自蔓延熔铸制备CuCr合金的基础研究
厚德求实 拓新践行——记东北大学材料与冶金学院院长张廷安教授
厚德求实拓新践行——记东北大学材料与冶金学院院长张廷安教授李明明【摘要】勇做领头雁拓新践行力促我国冶金业发展近年来，张廷安作为学术带头人带领团队以我国复杂难处理有色金属共生矿的生态化利用为目标开展了一系列创新性研究，并在相关领域的核心装备方面取得了突破性进展。
【期刊名称】《科学中国人》【年(卷),期】2012(000)007【总页数】2页(P74-75)【关键词】冶金业;东北大学;院长;学院;材料;生态化利用;学术带头人;有色金属【作者】李明明【作者单位】《科学中国人》编辑部【正文语种】中文【中图分类】F426.3专家简介：张廷安，教授，博士生导师，现任东北大学材料与冶金学院院长、有色金属冶金过程技术教育部工程研究中心主任、多金属共生矿生态利用教育部重点实验室副主任、中国有色金属学会常务理事等；《东北大学学报（自然科学版）》编委、《材料与冶金学报》副主编等。
主要研究方向为以有色金属资源开发利用为背景的物质转化过程中的多相反应动力学及其反应机理，自蔓延冶金，高压湿法冶金，冶金反应器的分析、优化与控制，含铝资源利用工程。
多年来，先后主持完成973项目、国家863重大项目、十二五支撑计划、国家自然科学基金等15项；先后获得冶金部科技进步二等奖、广西科技进步二等奖等20余项。
近年来在国内外学术期刊发表学术论文150余篇，其中SCI、EI收录100多篇次；2005年以来申请国家发明专利27项，已授权16项；专著4部。
近年来，张廷安作为学术带头人带领团队以我国复杂难处理有色金属共生矿的生态化利用为目标开展了一系列创新性研究，并在相关领域的核心装备方面取得了突破性进展。
一、高压湿法清洁冶金针对我国中低品位铝土矿、赤泥、钒渣等资源特点，以实现其资源生态化综合利用为目的，张廷安为核心的特殊冶金创新团队开发的“以钛白废酸为原料的钒渣无焙烧直接提钒清洁生产新工艺”已被列入科技部社发司十二五规划项目，并与四川卓越钒钛有限公司达成了中试试验合作意向。
浅谈对CuCr合制备工艺
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ1512012 03经验交流E xperience浅谈ＣｕＣｒ合金制备工艺文/许福兰铜铬（CuCr）系合金是指以Cu为基体，加入Cr和其他微量合金元素形成的一系列合金。
因其热处理后具有较高的强度和硬度，具有良好的导电导热性及抗腐蚀性，在很多行业都得到了广泛的应用。
其中，用量较大的是低铬含量的CuCr合金，而高铬含量的Cu Cr合金长期以来一直没有得到实际应用。
直到1980年以后，这种新材料才被大规模地应用于电接触材料。
在CuCr合金中，Cu组元具有较低的熔点、高的导热导电性和良好的塑性；第二组元Cr具有较高的熔点和高的机械强度。
Cu、Cr组元的各自特性给铜铬合金的制备带来了较为严重的困难。
固态时，面心立方的的Cu和体心立方的Cr几乎不互溶，共晶点的含Cr量为1.5%，Cr在Cu中的最大固溶度（0.7%）出现在共晶温度1 076℃，600℃以下则几乎不容，而Cu不溶于Cr中。
合金凝固时，Cr有共晶化的倾向，易造成成分偏析；Cr熔点较高，在高温时与普通熔炉材料发生反应剧烈，且在熔点温度下有较高的蒸汽压。
另外，Cr和O、N、C的亲和力大，易吸气和产生不易还原的化合物，从而影响材料的性质，也难以制备低含气量的合金。
因此，研究者广开思路，设计出多种工艺方法，以求获得高性能的CuCr合金。
目前，CuCr合金的制备工艺主要有常规熔炼技术、熔渗技术、等离子体技术、粉末冶金技术、快速凝固技术、自蔓延合成技术、激光表面合金化技术等。
对低Cr含量的合金，大多数采用常规熔炼技术和快速凝固技术；对于高Cr含量的合金，多采用其他几种方法。
一、常规熔炼技术对于低Cr含量的CuCr合金，即铬青铜，一般采用普通熔铸法制备。
