本發(fā)明屬于合金制備技術(shù)領域，涉及一種采用CuZr中間合金制備CuCrZr三元合金的方法。

背景技術(shù)：

CuCr合金屬于典型的時效強化型合金，具有優(yōu)良的高強高導性能，因而廣泛應用于大規(guī)模集成電路引線框架、電氣工程開關(guān)導電觸頭和電氣化鐵路接觸導線等工程中。但隨著現(xiàn)代電力工業(yè)的快速發(fā)展，特別是在超特高壓CuW/CuCr整體電觸頭的高頻次開斷過程中，導電桿銅合金的服役環(huán)境更加苛刻，對CuCr合金的性能提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的鉻青銅已經(jīng)不能滿足使用要求，需要開發(fā)強度更高的銅合金。目前復合強化法是制備高強高導銅合金的主要方法，因此希望通過添加第三組元，在不顯著降低電導率的條件下，進一步提高CuCr合金的強度和熱穩(wěn)定性。

近幾年來，CuZr系合金因具有強的非晶形成能力而受到廣泛的關(guān)注。非晶合金與傳統(tǒng)合金相比，非晶合金的結(jié)構(gòu)均勻，沒有與晶態(tài)相關(guān)聯(lián)的缺陷。同時，制備非晶態(tài)合金的熔融狀態(tài)快速冷卻可以防止在淬火過程中的固態(tài)擴散，也沒有像第二相、沉淀和偏析等缺陷。因此，非晶態(tài)合金被認為是理想的化學均勻合金。另一方面，由于非晶合金原子處于短程有序、長程無序的狀態(tài)，具有強烈地向晶態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，使得在再次升溫時分子較晶態(tài)合金分子擴散更快。

對于CuCrZr合金，傳統(tǒng)的制備方法是將Zr以單質(zhì)的形式加入，然后將CuCr合金和Zr單質(zhì)進行整體熔煉。但由于Zr極易被氧化，再加上兩者的密度都比Cu小，在合金熔煉時Zr會有很大燒損，Zr懸浮在Cu液表面，難以熔入銅基體中，造成組織的不均勻。同時容易產(chǎn)生氣孔、疏松等缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種采用CuZr中間合金制備CuCrZr三元合金的方法，解決了傳統(tǒng)制備過程中出現(xiàn)的Zr大量燒損及鑄造缺陷，以及合金組織、成分不均勻的問題。。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種采用CuZr中間合金制備CuCrZr三元合金的方法，具體按以下步驟實施：

步驟1，原料準備：

按照CuCrZr三元合金中元素含量的要求，分別稱取Cu、CuCr合金和CuZr中間合金，清洗、烘干，備用；

所述Cu包括包覆用塊狀純銅和粒狀純銅；

步驟2，包覆處理：

將CuCr合金和CuZr中間合金放入包覆用塊狀純銅中，并在上面覆蓋粒狀純銅，得到包覆整體材料；

步驟3，采用電弧熔煉-水冷銅坩堝法對步驟2得到的包覆整體材料進行熔煉，得到合金錠，并對得到的合金錠進行時效處理，即得到CuCrZr三元合金。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中CuZr中間合金中Zr的含量為20-50wt％，CuCr合金中Cr的含量為0.6-1.5wt％。

步驟1中CuZr中間合金采用電弧熔煉-水冷銅坩堝法制得，具體為：將Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3-5次，每次0.5-1min，并快速凝固得到CuZr中間合金。

Zr粒直徑為1-5mm。

步驟1中包覆用塊狀純銅占銅總量的70％-85％，粒狀純銅占15％-30％。

包覆用塊狀純銅為圓柱形，塊狀純銅一個底面的中心位置開有凹槽，CuCr塊、CuZr中間合金放入包覆用塊狀純銅的凹槽中。

步驟3中電弧熔煉-水冷銅坩堝法具體為：將包覆整體材料放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3～5次，每次0.5-1min，得到CuCrZr合金錠。

