CN115786764B - 一种铜镜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜镜材料及其制备方法，该铜镜材料包括锡22～25％，镓0.2～1.0％，锌1～4％，锗0.3～3％，钕0.03～0.2％，钌0.1～0.5％，硼0.02～0.15％，其余为铜。上述铜镜材料通过以锡作为主漂白元素，同时引入锌、锗、镓元素等作为副漂白元素，有利于降低合金熔点，改善金属液流动性，还在合金中引入钕、钌、硼等元素，优化匹配，最终使合金具有白亮度和映照性能，适合石膏型精密铸造工艺，可获得致密度较高的铸态组织，同时具有优良的耐蚀性和耐磨性，能长时间保持镜面白亮，不发生晦暗变色，并且还具有高硬度和优良的耐磨性，能反复承受日常擦拭不容易出现划痕。
Description
技术领域
本发明涉及铜镜技术领域，尤其涉及一种铜镜材料及其制备方法。
背景技术
铜镜是中国古人用来照看面容装饰的日常用具，被视为青铜器类的珍品，在我国流行了数千年，其发展可分为早期、流行期、鼎盛期、中衰期、繁荣期、衰落期等几个阶段，至清代玻璃镜普及后退出了历史舞台。新世纪以来，随着我国经济生活水平的提高，铜镜作为深厚的中国文化和青铜文明的载体，成为收藏市场的追捧对象，并带动了青铜镜的大众消费。
铜镜要长时间具有映照功能，其材料经抛光后必须有足够的亮度，并且有优良的耐磨性、耐蚀性和耐候性，不容易因日常擦拭而出现表面划痕，也不容易因环境影响而在铜镜表面出现晦暗、变色、腐蚀斑点等问题。我国古代春秋年间齐国官书《考工记》中记载了关于制造六类青铜制品时的合金比例：“金有六齐，六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”其中，“金锡半，谓之鉴燧之齐”是指用于铜镜的材料，目前学术界对其解释仍存在争议，有的认为“金、锡各一半”，有的认为“将青铜合金三等分，金二、锡一”。从指导生产的角度而言，如果直接使用《考工记》中给出的合金配方，将会造成灾难性的后果。出土实物也表明，当时的生产者并没有完全采用其记载的一系列青铜配方。铸造铜镜也是同样的情况，就已做过金相分析的先秦铜镜而言，其锡含量为15.967％～25.18％，主要分布区间为18％～20％。曾有中国冶金史方面的研究者专门采用了《考工记》中提到的含锡量为33％的青铜配方实验铸造铜镜，结果发现，如此高的锡含量铸造出的毛坯根本无法进行进一步的精加工处理，一经砂轮打磨便有碎块崩落。如果铸造毛坯不经过粗磨、精磨等工序，根本无法形成平整的镜面，也就无法正常使用。对古代铜镜试样进行化学成分检测，发现无论哪个朝代的的铜镜材料，均含有相当比例的铅，例如春秋战国时期的铜镜，含有6％左右的铅，而到了宋代，铜镜材料中的铅含量达到20％以上。
在青铜镜材料及制作工艺方面，国内少数专业技术人员开展了研究探索，并取得了一些研究成果。例如，专利CN93108885.2公开了青铜镜及其制备方法，包括制范、熔炼、浇铸、开镜和透光处理，鎏金等步骤；青铜镜的配方为65～80wt％的Cu，15～27wt％的Sn，1～5wt％的Pb，0.01～0.05wt％的Zn；可以实现“透光”效果。再如，专利CN96101078.9公开了青铜镜的制备方法，采用了青铜材料成分为72％铜，23％锡和5％铅。上述材料均含有较高比例的铅，铅不固溶于α相，以游离状态存在，呈黑色质点分布于枝晶之间，容易出现偏析。铅是一种较软的相，降低锡青铜的摩擦系数，改善耐磨性能，提高可切削性能。但是铅对于人体健康和环境均产生严重的威胁，不能满足绿色环保的基本要求。另外，铅的比重很大，容易产生比重偏析。再者，许多材料的结晶间隔过宽，有些甚至达到400℃以上，在铸造时呈现严重的糊状凝固方式，导致铸件容易出现缩松，对于铜镜表面抛光很不利，容易出现抛光划痕、孔洞，影响表面光亮度和映照效果。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的之一在于提供一种铜镜材料，其综合考虑材料的颜色、耐蚀性、耐磨性、成型性能和加工性能的要求，以锡、镓、钌等元素进行多元合金化，开发了一种绿色环保的高性能铜镜材料，它不含有毒有害元素，具有优良的白亮度和映照性能，适合石膏型精密铸造工艺，可获得致密度较高的铸态组织，合金具有优良的耐蚀性和耐磨性，能长时间保持镜面白亮，不发生晦暗变色，合金具有高硬度和优良的耐磨性，能反复承受日常擦拭不容易出现划痕。
本发明目的之二在于提供一种上述铜镜材料的制备方法。
本发明目的之一采用如下技术方案实现：
一种铜镜材料，包括如下重量百分比的组分：
锡22～25％，镓0.2～1.0％，锌1～4％，锗0.3～3％，钕0.03～0.2％，钌0.1～0.5％，硼0.02～0.15％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
即，本发明的铜镜材料通过铜与锡、镓、锌、锗、钕、钌、硼等元素配合，以锡作为主漂白元素，同时引入锌、锗、镓元素等作为副漂白元素，有利于降低合金熔点，改善金属液流动性，还在合金中引入钕、钌、硼等元素，优化匹配，最终使合金具有白亮度和映照性能，适合石膏型精密铸造工艺，可获得致密度较高的铸态组织，同时具有优良的耐蚀性和耐磨性，能长时间保持镜面白亮，不发生晦暗变色，并且还具有高硬度和优良的耐磨性，能反复承受日常擦拭不容易出现划痕。
其具体的技术原理为：
