真空熔鑄工藝對銅鉻合金組織與性能的影響

摘要：試驗目的：降低熔鑄過程對合金組織造成的負面影響。試驗方法：通過真空熔鑄工藝針對銅鉻合金進行制備，利用顯微鏡、電鏡以及能譜，深入探究真空熔鑄工藝對銅鉻合金組織與性能的影響。試驗結果：經一系列試驗后表明，通過真空熔鑄工藝可以對銅鉻合金成分和組織展開有效控制，鑄件缺陷也會有所減少。

關鍵詞：真空熔煉;銅鉻合金;中間合金;組織偏析

引言：

銅鉻合金以其高強度和良好的導熱系數等特點，在我國工業生產中得到極其廣泛的工業應用，主要制備方法有燒結法、真空熔煉法、等離子噴涂法等。采用真空熔煉法時，由于鉻熔煉過程是在真空或其他惰性氣氛中進行，銅鉻合金純度較高，結構中的雜質較少，通過此方法可獲得力學性能和電學性能優異的鑄件材料，且非常適合工業化運用。

1試驗條件

1.1成分

在本次試驗中所用金屬原料為99.9%電解銅和金屬鉻，鉻合金的最大粒徑約為2mm。熔煉過程為：通過真空熔煉爐實現快速熔煉，熔煉過程在真空狀態或惰性氣氛進行澆鑄。為了充分研究不同新型鑄件冷卻溫度和速率對不同鑄錠結構、宏觀組織偏析和收縮情況等不同鑄造結構缺陷的直接影響，設計兩種新型鑄件冷卻系統。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，針對試樣橫截面展開深入分析。試驗過程為：將純鉻與中間合金以不同的方式融入銅鉻合金之中，純鉻在熔煉過程的熔點較高，而銅鉻中間合金的熔點一般低于純鉻，且晶體鉻含量一般在4%以上。根據純銅鉻二元相圖分析，共晶中間合金鋼的成分約為1.28%。對于以往的共晶銅鉻合金鋼在冷卻制備中由一個液相共晶區開始進入液固兩相共晶區，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程中無法準確控制。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，其溫度流動區間和共晶成分流動區間遠小于初生Cu-4%Cr合金，因此合金凝固過程中的成分流動性能較好，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，這樣不僅可以簡化制備過程，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試驗結果

2.1含量影響

四根試樣中Cr的平均含量接近于Cu-0.8%Cr的標稱含量，并對Cr含量進行準確控制。但是，四種澆鑄試樣的平均Cr含量略高于0.8%，說明電解銅的整體質量損失比固體鉻更嚴重。一般來說，合金金屬元素的氧化揮發、飛濺和蒸發燃燒損失，可能是合金金屬元素在熔煉過程中整體質量損失的主要原因。由于整個電解銅的沸點和蒸發熱與固體鉻含量相似，并且通過收集坩堝壁和爐體中含有的固體鉻殘渣稱重后可以發現，由于銅合金揮發性燃燒對金屬鉻元素整體質量的損失只有鉻合金成分總重量的1%左右，所以鉻合金元素揮發性對熔煉合金相對固體的化學成分含量影響不大。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可繼續共晶，隨著合金液固相的不斷凝固過程，固/液合金樣品在液固相結晶界面中部元素鉻含量越來越高，因此，后續合金液晶固體，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程中液相的流動偏析，顯然，隨著合金模具整體冷卻和導熱系數的提高，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凝固限制了長期液體的正常連續流動，由于成分偏析而沒有足夠的時間向液面擴散，宏觀分量偏析的幅度有明顯減小的趨勢。

3影響分析

經過500℃，3h連續退火后，鑄態合金試樣的退火電導率和晶界硬度顯著提高，退火前后電導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散析出，但晶界明顯粗糙。這種情況的主要原因為：銅鉻合金在冷卻條件較大時，其中的Cr會在基體之中處于固溶狀態，導致一些鑄態合金樣品的退火和傳導效率顯著下降。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程中，隨著基體溫度的降低，通過過飽和固溶體和沉淀強化處理，單相Cr粒子的原子向晶界擴散，迅速實現進一步的晶界強化。晶界和原子晶格結構對銅基體的畸變大大降低，鑄態合金樣品的電導率和晶界硬度均大大提高。可以看出，合金未經固化固溶處理，直接時效不能間接達到良好的晶界強化效果。

結束語：

綜上所述，經過以上試驗后可以得知，通過中間合金方式，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量遠高于相關行業標準，從根本解決鑄件在熔煉過程中形成的各種缺陷問題。

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作者簡介：劉家濤（1987.03.），性別：男，民族：漢，籍貫：遼寧省普蘭店市，職務/職稱：工程師，學歷：研究生，單位：中鋁沈陽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：遼寧省沈陽市110108。