Cr组元以纯Cr或以中间合金的形式加入。
原材料采用电解铜、铜铬中间合金或铬颗粒，一般采用石墨坩埚，含碳覆盖剂。
先将坩埚预热至暗红色，加入经预热的电解铜炉料，以快速熔炼；待电解铜基本熔化后，加入约占1.5%的长效复合覆盖剂，用钟罩压入坩埚中部；继续熔炼升温至1250℃左右时，加入中间合金或铬颗粒，再熔炼10－15min，并用石墨棒对合金液搅拌使成分均匀，稍后即可出炉。
高强高导Cu-Cr-Zr合金的非真空熔炼工艺
高强高导 Cu-Cr-Zr合金的非真空熔炼工艺摘要：Cu-Cr-Zr的合金如今被广泛用作于高强度、高导电功能的材料,而且其在研究和推广方面也取得了重要的成果。
基于此,本篇文章用非真空铸造方法制作的Cu-Cr-Zr合金,再结合光谱仪等实验方法及设备观察,具体分析了合金材料的组织和性能,以期能够帮助到更多的电子零件工作者们。
关键词：Cu-Cr-Zr；合金；熔炼工艺时代在不断的进步和发展着,而且又伴随着电子行业的快速升级，同时也增加了对高强度、高导电铜合金的更多需求。
其中最典型的就是Cu-Cr-Zr的合金，目前是越来越受到电子工业的喜爱了。
Cu-Cr-Zr合金在经过一定的加工处理之后，强度、硬度、导电、导热和耐腐蚀性都得到了一定程度上的提高,所以Cu-Cr-Zr合金在市场上又广泛的应用和发展前途。
但是在生产Cu-Cr-Zr合金的过程中，一般采用方法是真空熔炼，这种方法一般对技术的要求比较的高，且生产的成本也高于市场行情。
因此对Cu-Cr-Zr合金的真空熔炼技术展开讨论改进是非常又意义的，为了更彻底的了解和解决非真空熔炼存在的一些问题，对不同成分的几种Cu-Cr-Zr合金进行了实验,在进行实验的同时，对铸造过程中的均匀化和熔炼后的组织和性能要及时地观察纪律。
[1]1、目前Cu-Cr-Zr合金研究仍存在的问题和困难1.1 Cu-Cr-Zr合金的制备形式采用恰当合适的冶炼形式,主要是在非真空条件下进行冶炼，因为Cu-Cr-Zr的合金冶炼的工艺还不太成熟，存在这很多的问题，主要的问题有合金的元素极易的燃烧，所造的产品缺陷很多，质量不稳定等。
1.2 时效强化和形变强化在进行合金强化的过程当中，又分为时效强化和形变强化，这两种强化都对固溶时效温度的范围有明确的要求，如果能够满足其要求的话，就能达到更进一步的提高Cu-Cr-Zr合金的质量和性能。
另外还需要重点研究的就是形变量的变化，它对于Cu-Cr-Zr合金性能的影响也是比较的大。
自蔓延高温合成法技术研究
自蔓延高温合成法技术研究陈起龙（南通大学机械工程学院，江苏南通，226000）【摘要】对自蔓延高温合成技术(SHS)的最新研究动态进行了介绍,指出SHS技术作为一种制备和合成材料的新技术,以其高效、节能、经济、材料性能优良等优点,现已成为制备新材料的崭新途径,并提出自蔓延高温合成技术今后的研究方向。
【关键词】自蔓延高温合成;新材料;结构材料;功能材料；应用研究中图分类号: TB39; TG148文献标识码: AResearch Situation of Self-propagating H igh-temperature SynthesisCHEN Qi-long（Nantong university college in mechanical engineering ，Jiangsu nantong ，226000）Abstract:The progress on current research of self-propagating high-temperature synthesis is introduced. Due to some advantages, such as high performance, energy-saving, low cost and so on, the SHS process has already been a newmethod