铜镜须具有高的白亮度和光滑度，才能获得良好的映照功能，且材料需具有优良的耐蚀性和高的硬度，才能长时间保持映照效果。铜本身成***，亮度低，且容易晦暗变色，需要添加具有漂白效果的合金元素，使其颜色呈现较好的白亮度，并且能在材料表面形成致密的钝化膜，使之具有有很好的耐蚀性。同时，通过合金化在显微组织中形成高硬度中间相，提高材料的耐磨性能。为此，本铜镜材料采用了多元合金化，从不同性能角度通过相应的合金元素及组成范围对性能进行调控，使其达到综合性能的优化匹配。
其中，(1)锡。对铜具有漂白作用，可以明显降低铜合金的熔点，改善金属液流动性能，减少吸气，锡可以显著改善铜合金的耐蚀性，并大幅提高合金硬度。锡含量过低时，材料的耐蚀性和硬度不足，锡含量过高时，合金韧性过大，加工性能恶化。
(2)镓。镓的作用与锡类似，对铜具有漂白作用，可以显著降低合金的熔点，改善铸造性能，并改善合金的强度和耐蚀性。但是镓含量过高时，会使材料的凝固结晶间隔加大，不利于铸件的致密度。
(3)锌。对铜具有漂白作用，可以降低合金的熔点，降低金属液的表面张力，改善铸造性能，减少金属液吸气氧化倾向。但是锌含量过高时，会降低材料的耐蚀性，引起脱锌腐蚀，而且不利于材料的硬度。在铸造时也容易形成氧化锌夹渣。
(4)锗。对铜具有漂白作用，可降低金属液的表面张力和导热系数，改善铸造性能，可形成中间相，提高合金的硬度。但是锗含量过高时，会加大凝固结晶间隔，并影响加工性能。
(5)钕。可改善金属液冶金质量，并产生晶粒细化作用，改善合金的强韧性。但是含量过高时，影响形成熔渣，影响金属液流动性，并损害合金的加工性能。
(6)钌。可产生明显的晶粒细化效果，提高合金的亮度，改善合金的耐蚀性，并改善合金的强韧性。但是钌含量过高时，增加材料成本，并且增加合金的熔铸难度。
(7)硼。对金属液具有保护和净化作用，改善冶金质量，产生晶粒细化作用，对合金具有显著的强化作用。但是硼含量过高时容易产生熔渣，影响金属液流动性，影响铸件表面质量。
综上，通过综合上述材料的性能，考虑材料的颜色、耐蚀性、耐磨性、成型性能和加工性能的要求，设计了上述的材料组成。
进一步地，所述不可避免的杂质元素的总含量不超过0.1wt％。
进一步地，铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡25％，镓0.35％，锌2％，锗0.3％，钕0.1％，钌0.15％，硼0.075％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
进一步地，铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡22％，镓1.0％，锌2％，锗0.3％，钕0.03％，钌0.1％，硼0.02％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
进一步地，铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡22％，镓0.2％，锌1％，锗3％，钕0.03％，钌0.1％，硼0.02％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
进一步地，铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡22％，镓0.25％，锌4％，锗1.2％，钕0.2％，钌0.5％，硼0.15％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
进一步地，铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡24％，镓0.3％，锌3％，锗0.5％，钕0.05％，钌0.2％，硼0.05％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
本发明目的之二采用如下技术方案实现：
一种铜镜材料的制备方法包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用无氧铜以及纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，成分均匀后，制成金属珠；
该步骤中，为获得均匀稳定的合金材料，本发明采用无氧纯铜与中间合金的方式配料，并将中间合金制成颗粒状，以利于配料和熔化。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金56～64份，铜锌合金5～21份，铜钌合金1～5份，铜镓合金1～5份，铜硼合金0.4～3份，铜钕合金0.3～2份，铜锗合金1.5～15份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到10～20Pa，然后充入工业纯氩，升温到980～1050℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，将温度降低到870～920℃，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀，将金属液注入清水池中，制成金属珠，即得。
