一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法
技术领域
本发明涉及钨铜合金材料制备技术领域，具体是涉及一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法。
背景技术
目前高导、高强铜合金在各个行业被广泛应用，尤其在电力行业中位置尤为重要，在导电产品中，对于受力零部件强度提出更高要求，因此通过调整材料成分和改变工艺提高材料性能将迫在眉睫，铬锆铜合金相比纯铜具有很高的强度，稍微降低的导电率，还有较高的软化温度，相比纯铜在受力或者较高温度环境下具有较高的稳定性，主要应用于高压触头、导电杆及接插件等。
目前对于大规格棒料(
国内为关于铬锆铜合金的提高性能主要有以下几种方法：
1.固溶、时效强化法：通过固溶、时效强化方式，铬锆铜通过固溶处理后，在随后的时效中，合金元素从固溶体中析出来，形成弥散分布的强化相，这些弥散相阻止了晶界和位错的移动，从而使基体强化，但是通过大量数据，铸态的铜铬锆材料通过固溶时效后，抗拉强度检测数据为320～350MPa，
2.形变强化法：通过铸造的铬锆铜铸锭经过锻造(热锻)后，再经过固溶、时效强化处理后，抗拉强度：380～420MPa，热锻后再通过冷锻，在极限锻造比情况下，抗拉强度检测420～450MPa，根本无法达到500MPa以上。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，通过真空熔炼方案并提高强化相元素Cr和Zr元素的含量，通过后续旋锻工艺加以固溶、时效强化来提高铬锆铜棒料性能。
本发明的技术方案如下：
一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，包括以下步骤：
一、CuZr40中间合金的制备
(1)配料：按重量百分含量计，电解铜板：58％，海绵锆：42％，按比例称取所需原料；
(2)真空熔炼、浇铸：将配好的电解铜板放入坩埚中，二次加料装置中放入海绵锆，合上炉盖，开启机械泵，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温熔炼，待坩埚内电解铜板全部熔化；降功率至45KW时，保持0.5分钟左右缓慢加入海绵锆，充分溶解1min后，开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸时间≦2min；浇铸完成后，关闭加热，冷却10分钟后出炉，并查看浇铸质量情况；
二、CuCr1Zr真空铸锭熔炼
(1)配料：材料称重，按照重量配比：比例Cr块：1～1.2％，CuZr40：0.65～0.7％，余量：电解铜板；
说明：本发明需控制材料成分满足以下要求：Cr：1-1.2％，CuZr40：0.65～0.7％，Fe＜0.08％,Si＜0.1％,其他杂质总和＜0.2％,Cu：余量。
因为Cr和Zr属于强化相，通过增加两个元素的含量可以提高材料性能，在材料标准范围内，尽量提高强化元素上线，可以最大限度提高材料机械性能。
(2)真空熔炼、浇铸：装炉，将配好的电解铜板、铜皮包裹的铬块装入坩埚内,铜皮包裹的CuZr40中间合金放入二次加料装置中，CuZr40通过二次加料方式加入已熔化好铜铬金属液中，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；抽真空，开启机械泵抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
说明：采用CuZr40通过二次加料方式，在坩埚金属液完全融化后加入，相比直接加入反应时间较短，可以减少合金元素烧损，直接加入到金属液中溶解充分，可以保证材料成分均匀性。
(3)熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至功率升至50±5KW，保持15min，功率升至130±5KW，保持15min，功率升至170±5KW，直至熔化，功率降至40±5KW时，关闭罗茨泵，滑阀泵，打开氩气阀缓慢对炉体充入氩气至0.08MPa时关闭氩气阀；然后功率调至80kW±5kW，将二次加料装置中的CuZr40中间合金加入到坩埚中，并将坩埚来回旋转2次，保证铜锆中间合金的均匀化；
(4)浇铸：降功率至65KW±5KW，保持1分钟左右开始浇铸，浇铸完成后，关闭加热，冷却35分钟后出炉；