步驟3中時效處理中，時效溫度為400-550℃，保溫3-6小時。

步驟3中CuCrZr三元合金中Cr含量為0.1-1.2wt％，Zr含量為0.01-1wt％。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明將Zr元素以中間合金的形式加入，有利于避免Zr的氧化吸氣，減少Zr元素的燒損，并且從宏觀上減少了氣孔、疏松縮孔等缺陷，微觀上降低了組織和成分偏析，提高了組織的均勻性。采用電弧熔煉-水冷銅坩堝制備CuCrZr合金，合金錠的凝固速度很快，提高了Cr、Zr在Cu中的固溶度，因此無需進行固溶處理，避免了固溶處理過程中晶粒的再結(jié)晶長大，同時減少了生產(chǎn)工序，經(jīng)時效處理后有利于獲得細晶的高強高導材料，降低生產(chǎn)成本。用此種方法制備的CuCrZr合金，相比于將Zr直接加入，Zr的收得率將達到90％以上。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的工藝流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例2制備的Cu-40Zr中間合金XRD圖譜；

圖3為未采用中間合金方式制備的CuCrZr合金金相照片；

圖4為實施例4制備的CuCrZr合金金相照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提供了一種采用CuZr中間合金制備CuCrZr三元合金的方法，其流程如圖1所示，具體按以下步驟實施：

步驟1，稱量并清洗Cu、Zr塊

按照所需制備CuZr中間合金(Zr的含量為20-50wt％)中Cu和Zr的含量要求，稱取Cu塊、Zr粒，其中Zr粒直徑為1-5mm。將銅塊和鋯粒先后放入裝有丙酮和酒精的超聲波振蕩器中清洗15-30min，最后放入真空干燥箱中烘干備用。

步驟2，電弧熔煉-水冷銅坩堝法制備CuZr中間合金

將步驟1中準備好的Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa以上，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3-5次每次30-60s，并快速凝固得到CuZr中間合金。

步驟3，計算所需Cu、CuZr中間合金和CuCr合金的質(zhì)量

根據(jù)制備目標Cu-(0.1-1.2)wt％Cr-(0.01-1)wt％Zr三元合金的含量要求，計算出所需Cu、Cu-(0.6-1.5)wt％Cr合金和CuZr中間合金的用量。

步驟4，稱量并清洗CuZr中間合金和CuCr合金

將步驟2制備的CuZr中間合金表面打磨干凈并擊碎成塊狀，根據(jù)步驟3計算結(jié)果稱取CuZr中間合金，并用超聲波振蕩器清洗15-30min，放入真空干燥箱中烘干備用。根據(jù)步驟3的計算結(jié)果稱取CuCr塊合金，并用酒精清洗干凈，放入干燥箱中烘干備用。

步驟5，稱取Cu塊并做包覆處理

根據(jù)步驟3計算結(jié)果，稱取純銅。純銅分為兩部分，塊狀純銅和粒狀純銅。塊狀純銅占銅總量的70％-85％，粒狀純銅占15％-30％。塊狀純銅為圓柱形，塊狀純銅一個底面的中心位置開有凹槽。將塊狀純銅和粒狀純銅用酒精清洗干凈。將步驟4稱取的CuCr塊、CuZr中間合金放入塊狀純銅的凹槽中，上面覆蓋粒狀純銅。

步驟6，電弧熔煉-水冷銅坩堝制備CuCrZr合金

將步驟5中經(jīng)包覆處理后的整體材料放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3～5次，每次30-60s，得到CuCrZr合金錠。

步驟7，CuCrZr合金的熱處理

將步驟6中制備的合金錠放入熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為400-550℃并保溫3-6小時后隨爐冷卻。最后取出合金錠進行機加工成成品。

本發(fā)明將Zr元素以中間合金的形式加入，有利于避免Zr的氧化吸氣，減少Zr元素的燒損，并且從宏觀上減少了氣孔、疏松縮孔等缺陷，微觀上降低了組織和成分偏析，提高了組織的均勻性。同時使用電弧熔煉-水冷銅坩堝法快速凝固最大限度使單質(zhì)Zr與Cu相熔，能首先保證Zr在CuZr合金中的均勻性，繼而保證在CuCrZr合金中的組織均勻性。