此步骤中，采用二次加料的方式，将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，其余材料直接加入坩埚内，然后采用阶梯控温方式，一次料熔清后在过热度为150～200℃搅拌均匀，加入二次料熔清后搅拌均匀，降温到过热度为60～100℃时进行浇注，以提高合金的铸造性能。
进一步地，在步骤S1中，中间合金的制备步骤包括如下具体步骤：
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素(锡、镓、锌、锗、钕、钌、硼)，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到5～20Pa，然后充入氩气到1.0～1.02atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中；在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为140～200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5～10°，制成粒度为2～8mm的金属珠。
进一步地，在步骤S2中，在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为140～200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5～10°。
进一步地，在步骤S2中，金属珠的粒度为2～7mm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的铜镜材料通过铜与锡、镓、锌、锗、钕、钌、硼等元素配合，以锡作为主漂白元素，同时引入锌、锗、镓元素等作为副漂白元素，有利于降低合金熔点，改善金属液流动性，还在合金中引入钕、钌、硼等元素，优化匹配，最终使合金具有白亮度和映照性能，适合石膏型精密铸造工艺，可获得致密度较高的铸态组织，同时具有优良的耐蚀性和耐磨性，能长时间保持镜面白亮，不发生晦暗变色，并且还具有高硬度和优良的耐磨性，能反复承受日常擦拭不容易出现划痕。
本发明的铜镜材料具有很高的白亮度，对光的反射率达到90％以上，色度a*值低于2，色度b*值低于8.7，映照性能优异；合金有很好的耐蚀性，放在大气中不容易出现灰朦、光泽度下降的问题，在模拟太阳光照射48h，色差低于1；合金有优良的铸造性能，液相线低于835℃，结晶间隔低于100℃，流动充型性能优良，能满足石膏型精密铸造工艺的要求，能保证镜背的精细纹饰完整清晰地铸造成型，铸造组织致密，缺陷少，有利于获得高亮度抛光表面，也有利于日常擦拭清洁；合金铸态硬度达到HV440以上，有很好的耐划擦性能，可承受反复日常擦拭清洁而保持优良的光亮度；材料不含铅、砷等有毒元素，也不含镍、钴等潜在致敏元素，不对人体健康和环境产生有害影响，绿色环保。
附图说明
图1为实施例1与对比例1的合金材料的差热分析结果对比图；
图2为实施例1在人工汗液中的阻抗图；
图3为对比例1在人工汗液中的阻抗图；
图4为实施例1与对比例1在人工汗液中的塔菲尔曲线对比图；
图5为实施例1与对比例1经模拟太阳光照48h后的色差对比图；
图6为实施例1与对比例1的铸态硬度对比图。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。在以下实施例中，铜为纯度为99.95％以上的无氧铜；锡、镓、锌、锗、钕、钌、硼均为纯度为99.5％以上的纯金属材料。
对比例1
对比例1为典型铜镜材料Cu72Sn23Pb5。
实施例1
一种铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
锡25％，镓0.35％，锌2％，锗0.3％，钕0.1％，钌0.15％，硼0.075％，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
该铜镜材料包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到15Pa，然后充入氩气到1.01atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为170m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为7°，由此制成粒度为3～6mm的金属珠。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金64份，铜锌合金10.3份，铜钌合金1.5份，铜镓合金1.8份，铜硼合金1.5份，铜钕合金1份，铜锗合金1.5份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到15Pa，然后充入工业纯氩。升温到1020℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，将温度降低到890℃，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀。将金属液注入清水池中，其中，在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为170m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为7°，由此制成粒度为3～6mm的金属珠。将金属珠烘干，即可用作铜镜铸造的原料。