of fabricating advancedmaterials and it is suggested that the development ofself-propagating high-temperature synthesis and technology lies in the investigation and developmentofnewmaterials fabricated by the SHS process.Key words:Self-propagating high-temperature synthesis; New materials; Structural materials; Functional materials; Application research1. 自蔓延高温合成技术原理自蔓延高温合成(Self-propagating High-tem-perature Synthesis，缩写SHS)技术，是利用化学反应自身放热，依靠燃烧波自我维持，并通过控制自维持反应速度、燃烧温度、反应转化率等条件，进而获得具有指定成分结构产物的一种新型材料制备技术。
自蔓延高温合成钴-钛系多孔合金
物医用替代材料领域得到广泛的推广应用。
２ 实 验
实验所用原料 为 ２ ５ ４ ｍ钛粉和 ３ ｍ钴粉 。 ０ 按照 Ｔ，Ｃ 原子 比 １ ；２１ ｉ ０ ： ：球磨混料 。混合均匀 １
作者简介 ：吴玉博 ，男 ，１８ ９ ２年生 ，硕士研究生 ，北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京
１０ ８ ，电话 ：０ ３ ８ ６ ９ ８ ００ ３ １５ １４ ６ ４
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后在压力试验机上采用 ２０Ｍ ａ ０ Ｐ 压力下模压成型。 由于 ｃ — ｉ ｏ Ｔ 为弱放 热体 系 ，因此 必须经 过预 热 ，自蔓延反应才能发生 。另外 ，钛是十分活泼的 金属元素 ，易与空气 中的 Ｏ ，Ｎ 等发生反应生成
ＴＯ ，ＴＮ等杂质 ，所以本实验在真空中进行１ ｉ ｉ ７ ］ 。将
压坯放人真空炉 中，抽真空至 １ ａ ＯＰ 后开始升 温 ，
升温至 ５０ｏ保温 ２ ｉ，由钨丝引燃压坯 ，使 自 ０ Ｃ Ｏｍｎ
蔓延反应得以进行 ，待炉温降至 ２ ０℃以下时 ，将 ０
Ｃｏ ｊ Ｔ
Ｉｌ …ＪＩＩ血Ｉ Ｊ ， Ｉ一 １ Ｉ Ｉ ． Ｊ Ｊ ．】 Ｉ． … Ｊ＿ ｌ ＿ ｜ ｌ
中图法分 类号 ： Ｇ ４ ． Ｔ １６Ｔ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ８ ５ ３ （０ ７ ０ — ２ — ４ １０ — ９ ９ ２０ ）７ ０ ５ ０
１ 引 言
人体骨、关节的替代材料一直是生物材料研究
者关注的热点 。钛是 目前普遍认同的与人体生物相 容性最佳的元素 ， 但是纯钛材料由于其力学性能较
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自蔓延高温合成钴 一钛系 多孔合金
吴玉博 ， 郝俊 杰 ， 郭志猛
真空熔铸工艺对铜铬合金组织与性能的影响
初期，先以小功率加热电解铜块几分钟，除去其中
水分，待铜块红热后加大功率使电解铜块完全熔
化，这时应停止抽真空，否则由于炉体内气氛不断
被抽走，始终建立不了气液相平衡，熔体液面不断
蒸发造成合金成分损失严重．此外，应注意适当调
节加热功率，防止铜液过度沸腾造成飞溅影响成
分．铜液基本稳定后，加入用铜箔包裹好的铬颗
成分分析在ＧＤＡ ７５０型辉光光谱仪上进行， 试样每隔ｌ ｅｍ截取截面测量ｃｒ元素的含量，每
材料科学与工艺
第１５卷
个截面随机选取５个点测试取平均值．试样平均 成分通过对所有截面上Ｃｒ元素含量计算平均值 求得．
