粉末冶金法制备Cu-Ni-Nb合金的组织与性能研究

发布时间：2020-06-26 12:42

【摘要】：高炉的寿命制约着冶金工业的高效连续化生产,冷却水套作为关键的冷却元件对高炉的寿命和生产效率有着重要的影响。工业上常用的纯铜冷却水套由于熔点较低、热导率过高的缺点在越来越恶劣的工作环境中逐渐受到限制,因此开发一种新型铜合金材料,使其具有高熔点同时能保证适宜热导率,是制备高性能冷却水套的关键。针对熔炼法制备的Cu-Ni-Nb合金因Cu、Nb两个元素熔点相差太大且二者难混溶导致出现铜元素烧损、合金成分偏析等问题,本文采用粉末冶金法制备Cu-Ni-Nb合金,研究了粉末冶金法制备工艺参数对合金组织和致密度、熔点、热导率等性能的影响规律。获得的主要结论如下:(1)Cu-Ni-Nb复合粉末经高能球磨后,分析发现Ni已全部固溶进Cu中,形成了Cu0.81Ni0.19相。Nb部分固溶进Cu,仍有Nb单质衍射峰存在,最终形成了以Cu0.81Ni0.19相为主的(CuNiNb)固溶体。在热压烧结之后,固溶在Cu中的Nb完全析出,与Ni形成第二相NbNi3,基体成分为Cu0.81Ni0.19。(2)随着烧结温度的升高,Cu-Ni-Nb合金的致密度和热导率均逐渐增大,在900℃时达到最大值99.13%和30.65W/m·k;合金的熔点逐渐下降,在900℃时合金熔点为1178.92℃;950℃时,合金致密度和热导率均有所下降,而合金熔点有所提升。综合考虑,粉末冶金法制备Cu-30Ni-5Nb合金的最优烧结温度为875℃。(3)随着保温时间从1h延长到3h,致密度从97.39%增加到98.91%,在2h后变化不大且增长率不及烧结温度和烧结压力;同时热导率升高,熔点下降,分别在3h和1h时达到最大值30.11W/m·k、1184.49℃。因此,粉末冶金法制备Cu-30Ni-5Nb合金的最优保温时间为2h。(4)随着烧结压力的升高,致密度和热导率逐渐增大,在25MPa时达到最大;熔点逐渐下降,在15MPa时有最大值。综合考虑,粉末冶金法制备Cu-30Ni-5Nb合金的最优烧结压力为25MPa。(5)适合于粉末冶金法制备Cu-Ni-Nb合金的烧结参数:烧结温度为875℃、保温时间为2h、烧结压力为25Mpa。该工艺条件下,合金致密度为98.66%,熔点为1180.86℃,热导率为29.54W/m·k,屈服强度为355.74MPa,伸长率为6.18%。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF125.211
【图文】：

二元合金相图,二元合金相图

图 1-1 Cu-Ni 二元合金相图表 1-1 中铜镍合金熔点和热导率的变化规律可以得出，随着镍元素金的熔点持续上升，合金的热导率迅速下降。熔点和导热性能的此消彼长，往往需要牺牲其中一个的优势以提高对方性能。这就究难点之一。综合以上分析，选取 Cu-Ni 为基体可以解决纯铜冷的问题，为缓解熔点与导热之间的矛盾，提高导热性能，对合金将是最理想的解决方法[11]。表 1-1 20℃时不同镍元素含量的铜镍合金熔点和热导率般情况下，材料有好的导电性能，也会有好的导热性能[12]。而国内能的研究相对较少，因此，本文从导电理论方面学习借鉴，适当。研究表明[13]：第二相的析出会引起晶格畸变，对铜合金整体的含量/wt% 1 5 10 30 熔点/℃ 1085 1100 1121 1220 导率/(W/m·k) 209.4 94.7 65.4 25.6

二元合金相图,二元合金相图

大学硕士学位论文第一章导电理论可知：溶质元素 Ni 固溶进 Cu 基体后，必定使基体晶格发生金对电子产生的散射作用加剧，使合金电阻率上升，导电性能下降对电子产生的散射作用比固溶元素小[15]，若能使基体中的 Ni 原子以析出，降低固溶元素含量，使基体组织相对接近纯铜，将可有效提性能。据图 1-2 可知，Ni、Nb 可以互相结合，形成金属间化合物，其主要存Ni3Nb、Ni6Nb7和 Nb 几种物相。Ni-Nb 体系是一个重要的 Ni 基合金系中加入 Nb 元素，以析出基于 NbNi3的γ 相是提高 Ni 基合金高温性[16]。因此，在 Cu-Ni 合金中加入 Nb 元素，既可以和基体中的 Ni 反以改善合金导热性能，又可有助于提高合金耐热性。

【参考文献】