说明：真空熔炼、浇铸铬锆铜铸锭时要选用钢模，钢模导热很高，易于材料快速冷却凝固，快速凝固不易出现粗大柱状晶，可以使晶粒细小，易于后期锻造及提高材料性能。
(5)锯断、粗车：铸锭经过锯断冒口及底部，去除缩孔等铸造缺陷，车外圆直至黑皮及铸造缺陷完全去除；
(6)热锻：经过粗车后的铸锭进行热锻处理，锻造成工艺尺寸；
说明：通过热锻处理使铸造过程中产生的粗大柱状晶粉粹后形成细小晶粒，优化微观组织，可以提高材料性能；
(7)固溶处理：装炉进行固溶处理，温度为995℃,保温1.5小时，水冷5分钟。
说明：通过固溶处理使材料固溶强化，固溶强化是指随着合金元素Cr和Zr溶质浓度的增加，晶格畸变增大，阻碍位错运动的能力增加，因此材料的强度和硬度提高。
进一步地，在上述方案中，步骤一的第(2)步操作中，所述加热升温熔炼具体操作为：加热升温，功率升至20±2KW，保持6min，功率升至40±2KW，保持8min，加热功率升至50KW，保温10min，加热功率升至60KW，保持10min。
说明：采用上述这种梯度加热的方式有利于设备电源保护，梯度升高加热功率可以使坩埚内存在熔化层、加热层和预热层，利于金属熔化，梯度升高功率可以不断加快坩埚内金属液在坩埚内移动，有利于成分均匀性。
进一步地，在上述方案中，步骤一的第(2)步操作中，待坩埚内电解铜板全部熔化之后，降功率至40KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀，升功率至50KW，精炼2min。
说明：通过精炼，可以使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。
进一步地，在上述方案中，步骤二的第(3)步操作中，所述熔炼完成后，缓慢加功率到170kW±5kW，精炼20分钟，使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。
进一步地，在上述方案中，步骤二的第(4)步操作中，浇铸速度是先慢、再适当加快，最后再减慢，最慢是4-6ml/s,最快是16-20ml/s，整个浇铸时间5-6min。
进一步地，在上述方案中，步骤二的第(7)步操作完成之后，还包括旋锻处理、时效处理及取样检测材料性能。
更进一步地，所述旋锻处理具体为：固溶处理后的锻锭在常温下进行旋锻处理，分别经过直径变形量7-7-7-7-5-5mm后达到需求尺寸。
旋锻是在常温下进行锻造，这样属于冷变形，可以使材料产生加工硬化，细化晶粒，来提高材料抗拉强度及硬度。
更进一步地，所述时效处理具体为：装炉进行固溶处理：温度：475℃,保温3.5小时，随炉空冷至常温。
说明：在固溶、时效处理时，一定要保证固溶及时效充分，因为固溶、时效强化只有在热处理充分情况下，才会使强化元素Cr和Zr更好的弥散分布，只有更好的弥散分布材料性能才会更高。
与现有制备方法相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，是通过真空熔炼并提高强化相元素Cr和Zr元素的含量，再通过后续旋锻工艺加以固溶、时效强化来提高铬锆铜棒料性能，抗拉强度可以达到500MPa以上。
本发明采用的是CuZr中间合金、Cr块、纯铜这3种原材料进行熔炼，与现有技术中制造CuCrZr合金都是采用先制造出CuZr中间合金及CuCr中间合，再将铜铬合金和铜锆中间合金放入块状纯铜中进行熔炼的方式相比，不熔炼CuCr中间合金而采用直接加入Cr块熔炼，有利于配料准确性，减小误差，与现在技术相比可以更好的缩小材料成分控制范围，使材料性能更加稳定，一致性好，而且可以减少工序，降低成本，而且材料成分控制更加容易。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明实施例3所制备的产品的金相照片100倍放大图。
图3是本发明实施例3所制备的产品的金相照片500倍放大图。
具体实施方式
本发明提出的一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，包括以下步骤：
一、CuZr40中间合金的制备
(1)配料：按重量百分含量计，电解铜板：58％，海绵锆：42％，按比例称取所需原料；