将对比例1与实施例1在同等条件下检测其物理、化学和力学性能等，结果如下。
(1)颜色
通过将对比例1与实施例1经过同样的处理后，检测试样的表面颜色，采用分光测色仪检测材料的颜色，结果如表1所示。
表1
| 材料 | 亮度值L* | 色度值a* | 色度值b* | 黄度指数YI |
| 实施例1 | 90.62 | 1.92 | 8.14 | 13.69 |
| 对比例1 | 88.62 | 1.71 | 10.03 | 16.89 |
从表中可看出，相比于对比例1，实施例1的亮度值L*更高，而色度值b*和黄度指数YI更低，表明它比对比例1表面更光亮，而且更显白。
(2)铸造性能
采用差热分析仪检测材料的差热性能，结果如图1所示。
从图中可知，实施例1的熔化凝固过程较平稳，液相点为803℃，固相点为728℃，结晶间隔为75℃。而对比例1的差热曲线在熔化过程中出现多次吸热峰，从536℃开始熔化，直到801℃才完全成为液相，结晶间隔达到265℃。因此，实施例1在凝固过程中倾向于顺序凝固，有利于获得致密的组织，而对比例1则呈现典型的糊状凝固，容易形成缩松缺陷。
(3)耐蚀性
采用电化学工作站检测材料在人工汗液中的阻抗值和极化曲线，分别如图2-图4所示。采用耐变黄光照试验仪进行试验，检测样品试验前后的颜色变化，结果如图5所示。
从图2和图3中可看出，实施例1的阻抗值达到16422Ω，而对比例1的阻抗值只有9375Ω。
从图4中可看出，实施例1的自腐蚀电位为-0.07V，钝化电位为0.018V，而对比例1的自腐蚀电位为-0.466V，钝化电位为-0.174V。因此，实施例1在人工汗液中的耐蚀性显著高于对比例1的耐蚀性。
从图5中可看出，实施例1经模拟太阳光照48h后，色差小于1，明显低于对比例1。
(4)硬度
实施例1与对比例1的铸态硬度对比如图6所示。
从图中可看出，实施例1的硬度高于对比例1，平均硬度达到HV474，这有利于镜面抛光，并且使抛光后的镜面有优良的耐划擦性能。
实施例2
一种铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
22％锡，1％镓，2％锌，0.3％锗，0.03％钕，0.1％钌，0.02％硼，其余为铜，以及不可避免的杂质。
该铜镜材料包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到10Pa，然后充入氩气到1.00atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5°，由此制成粒度为2～5mm的金属珠。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金56.1份，铜锌合金10.3份，铜钌合金1份，铜镓合金5份，铜硼合金0.4份，铜钕合金0.3份，铜锗合金1.5份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到10Pa，然后充入工业纯氩。升温到1000℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，将温度降低到920℃，将金属液注入清水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5°，由此制成粒度为2～5mm的金属珠。将金属珠烘干，即可用作铜镜铸造的原料。
经检测，本实施例2的液相点为832℃，凝固结晶间隔为79℃，铸态硬度为HV442，亮度值为90.13，色度a*为1.98，色度b*为8.65，抛光表面具有很好的白亮色，且有优异的耐划擦性能。
实施例3
一种铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
22％锡，0.2％镓,1％锌，3％锗，0.03％钕，0.1％钌，0.02％硼，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
该铜镜材料包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到8Pa，然后充入氩气到1.01atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为140m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为10°，由此制成粒度为3～7mm的金属珠。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金56.1份，铜锌合金5.2份，铜钌合金1份，铜镓合金1份，铜硼合金0.4份，铜钕合金0.3份，铜锗合金15份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到20Pa，然后充入工业纯氩。升温到1010℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀。将温度降低到900℃，将金属液注入清水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为140m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为10°，由此制成粒度为3～7mm的金属珠。将金属珠烘干，即可用作铜镜铸造的原料。