本發(fā)明方法采用電弧熔煉-水冷銅坩堝制備CuCrZr合金，合金錠的凝固速度很快，提高了Cr，Zr在Cu中的固溶度，因此無需進行固溶處理，避免了固溶處理過程中晶粒的再結(jié)晶長大，同時減少了生產(chǎn)工序，經(jīng)時效處理后有利于獲得細晶的高強高導材料，降低生產(chǎn)成本。用此種方法制備的CuCrZr合金，相比于將Zr直接加入，Zr的收得率將達到90％以上。Cr含量在0.1-1.2wt％，Zr含量在0.01-1wt％的CuCrZr合金均可用此方法制備

實施例1

按照CuZr(Zr的質(zhì)量分數(shù)為30wt％)稱取Cu塊、Zr粒，其中Zr粒直徑為3mm。將銅塊和鋯粒先后放入裝有丙酮和酒精的超聲波振蕩器中清洗15min，最后放入真空干燥箱中烘干備用。隨后將Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3次每次30s，并快速凝固得到Cu-30Zr中間合金。

根據(jù)制備Cu-0.1Cr-0.01Zr三元合金質(zhì)量，計算出所需Cu、Cu-0.6Cr和Cu-30Zr中間合金的質(zhì)量。將Cu-30Zr中間合金表面打磨干凈并擊碎成塊狀。稱取所需質(zhì)量并用超聲波振蕩器清洗15min，放入真空干燥箱中烘干備用。稱取CuCr塊合金質(zhì)量并并將CuCr塊用酒精清洗干凈，放入干燥箱中烘干備用。

根據(jù)計算結(jié)果，獲取純銅。塊狀純銅占銅總量的70％，粒狀純銅占30％。塊裝純銅是具有凹槽的圓柱形塊，然后將塊狀純銅和粒狀純銅用酒精清洗干凈。將制備的CuCr塊、Cu-50Zr中間合金放入塊狀純銅的凹槽中，上面覆蓋粒狀純銅。

將包覆處理后的CuCrZr整體放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3次，每次30s。隨后關(guān)閉電弧熔煉爐，取出快速熔鑄好的合金錠。隨后放入熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為400℃并保溫6小時后隨爐冷卻。最后取出合金錠進行機加工成成品。

實施例2

按照CuZr(Zr的質(zhì)量分數(shù)為40wt％)稱取Cu塊、Zr粒，其中Zr粒直徑為4mm。將銅塊和鋯粒先后放入裝有丙酮和酒精的超聲波振蕩器中清洗20min，最后放入真空干燥箱中烘干備用。隨后將Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉5次每次40s，并快速凝固得到Cu-40Zr中間合金。

根據(jù)制備Cu-0.2Cr-0.1Zr三元合金質(zhì)量，計算出所需Cu、Cu-0.9Cr和Cu-40Zr中間合金的質(zhì)量。將Cu-40Zr中間合金表面打磨干凈并擊碎成塊狀。稱取所需質(zhì)量并用超聲波振蕩器清洗20min，放入真空干燥箱中烘干備用。稱取CuCr塊合金質(zhì)量并用酒精清洗干凈，放入干燥箱中烘干備用。

根據(jù)計算結(jié)果，獲取純銅。塊狀純銅占銅總量的80％，粒狀純銅占20％。塊裝純銅是具有凹槽的圓柱形塊，，然后將塊狀純銅和粒狀純銅用酒精清洗干凈。將制備的CuCr塊、Cu-40Zr中間合金放入塊狀純銅的凹槽中，上面覆蓋粒狀純銅。

將包覆處理后的CuCrZr整體放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉5次，每次40s。隨后關(guān)閉電弧熔煉爐，取出快速熔鑄好的合金錠。隨后放入熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為500℃并保溫5小時后隨爐冷卻。最后取出合金錠進行機加工成成品。

