一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法

技术领域

本发明属于超导用铜合金的成型及热处理技术领域，具体涉及一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法。

背景技术

目前，青铜法是制备Nb

因此，作为生产Nb

发明内容

本发明的目的是提供一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法，解决了目前Cu-Sn-Ti合金在保证锡含量的前提下，其塑性需要进一步提升的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1：步骤1：按照质量百分比称取无氧铜块84.65～86.75wt.％、高纯锡粒13.0～15.0wt.％以及高纯钛粉0.25～0.30wt.％，将上述各组分进行预处理，将拉伸杆升入定向凝固炉下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上，并使用三级泵系将定向凝固炉的真空度抽到4.5～5.0×10

步骤2：加热定向凝固炉，将保温区的温度加热至950～960℃，开始保温；

步骤3：开始感应熔炼，当镁砂坩埚中的原料均匀融化后，开始浇铸；

步骤4：开始快速凝固，将石墨坩埚抽拉至冷却区域，制备出晶粒细小的铸态Cu-Sn-Ti合金；

步骤5：将步骤4中得到的铸态Cu-Sn-Ti合金通过热处理使其发生固态相变，再放入水中进行淬火处理，得到高锡含量高塑性的Cu-Sn-Ti合金。

本发明的特点还在于，

预处理具体为：将无氧铜块和高纯锡粒放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉压成冷压坯放入投料室中。

加热定向凝固炉过程具体为，首先将加热定向凝固炉下方的保温区以10℃/min的升温速率加热到800～820℃时，关闭真空系统，开始向炉体中通入氩气，当气压表显示为0.5MPa时停止通气，通气过程中加热程序始终保持运行。

感应熔炼具体为：控制感应电源的功率以1～2KW/min的速度提升至11～12KW，保持这一功率直到镁砂坩埚中的原料完全熔化，之后打开投料室，将Ti块投入金属液中，依靠感应线圈产生的涡流搅拌1～2min后，将金属液倾倒入放置在保温区中的石墨坩埚中。

快速凝固具体为：浇筑完成后，让金属液在石墨干锅中保温5～10min，再将石墨坩埚拉出保温区，进入冷却区，拉拔过程中应将温度梯度保持在9.0～9.4×10

热处理具体为：将步骤4的铸态Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450～455℃，保温4～5h，再以30℃/min的升温速度将温度升至500～750℃，保温48～96h。

本发明的有益效果是，本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法，通过定向凝固设备实现Cu-Sn-Ti合金的快速凝固，细化了合金中的树枝晶组织，减少了δ相的析出。同时结合热处理，消除了铸态Cu-Sn-Ti合金中的树枝晶组织，将基体中的δ相转变为β相，使合金的伸长率>30％。

附图说明

图1是本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法中快速凝固后Cu-Sn-Ti合金的铸态组织照片；

图2是本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法中热处理后Cu-Sn-Ti合金显微组织照片；

图3是本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法中实施例1-3快速凝固以及后续热处理后Cu-Sn-Ti合金与传统铸造Cu-Sn-Ti合金的拉伸应力-应变曲线的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法进行详细说明。

一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法，首先通过快速凝固的方法制备出晶粒细小的铸态Cu-Sn-Ti合金，组织为一定方向性生长的树枝晶，再通过热处理使合金发生固态相变，消除合金中的树枝晶组织，得到高锡含量高塑性的Cu-Sn-Ti合金

具体按照如下步骤进行：

步骤1：使用定向凝固炉实现Cu-Sn-Ti合金快速凝固的具体过程为：首先将无氧纯铜(84.65～86.75wt.％)，高纯锡粒(13.0～15.0wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.25～0.35wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

步骤2：当真空度达到要求后，开始加热过程，首先将炉体下方的保温区以10℃/min的升温速率加热到800～820℃时，关闭真空系统，开始向炉体中通入氩气，当气压表显示为0.5MPa时停止通气，通气过程中加热程序始终保持运行。当保温区温度达到950～960℃时开始保温，并开启感应电源对镁砂坩埚中的原料进行加热。

步骤3：控制感应电源的功率以1～2KW/min的速度提升至11～12KW，保持这一功率直到镁砂坩埚中的原料完全熔化，之后打开投料室，将Ti块投入金属液中，依靠感应线圈产生的涡流搅拌1～2min后，将金属液倾倒入放置在保温区中的石墨坩埚中。

步骤4：浇筑完成后，让金属液在石墨干锅中保温5～10min，再将石墨坩埚拉出保温区，进入空冷区，拉拔过程中应将温度梯度保持在9.0～9.4×10

步骤5：Cu-Sn-Ti合金热处理的具体过程为：先将使用定向凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450～455℃，保温4～5h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至500～750℃，保温48～96h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，如图2所示，为热处理后Cu-Sn-Ti合金显微组织照片，树枝晶消失，δ相转变为β相。最后将合金放入水中进行淬火处理，得到高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金。