经检测，本实施例3的液相点为806℃，凝固结晶间隔为84℃，铸态硬度为HV457，亮度值为90.36，色度a*为1.88，色度b*为7.97，抛光表面具有很好的白亮色，且有优异的耐划擦性能。
实施例4
一种铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
22％锡，0.25％镓,4％锌，1.2％锗，0.2％钕，0.5％钌，0.15％硼，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
该铜镜材料包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到15Pa，然后充入氩气到1.02atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5°，由此制成粒度为2～5mm的金属珠。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金61份，铜锌合金10.3份，铜钌合金1.5份，铜镓合金1.8份，铜硼合金1.5份，铜钕合金1份，铜锗合金1.5份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到15Pa，然后充入工业纯氩。升温到1050℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀。将温度降低到910℃，将金属液注入清水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5°，由此制成粒度为2～5mm的金属珠。将金属珠烘干，即可用作铜镜铸造的原料。
经检测，本实施例4的液相点为808℃，凝固结晶间隔为98℃，铸态硬度为HV453，亮度值为90.16，色度a*为1.84，色度b*为8.35，抛光表面具有很好的白亮色，且有优异的耐划擦性能。
实施例5
一种铜镜材料包括如下重量百分比的组分：
24％锡，0.3％镓,3％锌，0.5％锗，0.05％钕，0.2％钌，0.05％硼，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
该铜镜材料包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用纯度为99.95％以上的无氧铜以及纯度为99.5％以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到10Pa，然后充入氩气到1.01atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为170m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为7°，由此制成粒度为3～6mm的金属珠。
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金61份，铜锌合金10.3份，铜钌合金1.5份，铜镓合金1.8份，铜硼合金1.5份，铜钕合金1份，铜锗合金1.5份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的的石墨坩埚内，抽真空到13Pa，然后充入工业纯氩，升温到1030℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀。将温度降低到910℃，将金属液注入清水池中。在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为170m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为7°，由此制成粒度为3～6mm的金属珠。将金属珠烘干，即可用作铜镜铸造的原料。
经检测，本实施例5的液相点为813℃，凝固结晶间隔为85℃，铸态硬度为HV449，亮度值为90.09，色度a*为1.85，色度b*为8.28，抛光表面具有很好的白亮色，且有优异的耐划擦性能。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种铜镜材料，其特征在于，包括如下重量百分比的组分：
锡22~25%，镓0.2~1.0%，锌1~4%，锗0.3~3%，钕0.03~0.2%，钌0.1~0.5%，硼0.02~0.15%，其余为铜以及不可避免的杂质元素；
该铜镜材料的制备包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用无氧铜以及纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，成分均匀后，制成金属珠；