實施例3

按照CuZr(Zr的質(zhì)量分數(shù)為50wt％)稱取Cu塊、Zr粒，其中Zr粒直徑為1mm。將銅塊和鋯粒先后放入裝有丙酮和酒精的超聲波振蕩器中清洗30min，最后放入真空干燥箱中烘干備用。隨后將Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉4次每次50s，并快速凝固得到Cu-50Zr中間合金。

根據(jù)制備Cu-0.5Cr-0.5Zr三元合金質(zhì)量，計算出所需Cu、Cu-1.2Cr和Cu-50Zr中間合金的質(zhì)量。將Cu-50Zr中間合金表面打磨干凈并擊碎成塊狀。稱取所需質(zhì)量并用超聲波振蕩器清洗30min，放入真空干燥箱中烘干備用。稱取CuCr塊合金質(zhì)量并用酒精清洗干凈，放入干燥箱中烘干備用。

根據(jù)計算結(jié)果，獲取純銅。塊狀純銅占銅總量的75％，粒狀純銅占25％。塊裝純銅是具有凹槽的圓柱形塊，然后將塊狀純銅和粒狀純銅用酒精清洗30min。將制備的CuCr塊、Cu-50Zr中間合金放入塊狀純銅的凹槽中，上面覆蓋粒狀純銅。

將包覆處理后的CuCrZr整體放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉5次，每次60s。隨后關(guān)閉電弧熔煉爐，取出快速熔鑄好的合金錠。隨后放入熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為450℃并保溫4小時后隨爐冷卻。最后取出合金錠進行機加工成成品。

實施例4

按照CuZr(Zr的質(zhì)量分數(shù)為20wt％)稱取Cu塊、Zr粒，其中Zr粒的直徑為5mm。將銅塊和鋯粒先后放入裝有丙酮和酒精的超聲波振蕩器中清洗25min，最后放入真空干燥箱中烘干備用。隨后將Cu塊和Zr粒放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉3次每次60s，并快速凝固得到Cu-20Zr中間合金。

根據(jù)制備Cu-1.2Cr-0.6Zr三元合金質(zhì)量，計算出所需Cu、Cu-1.5Cr和Cu-20Zr中間合金的質(zhì)量。將Cu-20Zr中間合金表面打磨干凈并擊碎成塊狀。稱取所需質(zhì)量并用超聲波振蕩器清洗25min，放入真空干燥箱中烘干備用。稱取CuCr塊合金質(zhì)量并用酒精清洗干凈，放入干燥箱中烘干備用。

根據(jù)計算結(jié)果，獲取純銅。塊狀純銅占銅總量的85％，粒狀純銅占15％。塊裝純銅是具有凹槽的圓柱形塊，然后將塊狀純銅和粒狀純銅用酒精清洗干凈。將制備的CuCr塊、Cu-20Zr中間合金放入塊狀純銅的凹槽中，上面覆蓋粒狀純銅。

將包覆處理后的CuCrZr整體放入電弧熔煉爐中，先抽真空到1×10^-3Pa，然后通氬氣作為保護氣，反復熔煉5次，每次30s。隨后關(guān)閉電弧熔煉爐，取出快速熔鑄好的合金錠。隨后放入熱處理爐中進行時效處理，時效溫度為550℃并保溫3小時后隨爐冷卻。最后取出合金錠進行機加工成成品。

圖2為實施例2制備的中間合金XRD圖譜，從圖中可以看出未出現(xiàn)Zr單質(zhì)。圖3為未采用中間合金方式制備的CuCrZr合金金相照片，圖4為施例4制備的CuCrZr合金金相照片。對比圖3和圖4可以看出，實施例4采用中間合金制備的CuCrZr比未采用中間合金的組織更加均勻，未出現(xiàn)Cr和Zr的顆粒；而未采用中間合金的CuCrZr合金中則可以看出有未與Cu相熔Zr顆粒以及熔化后的Zr元素偏析上浮與Cu產(chǎn)生大量的金屬間化合物。