(2)真空熔炼、浇铸：将配好的电解铜板放入坩埚中，二次加料装置中放入海绵锆，合上炉盖，开启机械泵，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温熔炼，具体操作为：加热升温，功率升至18KW，保持6min，功率升至438KW，保持8min，加热功率升至50KW，保温10min，加热功率升至60KW，保持10min。待坩埚内电解铜板全部熔化；降功率至40KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀，升功率至50KW，精炼2min。降功率至45KW时，保持0.5分钟左右缓慢加入海绵锆，充分溶解1min后，开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸时间≦2min；浇铸完成后，关闭加热，冷却10分钟后出炉，并查看浇铸质量情况；
二、CuCr1Zr真空铸锭熔炼
(1)配料：材料称重，按照重量配比：比例Cr块：1％，CuZr40：0.72％，余量：电解铜板；
(2)真空熔炼、浇铸：装炉，将配好的电解铜板、铜皮包裹的铬块装入坩埚内,铜皮包裹的CuZr40中间合金放入二次加料装置中，CuZr40通过二次加料方式加入已熔化好铜铬金属液中，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；抽真空，开启机械泵抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
(3)熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至功率升至45KW，保持15min，功率升至125KW，保持15min，功率升至165KW，直至熔化，功率降至35KW时，关闭罗茨泵，滑阀泵，打开氩气阀缓慢对炉体充入氩气至0.08MPa时关闭氩气阀；然后缓慢加功率到165kW，精炼20分钟，使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。然后功率调至75kW，将二次加料装置中的CuZr40中间合金加入到坩埚中，并将坩埚来回旋转2次，保证铜锆中间合金的均匀化；
(4)浇铸：降功率至60KW，保持1分钟左右开始浇铸，浇铸速度是先慢、再适当加快，最后再减慢，最慢是4ml/s,最快是16ml/s，整个浇铸时间5min。浇铸完成后，关闭加热，冷却35分钟后出炉；
(5)锯断、粗车：铸锭经过锯断冒口及底部，去除缩孔等铸造缺陷，车外圆直至黑皮及铸造缺陷完全去除；
(6)热锻：经过粗车后的铸锭进行热锻处理，锻造成工艺尺寸；
(7)固溶处理：装炉进行固溶处理，温度为995℃,保温1.5小时，水冷5分钟。
实施例2
一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，包括以下步骤：
一、CuZr40中间合金的制备
(1)配料：按重量百分含量计，电解铜板：58％，海绵锆：42％，按比例称取所需原料；
(2)真空熔炼、浇铸：将配好的电解铜板放入坩埚中，二次加料装置中放入海绵锆，合上炉盖，开启机械泵，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温熔炼，具体操作为：加热升温，功率升至20KW，保持6min，功率升至40KW，保持8min，加热功率升至50KW，保温10min，加热功率升至60KW，保持10min。待坩埚内电解铜板全部熔化；降功率至40KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀，升功率至50KW，精炼2min。降功率至45KW时，保持0.5分钟左右缓慢加入海绵锆，充分溶解1min后，开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸时间≦2min；浇铸完成后，关闭加热，冷却10分钟后出炉，并查看浇铸质量情况；
二、CuCr1Zr真空铸锭熔炼
(1)配料：材料称重，按照重量配比：比例Cr块：1.09％，CuZr40：0.7％，余量：电解铜板；
(2)真空熔炼、浇铸：装炉，将配好的电解铜板、铜皮包裹的铬块装入坩埚内,铜皮包裹的CuZr40中间合金放入二次加料装置中，CuZr40通过二次加料方式加入已熔化好铜铬金属液中，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；抽真空，开启机械泵抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