度范围很窄（不大于５℃），且由于是铁模铸造， 液相具有较高温度梯度，凝固主要以顺序凝固方 式进行，铸锭容易产生集中缩孔．浇注温度愈高， 合金液凝固收缩愈大，缩孔越严重．
铜铬合金以其高强度高导电性在工业生产中 有着极其广泛的应用¨ｑ１．根据铬元素含量的不 同，铜铬合金分为高铬铜铬合金（含铬２５％一 ５０％）和低铬铜铬合金（含铬０．４％～１．２％）两 类．前者主要用于大功率真空开关的电触头材料， 其制备工艺近年来已有很多改进，如开发了电弧 熔炼法、喷射沉积法、电火花烧结法等多种新型的 制备方法［６，７ Ｊ．低铬铜铬合金传统上多用于电机 整流子和电焊机电极等方面．
表２ １。一４ｔ试样中的缩孔分布
（ａ）１’厚壁模１１８０℃浇注
（ｂ）≯厚壁模１２３０℃浇注
（ｃ）３。薄壁模１１８０℃浇注
（ｄ）矿厚壁模１２３０℃浇注
图３不Ｉ司浇注工艺下试棒横截面宏观组织对比 ２．２．１ 合金元素的成分控制和质量损失
４种条件下试棒的平均成分列于表１．由表１ 可以看到，４种浇注条件下的试样平均成分相差 不大，接近合金名义成分Ｃｕ一０．８％Ｃｒ，成分控制 准确．注意到４种试样Ｃｒ含量均稍大于０．８％，说 明铜的质量损失比铬严重．通常，合金元素的挥 发、飞溅及烧损是造成合金元素质量损失的主要 原因．由于铜的沸点、蒸发热（２５７３℃， ７２．６ Ｋｅａｌ／ｍ０１）和铬（２６６５ ｏＣ，８１．２９ ＫｅａＬ／ｍ０１） 相差不大，而且经收集坩埚壁及炉体内固体残余 物称重后发现，由合金元素挥发造成的质量损失 只占配料总重的１％左右，所以元素挥发对合金 相对成分影响不大．此外，氧化烧损在真空冶炼条 件下很小，基本不影响合金成分．可见导致Ｃｒ含 量偏高的主要原因是熔炼初期熔化电解铜时产生 的飞溅导致降低了合金中铜的实际含量．
Cu_Cr合金制备技术的研究进展
由Ｃｕ－Ｃｒ二元合金相图［１］可以得知Ｃｒ在Ｃｕ中的固溶度很低，８００Ｋ以下几乎不溶，Ｃｕ在Ｃｒ中的固溶度更小，因此Ｃｕ－Ｃｒ合金结合了Ｃｒ的高硬度和Ｃｕ良好的导电导热性，在制备触头材料、电阻焊电极、连铸机结晶器内衬、集成电路引线框架、电动工具的转向器、电工开关、耐磨材料、大型高速涡轮发电机转子导线、电车及电力火车架空导线等方面得到广泛应用［２～５］。
由于Ｃｕ－Ｃｒ合金两相之间固溶度很小且两组元氧化物的热力学稳定性及生长速度差异极大，因此是人们研究二元合金高温腐蚀问题的一种模型合金［６，７］。
Ｃｕ－Ｃｒ合金之所以具有如此广泛的应用，主要与Ｃｕ和Ｃｒ这两种合金元素的性质有很大的关系。
由于Ｃｕ－Ｃｒ合金系具有很大的正混合热，即使是在液相时也难以互溶，Ｃｕ与Ｃｒ的不溶性，使其凝固时Ｃｒ相容易产生微观偏析和严重的宏观偏析。
此外，由于Ｃｒ的熔点很高，在高温时易与坩埚材料发生剧烈反应，种种因素决定了Ｃｕ－Ｃｒ合金难于采用普通的熔炼法制备，最终产物的性能也难以得到保证。
本文结合国内外Ｃｕ－Ｃｒ合金有关文献的研究成果，综述了Ｃｕ－Ｃｒ合金制备工艺方法的优缺点及研究现状，并重点介绍了最新发展起来的电磁悬浮熔炼法和悬淬法制备Ｃｕ－Ｃｒ合金的特点，以期对Ｃｕ－Ｃｒ合金未来的发展和研究提供参考。
１Ｃｕ－Ｃｒ合金传统制备技术１．１熔渗法熔渗法是将适量的Ｃｒ粉或者混有少量Ｃｕ粉及其它添加组元的Ｃｒ粉压制，烧结制成熔渗骨架，然后在重力的作用下向骨架中熔渗Ｃｕ制成Ｃｕ－Ｃｒ合金。
熔渗法制备的Ｃｕ－Ｃｒ合金触头材料工艺简单，机械强度较好，具有较好的耐电压强度和抗电蚀能力，但是仍存在许多缺陷，如由于Ｃｕ与Ｃｒ的热膨胀系数不同，当材料从熔渗温度下冷却时就会发生收缩孔洞；由于Ｃｒ的活性及强吸气性，使Ｃｒ粉表面难免存在难以还原的氧化膜，使浸润困难，易产生微孔、孔洞及氧化物残渣等；由于Ｃｒ骨架崩塌造成封闭的孔洞和机械变形性能差等缺陷的存在降低了Ｃｕ－Ｃｒ合金触头材料的开断性能。
SCI论文 CuCr25合金的机械变形及性能