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金56~64份，铜锌合金5~21份，铜钌合金1~5份，铜镓合金1~5份，铜硼合金0.4~3份，铜钕合金0.3~2份，铜锗合金1.5~15份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的石墨坩埚内，抽真空到10~20Pa，然后充入工业纯氩，升温到980~1050℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，将温度降低到870~920℃，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀，将金属液注入清水池中，制成金属珠，即得。
2.根据权利要求1所述的铜镜材料，其特征在于， 包括如下重量百分比的组分：
锡25%，镓0.35%，锌2%，锗0.3%，钕0.1%，钌0.15%，硼0.075%，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的铜镜材料，其特征在于， 包括如下重量百分比的组分：
锡22%，镓1.0%，锌2%，锗0.3%，钕0.03%，钌0.1%，硼0.02%，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1所述的铜镜材料，其特征在于， 包括如下重量百分比的组分：
锡22%，镓0.2%，锌1%，锗3%，钕0.03%，钌0.1%，硼0.02%，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
5.根据权利要求1所述的铜镜材料，其特征在于， 包括如下重量百分比的组分：
锡22%，镓0.25%，锌4%，锗1.2%，钕0.2%，钌0.5%，硼0.15%，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
6.根据权利要求1所述的铜镜材料，其特征在于， 包括如下重量百分比的组分：
锡24%，镓0.3%，锌3%，锗0.5%，钕0.05%，钌0.2%，硼0.05%，其余为铜以及不可避免的杂质元素。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的铜镜材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
S1：中间合金的预熔
配制如下设计的中间合金的成分，分别为：
Cu60Sn40合金、Cu80Zn20合金、Cu90Ru10合金、Cu80Ga20合金、Cu95B5合金、Cu90Nd10合金、Cu80Ge20合金；
分别采用无氧铜以及纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，成分均匀后，制成金属珠；
S2：铸造合金的熔炼
称取如下重量份的组分：
铜锡合金56~64份，铜锌合金5~21份，铜钌合金1~5份，铜镓合金1~5份，铜硼合金0.4~3份，铜钕合金0.3~2份，铜锗合金1.5~15份，其余为无氧纯铜；
将按比例配制的无氧纯铜、铜锡合金、铜钌合金、铜镓合金、铜锗合金、铜硼合金放置在真空粒化机熔炼室的石墨坩埚内，抽真空到10~20Pa，然后充入工业纯氩，升温到980~1050℃，待炉料全部熔清，通过机械搅拌装置对金属液进行搅拌，使其温度成分均匀；
然后将铜锌合金、铜钕合金放置在二次加料斗内，启动二次加料装置，将铜锌合金和铜钕合金加入，待炉料熔清后，将温度降低到870~920℃，启动机械搅拌装置，使金属液成分和温度均匀，将金属液注入清水池中，制成金属珠，即得。
8.根据权利要求7所述的铜镜材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，中间合金的制备步骤包括如下具体步骤：
分别采用纯度为99.95%以上的无氧铜以及纯度为99.5%以上的纯合金元素，在真空感应粒化机中进行熔炼，先抽真空到5~20Pa，然后充入氩气到1.0~1.02atm，当金属料全部熔化后，利用机械搅拌的作用促使金属液成分和温度均匀，并将金属液浇注到冷水池中；在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散，射流速度为140~200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5~10°，制成粒度为2~8mm的金属珠。
9.根据权利要求7所述的铜镜材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，在金属液流进入清水前，采用高速射流水对准金属液流将其打散并增加冷却效果，射流速度为140~200m/s，三股射流呈120°均布，且射流与水平面的夹角为5~10°。
10.根据权利要求9所述的铜镜材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，金属珠的粒度为2~7mm。
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| CN202211464945.XA CN115786764B (zh) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | 一种铜镜材料及其制备方法 |
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