(3)熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至功率升至50KW，保持15min，功率升至130KW，保持15min，功率升至170KW，直至熔化，功率降至40KW时，关闭罗茨泵，滑阀泵，打开氩气阀缓慢对炉体充入氩气至0.08MPa时关闭氩气阀；然后缓慢加功率到170kW，精炼20分钟，使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。然后功率调至80kW，将二次加料装置中的CuZr40中间合金加入到坩埚中，并将坩埚来回旋转2次，保证铜锆中间合金的均匀化；
(4)浇铸：降功率至65KW，保持1分钟左右开始浇铸，浇铸速度是先慢、再适当加快，最后再减慢，最慢是5ml/s,最快是18ml/s，整个浇铸时间5min。浇铸完成后，关闭加热，冷却35分钟后出炉；
(5)锯断、粗车：铸锭经过锯断冒口及底部，去除缩孔等铸造缺陷，车外圆直至黑皮及铸造缺陷完全去除；
(6)热锻：经过粗车后的铸锭进行热锻处理，锻造成工艺尺寸；
(7)固溶处理：装炉进行固溶处理，温度为995℃,保温1.5小时，水冷5分钟。
实施例3
一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，包括以下步骤：
一、CuZr40中间合金的制备
(1)配料：按重量百分含量计，电解铜板：58％，海绵锆：42％，按比例称取所需原料；
(2)真空熔炼、浇铸：将配好的电解铜板放入坩埚中，二次加料装置中放入海绵锆，合上炉盖，开启机械泵，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温熔炼，具体操作为：加热升温，功率升至22KW，保持6min，功率升至42KW，保持8min，加热功率升至50KW，保温10min，加热功率升至60KW，保持10min。待坩埚内电解铜板全部熔化；降功率至40KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀，升功率至50KW，精炼2min。降功率至45KW时，保持0.5分钟左右缓慢加入海绵锆，充分溶解1min后，开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸时间≦2min；浇铸完成后，关闭加热，冷却10分钟后出炉，并查看浇铸质量情况；
二、CuCr1Zr真空铸锭熔炼
(1)配料：材料称重，按照重量配比：比例Cr块：1.15％，CuZr40：0.7％，余量：电解铜板；
(2)真空熔炼、浇铸：装炉，将配好的电解铜板、铜皮包裹的铬块装入坩埚内,铜皮包裹的CuZr40中间合金放入二次加料装置中，CuZr40通过二次加料方式加入已熔化好铜铬金属液中，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；抽真空，开启机械泵抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
(3)熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至功率升至55KW，保持15min，功率升至135KW，保持15min，功率升至175KW，直至熔化，功率降至45KW时，关闭罗茨泵，滑阀泵，打开氩气阀缓慢对炉体充入氩气至0.08MPa时关闭氩气阀；然后缓慢加功率到175kW，精炼20分钟，使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。然后功率调至85kW，将二次加料装置中的CuZr40中间合金加入到坩埚中，并将坩埚来回旋转2次，保证铜锆中间合金的均匀化；
(4)浇铸：降功率至70KW，保持1分钟左右开始浇铸，浇铸速度是先慢、再适当加快，最后再减慢，最慢是6ml/s,最快是20ml/s，整个浇铸时间5min。浇铸完成后，关闭加热，冷却35分钟后出炉；
(5)锯断、粗车：铸锭经过锯断冒口及底部，去除缩孔等铸造缺陷，车外圆直至黑皮及铸造缺陷完全去除；
(6)热锻：经过粗车后的铸锭进行热锻处理，锻造成工艺尺寸；
