本发明涉及cu-cr合金制备技术领域，具体涉及一种含微量bi元素的cu-cr合金及其凝固制备方法。
背景技术：
cu-cr合金是一种重要的电触头材料。该材料要求富cr相以粒子形式弥散分布于cu基体中。但cu-cr合金相图如图1所示，存在亚稳液态组元不混溶温度区间。当均一的合金熔体冷却到亚稳液态组元不混溶温度区间内时，将发生液-液相变，富cr液滴自熔体中沉淀析出。由于两液相间的比重差很大，富cr液滴会发生沉积；同时，凝固过程中熔体内的温度梯度会导致液滴/熔体的界面能梯度，致使液滴向高温区迁移，因此，cu-cr合金液-液相变期间极易形成相偏析严重乃至两相分层的现象，其制备极为困难，采用传统铸造法很难得到组织均匀的合金材料，这限制了工业上用凝固方法制备cu-cr合金。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种含微量bi元素的cu-cr合金及其凝固制备方法，通过向cu-cr合金熔体中添加微量bi元素，提高cu-cr合金熔体冷却过程中液-液相变时富cr相液滴的形核率，促进弥散型cu-cr合金复合凝固组织的形成。
本发明的技术方案是：
一种含微量bi元素的cu-cr合金，该cu-cr合金中bi元素含量≥0.05wt％，其中，bi元素含量优选为0.05～0.1wt％，cr元素含量优选为15～40wt％，其余为cu。
所述cu-cr合金具有弥散型复合凝固组织，其中cr相以粒子形式弥散分布于cu基体中。
该具有弥散型复合凝固组织的cu-cr合金采用快速凝固铸造技术制备，如金属型或石墨型铸造。具体过程为：加热熔炼cu-cr合金原料(不含bi元素)，向所得cu-cr合金熔体中添加所需量的bi元素，当含有bi元素的cu-cr合金熔体冷却至亚稳液态组元不混溶温度时，富cr相液滴自熔体中沉淀析出，bi元素降低两液相间的界面能，提高富cr相液滴的形核率，凝固后获得弥散型复合凝固组织的cu-cr合金。
所述的cu-cr合金的熔炼温度为tc，满足tb+100℃<tc<1650℃，其中tb为cu-cr合金的平衡液-液相变温度。
所述cu-cr合金的浇注温度在cu-cr合金的平衡液-液相变温度tb以上。
本发明的原理如下：
cu-cr是一种偏晶合金，均一的cu-cr合金熔体冷却过程中会发生液-液相变，富cr液滴自熔体中沉淀析出。对于cu-cr合金而言，bi是一种表面活性元素，向cu-cr合金熔体中添加微量bi元素后，当cu-cr合金熔体冷却至亚稳液态组元不混溶温度时，富cr相液滴自熔体中沉淀析出，bi元素能降低富cr液滴与基体熔体间的界面能，这既降低了富cr相液滴的形核阻力，提高其形核速率，又降低了液滴的marangoni迁移速度，因此bi能促进弥散型cu-cr合金复合凝固组织的形成。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用添加表面/界面活性元素bi的方法控制cu-cr合金的液-液相变热力学与动力学过程，用凝固方法制备cr以粒子形式弥散分布于cu基体的cu-cr复合材料。
2、本发明尤其适合于冷却速度较快的铸造技术，如：金属型、石墨型铸造等。
附图说明
图1为cu-cr合金示意相图。
图2为cu-15wt％cr合金试样的微观组织，其中：(a)未添加bi；(b)添加了0.1wt％的bi。图中基体为富cu相，弥散粒子为富cr相。
图3为cu-20wt％cr合金试样的微观组织，其中：(a)未添加bi；(b)添加了0.1wt％的bi。图中基体为富cu相，弥散粒子为富cr相。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
cu-cr合金熔体冷却时首先发生液-液相变(见图1)，凝固时极易形成偏析严重乃至两相分层的组织，制备极为困难。本发明研究了微量元素bi对cu-cr合金凝固行为及组织的影响，发现微量的bi能显著提高cu-cr合金液-液相变过程中富cr相液滴的形核率、细化凝固组织、促进弥散型凝固组织的获得。据此，本发明通过向cu-cr合金添加微量元素bi，制备cu-cr合金弥散型复合材料。如图2、图3为所制备cu-cr合金的凝固组织。
实施例1
如图2所示，使用铜模铸造cu-15wt％cr合金，铜模内径为5mm，浇注前铜模温度为室温。未添加bi的试样中富cr相以粗大枝晶形式存在，添加0.1wt％bi的合金试样中富cr相以弥散粒子形式存在，分布均匀。
其制备过程如下：
用电弧炉熔炼cu-15wt％cr合金和cu-15wt％cr-0.1wt％bi合金，升温至1600℃并保温2分钟后将熔体注入铜模。
实施例2
如图3所示，使用铜模铸造cu-20wt％cr合金，铜模内径为5mm，浇注前铜模温度为室温，试样直径5mm。未添加bi的试样中富cr相以粗大枝晶形式存在，添加0.1wt％bi的合金试样中富cr相以弥散粒子形式存在，分布均匀。
其制备过程如下：
用电弧炉熔炼cu-20wt％cr合金和cu-20wt％cr-0.1wt％bi合金，升温至1600℃并保温2分钟后将熔体注入铜模。