前，彼此不断的穿过，因而在ｃｕ基内部形成大量的 空位，由于在室温下ｃｕ基中的空位与填隙式合金迁 移时具有一样的焓，因此迁移缓慢，而不会形成位错 环和到达晶界［２】，ｃｕ基中大量的空位引起晶体的空 间点阵发生畸变导致电导率的降低，以及“条带状” 和“纤维状”的Ｃｒ相阻碍了电子的散射，导致电阻 的上升；ＩＩＩ区电导率的上升与Ｃｕ—Ａｇ合金类似【６Ｊ，可 能是由于经过大量的轧制变形后，界面面积大大增 加，ｃｒ相有序化，Ｃｕ基内的空位迁移到界面与填隙 的Ｃｒ原子反应而消失和冷轧变形过程中ｃｕ基内发
图ｌ ＣｕＣｒ２５合金的显微组织 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ＣｕＣｒ２５ ａｌｌｏｙ
表１ ｃｕｃｒ２５合金成分分布
７Ｉ’ａｂｌｅ １ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＣｕＣｒ２５ ａＵｏｙ
ＡＵｏｙｉｎｇ
！！！里！璺！
Ｃｕ／％
ＡＶｅｒａｇｅ ａｌｌｏｙ
！旦！堡竺！ｉ！ｉ竺呈
９１．８
２．３ ＣｕＣｒ２５合金轧制后的显微组织 Ｃｕｃｒ２５合金轧制变形后延伸率为６００％的显微组
织形貌如图２所示。由图２可以看出，轧制变形后的 ＣｕＣｒ２５合金中的Ｃｒ相成条带状和纤维状，有空洞生 成，并在纵向上比较多。空洞一部分是合金原来的， 而主要是由于轧制变形过程中，Ｃｒ纤维在ｃｕ基界面 处断裂而造成【３’５】。空洞比Ｄ．Ｌ．ｚｈａｎｇ等【３】所测的多是 由于变形量远远大于他们所测时的变形量。
万方数据
５期
周志明等：ｃｕｃｒ２５合金的机械变形及性能
表２为真空熔炼ｃｕＣｒ２５合金的性能测试结果。 由表２可以清楚地看到真空熔炼法制得的Ｃｕｃｒ２５
合金晶粒细小，致密度高，含气量低，具有良好的导 电性。
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［作者简介］杨
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工业生产。作者将对该工艺的两大部分进行理论上 的分析与计算。
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热力学计算
自蔓延过程是一个复杂的高放热燃烧过程，由
金的传统思路，把纯金属 ,- 粉和 ,/ 粉按一定比例 混合后压制、烧结，然后再采用不同的方法制得合 金。其中熔渗法和混粉烧结法制造出的 ,-,/ 合金 ［’］ 。真 都不同程度地存在着致密度均匀性差等缺点 空电弧熔炼法虽然可以得到致密的合金体，但其设 备成本很高，目前已有尝试用真空感应电炉铸造合
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铸模预热温度对传导与凝固时间之和的影响
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图 ! 铸模预热温度对热量传导的影响
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时，金属模中合金液从浇注到凝固，所需时间不超 过 @# 6，而在石墨模中冷却更快。 图; 和图 < 为金属模和石墨模中凝固的铜铬合
*16+234 $,578 ,3 +2$) ,( +0).$17 *,385*+2,3 & %9# : % 9;< = 区间是合金凝固的关键所在，其 组元在合金中的分布过程在该阶段完成，也就是说 组元在合金中能否分布均匀取决于该阶段，该阶段 包括金属铜和金属铬结晶潜热的释放，可以把该过 程设想为一个有结晶宽度的合金共晶过程。在该过 程中铸件凝固所需时间为!& ：
化合物高温材料的一种新方法。*+* 过程的基础是 能发生强烈的放热反应，使反应本身得以以反应波
［%］ 的形式持续下去 。由于燃烧波使物料产生高温，