(7)固溶处理：装炉进行固溶处理，温度为995℃,保温1.5小时，水冷5分钟。
实施例4
一种提高铬锆铜棒料强度的制备方法，包括以下步骤：
一、CuZr40中间合金的制备
(1)配料：按重量百分含量计，电解铜板：58％，海绵锆：42％，按比例称取所需原料；
(2)真空熔炼、浇铸：将配好的电解铜板放入坩埚中，二次加料装置中放入海绵锆，合上炉盖，开启机械泵，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温熔炼，具体操作为：加热升温，功率升至22KW，保持6min，功率升至42KW，保持8min，加热功率升至50KW，保温10min，加热功率升至60KW，保持10min。待坩埚内电解铜板全部熔化；降功率至40KW，打开氩气阀门，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至约0.08MPa时，关闭充氩阀，升功率至50KW，精炼2min。降功率至45KW时，保持0.5分钟左右缓慢加入海绵锆，充分溶解1min后，开始浇铸，浇铸使用石墨坩埚，浇铸时间≦2min；浇铸完成后，关闭加热，冷却10分钟后出炉，并查看浇铸质量情况；
二、CuCr1Zr真空铸锭熔炼
(1)配料：材料称重，按照重量配比：比例Cr块：1.2％，CuZr40：0.72％，余量：电解铜板；
(2)真空熔炼、浇铸：装炉，将配好的电解铜板、铜皮包裹的铬块装入坩埚内,铜皮包裹的CuZr40中间合金放入二次加料装置中，CuZr40通过二次加料方式加入已熔化好铜铬金属液中，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；抽真空，开启机械泵抽真空，待炉内真空压力р≤0.08MPa以下时，开启罗茨泵；
(3)熔炼：熔炼时，当真空度抽到р≤10Pa时，加热升温，功率升至功率升至55KW，保持15min，功率升至135KW，保持15min，功率升至175KW，直至熔化，功率降至45KW时，关闭罗茨泵，滑阀泵，打开氩气阀缓慢对炉体充入氩气至0.08MPa时关闭氩气阀；然后缓慢加功率到175kW，精炼20分钟，使金属液中合金元素充分混合，分布均匀。然后功率调至85kW，将二次加料装置中的CuZr40中间合金加入到坩埚中，并将坩埚来回旋转2次，保证铜锆中间合金的均匀化；
(4)浇铸：降功率至70KW，保持1分钟左右开始浇铸，浇铸速度是先慢、再适当加快，最后再减慢，最慢是6ml/s,最快是20ml/s，整个浇铸时间6min。浇铸完成后，关闭加热，冷却35分钟后出炉；
(5)锯断、粗车：铸锭经过锯断冒口及底部，去除缩孔等铸造缺陷，车外圆直至黑皮及铸造缺陷完全去除；
(6)热锻：经过粗车后的铸锭进行热锻处理，锻造成工艺尺寸；
(7)固溶处理：装炉进行固溶处理，温度为995℃,保温1.5小时，水冷5分钟。
实施例5
在实施例3的基础上，第(7)步操作完成之后，再进行旋锻处理、时效处理及取样检测材料性能。
所述旋锻处理具体为：固溶处理后的锻锭在常温下进行旋锻处理，分别经过直径变形量7-7-7-7-5-5mm后达到需求尺寸。
所述时效处理具体为：装炉进行固溶处理：温度：475℃,保温3.5小时，随炉空冷至常温。
实施例6
在实施例4的基础上，第(7)步操作完成之后，再进行旋锻处理、时效处理及取样检测材料性能。
所述旋锻处理具体为：固溶处理后的锻锭在常温下进行旋锻处理，分别经过直径变形量7-7-7-7-5-5mm后达到需求尺寸。
所述时效处理具体为：装炉进行固溶处理：温度：475℃,保温3.5小时，随炉空冷至常温。
上述数值(7-7-7-7-5-5mm)是指每一次的锻造变形量，例如直径本来90mm，第一次锻造拔长时直径锻造成83mm。旋锻是在常温下进行锻造，这样属于冷变形，可以使材料产生加工硬化，细化晶粒，来提高材料抗拉强度及硬度。
在固溶、时效处理时，一定要保证固溶及时效充分，因为固溶、时效强化只有在热处理充分情况下，才会使强化元素Cr和Zr更好的弥散分布，只有更好的弥散分布材料性能才会更高。
表1：实施例1-4所对应的材料成分表
表2：实施例1-6所制备得到的产品性能检测结果
由上述表1及表2数据可见，当Cr含量为1.15％、Zr含量为0.28％时，所制备得到的产品各项性能参数综合评定来看是较佳的，当对产品进行进一步的旋锻处理、时效处理后，产品性能得到了进一步提升。也即，实施例5所制备的产品性能最优。
