点一般低于纯铬，且晶体铬含量一般在4%以上。根据纯铜铬二元相图分析，共晶中间合金钢的成分约为1.28%。对于以往的共晶铜铬合金钢在冷却制备中由一个液相共晶区开始进入液固两相共晶区，首先需要析出初生铬，由于初生铬的比例比初生铜小得多，铬比例的上升容易引起明显的偏析，铬含量比例越高，偏析越严重，因此使铜铬合金的共晶成分不在中间，后期铜铬合金钢的共晶成分在铸造过程中无法准确控制。按本文要求制备的铜铬合金含铬量约为0.8%，属亚类共晶铜铬合金，其温度流动区间和共晶成分流动区间远小于初生Cu-4%Cr合金，因此合金凝固过程中的成分流动性能较好，凝固后的比重偏析可能较小。因此，选取中间合金制备铜铬合金，这样不仅可以简化制备过程，减少比重偏析，而且更有利于铜铬合金共晶成分的精确含量控制。

2试验结果

2.1含量影响

四根试样中Cr的平均含量接近于Cu-0.8%Cr的标称含量，并对Cr含量进行准确控制。但是，四种浇铸试样的平均Cr含量略高于0.8%，说明电解铜的整体质量损失比固体铬更严重。一般来说，合金金属元素的氧化挥发、飞溅和蒸发燃烧损失，可能是合金金属元素在熔炼过程中整体质量损失的主要原因。由于整个电解铜的沸点和蒸发热与固体铬含量相似，并且通过收集坩埚壁和炉体中含有的固体铬残渣称重后可以发现，由于铜合金揮发性燃烧对金属铬元素整体质量的损失只有铬合金成分总重量的1%左右，所以铬合金元素挥发性对熔炼合金相对固体的化学成分含量影响不大。此外，在高温真空熔炼合金的条件下，氧化飞溅燃烧损失很小，且不直接影响熔炼合金的相对成分。

2.2偏析影响

虽然合金试样中部Cr含量均匀，但底部较低，靠近底部的冒口比例较高，顶部重量明显下降。从Cu-Cr合金相图分析，Cu-0.8%Cr可继续共晶，随着合金液固相的不断凝固过程，固/液合金样品在液固相结晶界面中部元素铬含量越来越高，因此，后续合金液晶固体，铬含量越高，合金样品的铬含量越高，缩孔在试样中由于两端Cr浓度低，合金液中Cr含量高，最终凝固。由于宏观成分的偏析主要取决于凝固过程中液相的流动偏析，显然，随着合金模具整体冷却和导热系数的提高，铸造温度逐渐降低，凝固合金的液流速率逐渐显著增大。固相组成的快速连续凝固限制了长期液体的正常连续流动，由于成分偏析而没有足够的时间向液面扩散，宏观分量偏析的幅度有明显减小的趋势。

3影响分析

经过500℃，3h连续退火后，铸态合金试样的退火电导率和晶界硬度显著提高，退火前后电导率和晶界硬度变化明显。此外，在这些颗粒中可能还存在少量弥漫性单相圆形凝固颗粒，如下图所示：

在500℃连续退火3h后，未观察到大量的单相Cr凝固颗粒，也未在这些晶粒中扩散析出，但晶界明显粗糙。这种情况的主要原因为：铜铬合金在冷却条件较大时，其中的Cr会在基体之中处于固溶状态，导致一些铸态合金样品的退火和传导效率显著下降。单相Cr在不同铜合金基体中的平衡凝固使其溶解度迅速降低。在随后的晶界退火过程中，随着基体温度的降低，通过过饱和固溶体和沉淀强化处理，单相Cr粒子的原子向晶界扩散，迅速实现进一步的晶界强化。晶界和原子晶格结构对铜基体的畸变大大降低，铸态合金样品的电导率和晶界硬度均大大提高。可以看出，合金未经固化固溶处理，直接时效不能间接达到良好的晶界强化效果。

结束语：

综上所述，经过以上试验后可以得知，通过中间合金方式，加入铬元素，熔炼后，合金金属元素铬燃烧损耗小，铸件成分均匀，且铜铬合金的铸造质量远高于相关行业标准，从根本解决铸件在熔炼过程中形成的各种缺陷问题。

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作者简介：刘家涛（1987.03.），性别：男，民族：汉，籍贯：辽宁省普兰店市，职务/职称：工程师，学历：研究生，单位：中铝沈阳有色金属加工有限公司，研究方向：材料工程，单位所在省市及邮编：辽宁省沈阳市110108。