使用镁砂坩埚进行感应熔炼，由于涡流效应，可以在原料熔化后依靠涡流进行搅拌，让金属液混合均匀。向炉体中通入氩气，增加Cu-Sn-Ti合金液的过热度，使合金液在未沸腾的状态下达到预期温度。在拉拔过程中，需要设置多段拉拔速度，以维持较大的温度梯度，细化合金组织的同时减少δ相的析出。凝固过程中始终维持热流方向垂直于拉拔方向，避免沿水平方向出现热流分量。从而得到细小且具有一定方向性的树枝晶组织，便于进行后续的热处理。热处理采用阶段式保温的方法，利用热能向合金中的固-固扩散提供驱动力，使Sn原子由高Sn浓度的δ相向低浓度的基体中扩散，消除树枝晶组织，并将δ相转变为β相。通过淬火处理将高温组织保留在合金的常温组织中，以提高合金的塑性。最终得到高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金。

本发明一种高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的制备方法，采用快速凝固及热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，采用快速凝固和热处理两种工艺结合的方式，制备了高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金。通过快速凝固的方法将Cu-Sn-Ti合金的金属液迅速冷却，使铸态组织得到细化，并减少δ相的析出。再通过热处理的方式使合金在高温环境下发生固态相变，通过Sn原子由δ相向基体的扩散，在消除铸态树枝晶组织的同时，将基体中复杂立方结构的δ相转变为体心立方的β相，增加了基体和金属间化合物的变形能力。最后通过淬火工艺将高温组织保留在基体中，从而在满足Sn含量为13.0～15.0wt.％的同时，使合金的伸长率>30％。该方法操作简便，可以制备大尺寸样品，为制备超导用Cu-Sn-Ti合金提供了新的思路。

下面通过具体的实施例对本发明一种制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的方法进行进一步详细说明。

实施例1

快速凝固及后续热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，无氧纯铜(86.75wt.％)，高纯锡粒(13.0wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.25wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

再将使用快速凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450℃，保温5h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至500℃，保温96h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，最后将合金放入水中进行淬火处理。得到Sn含量为13.0wt.％，抗拉强度为340.1MPa、伸长率为32.9％的Cu-Sn-Ti合金。

实施例2

快速凝固及后续热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，首先将无氧纯铜(85.70wt.％)，高纯锡粒(14wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.30wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

再将使用快速凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450℃，保温5h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至630℃，保温72h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，最后将合金放入水中进行淬火处理。得到Sn含量为14.0wt.％，抗拉强度为339.5MPa、伸长率30.2％的Cu-Sn-Ti合金。

实施例3

快速凝固及后续热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，首先将无氧纯铜(84.65wt.％)，高纯锡粒(15.0wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.35wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

再将使用快速凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到455℃，保温4h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至750℃，保温48h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，最后将合金放入水中进行淬火处理。得到Sn含量为15.0wt.％，抗拉强度为343.1MPa、伸长率30.4％的Cu-Sn-Ti合金。

如图3所示，为实施例1-3快速凝固以及后续热处理后Cu-Sn-Ti合金与传统铸造Cu-Sn-Ti合金的拉伸应力-应变曲线的对比图。

实施例4

快速凝固及后续热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，无氧纯铜(86.75wt.％)，高纯锡粒(13.0wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.25wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

再将使用快速凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450℃，保温5h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至500℃，保温68h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，最后将合金放入水中进行淬火处理。得到Sn含量为13.0wt.％，抗拉强度为341.4MPa、伸长率为32.2％的Cu-Sn-Ti合金。

实施例5

快速凝固及后续热处理制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金，无氧纯铜(86.75wt.％)，高纯锡粒(13.0wt.％)，放入绕有感应线圈的镁砂坩埚中，将高纯钛粉(0.25wt.％)压成冷压坯放入投料室中，再将拉伸杆升入炉体下方的石棉毡保温区中，并将石墨坩埚放在拉伸杆的平台上。之后使用三级泵系将炉体的真空度抽到4.5～5.0×10

再将使用快速凝固方法制备出的Cu-Sn-Ti合金放入管式炉中，然后向管式炉中通入氩气，避免合金氧化。通气40～45min后开始加热，以10℃/min的升温速度将管式炉加热到450℃，保温5h，通过长时间的热处理使得树枝晶组织消失，再以30℃/min的升温速度将温度升至500℃，保温74h，完成合金中复杂立方的δ相向体心立方的β相的转变，最后将合金放入水中进行淬火处理。得到Sn含量为13.0wt.％，抗拉强度为338.7MPa、伸长率为31.6％的Cu-Sn-Ti合金。

本发明一种制备高锡含量高塑性Cu-Sn-Ti合金的方法，使铸态组织得到细化，在消除铸态树枝晶组织的同时，将基体中复杂立方结构的δ相转变为体心立方的β相，增加了基体和金属间化合物的变形能力，本发明方法操作简便，可以制备大尺寸样品，进一步优化了制备Cu-Sn-Ti合金的方法。