形变-电脉冲提高铜锰镍合金电阻温度稳定性的方法

本发明属于精密电阻合金材料制备，具体涉及形变-电脉冲提高铜锰镍合金电阻温度稳定性的方法。

背景技术：

1、精密电阻合金是制造高精度电桥平衡电阻箱、动态信号采集卡增益电阻及精密衰减器网络的关键材料，其核心性能指标包括电阻率（ρ）、电阻温度系数（tcr）以及对铜热电势。cu-mn-ni三元合金因能实现中高电阻率与极低tcr的均衡匹配，被广泛应用于工业过程控制变送器、伏逆变器功率模块的电流取样，以及轨道交通牵引系统的电流监测等严苛场景。随着控制系统向智能化、高可靠性方向发展，行业对电阻元件提出了更高要求：在现场宽温变化工况内维持阻值的长期稳定，同时保证数万小时连续运行下的参数不偏移。这要求合金的电阻温度系数（tcr）绝对值尽可能趋近于零，且批次间具备高度一致性与长期稳定性。上述要求合金在原子尺度具备高度均匀的成分分布、在微观尺度具备均匀一致的组织结构。

2、常规cu-mn-ni合金组织及性能调控依赖铸锭后处理阶段的形变与加热炉内热处理来实现。然而，现有后处理工艺普遍采用“热轧+冷轧+炉内退火”的传统路线，在实现组织均匀化与性能稳定性的双重目标时存在固有局限，严重制约了极低tcr与优异批次一致性的实现，具体表现为：（1）热加工组织均匀性差且具有遗传放大效应。热轧属于开放变形，坯料截面上的温度场与应变场分布不均，表层温降快、应变大，心部温度高、应变相对较小，动态再结晶行为在全截面上难以同步启动和完成。易形成粗大未再结晶晶粒与细小再结晶晶粒并存的混晶结构，并作为“遗传信息”传递至后续所有工序，在冷加工和退火过程中被逐步放大，最终导致成品全截面晶界散射贡献各异，电阻温度系数绝对值升高且批次分散性增大。（2）冷加工引入的位错缺陷难以通过退火充分消除。冷轧通过大塑性变形引入高密度位错与孪晶，退火依靠单纯热激活驱动位错运动与湮灭，受限于原子扩散速率，在工业化可接受的保温时间内难以将位错密度降低至理想水平。残留的位错缠结和胞状结构在不同区域分布不均，成为tcr漂移的主要来源。（3）偏析消除与晶粒粗化的时间-温度矛盾不可调和。mn元素的枝晶间偏析是cu-mn-ni合金中最典型的微观化学不均匀性，其消除依赖于mn原子在高温下的长程扩散。若退火温度偏低，偏析残留，tcr稳定性不足；若温度偏高，晶粒粗化，虽tcr绝对值可能降低但批次一致性无法保证，且力学性能劣化，工艺窗口极为狭窄。（4）高温长时退火对纯净度的反向损害。即便选择了优化的退火制度，高温长时保温仍不可避免地引发mn元素自表面向外的二次挥发与氧化，同时可能促使残留夹杂物的长大或新夹杂物的析出，部分抵消熔炼阶段建立的纯净度优势，进一步增加了tcr控制的难度。

3、因此，创新优化cu-mn-ni合金后处理方法，以期同步实现热加工组织的均匀化、冷加工缺陷的充分消除、平衡偏析与晶粒粗化矛盾以及规避高温处理对纯净度的损害，从而在短流程条件下稳定获得具有高度均匀组织与极低电阻温度系数的cu-mn-ni合金，已成为本领域亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供形变-电脉冲提高铜锰镍合金电阻温度稳定性的方法，解决了现有后处理工艺中组织均匀性差、缺陷消除不充分、偏析与晶粒粗化矛盾不可调和以及工艺效率低的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，形变-电脉冲提高铜锰镍合金电阻温度稳定性的方法，包括以下步骤：

3、步骤1、采用旋转抽拉工艺制备具有沿抽拉方向择优取向柱状晶组织的cu-mn-ni合金铸锭；

4、步骤2、将cu-mn-ni合金铸锭进行包套封装后，进行均匀化退火和挤压预热，再进行热挤压变形，获得cu-mn-ni合金棒料；

5、步骤3、将cu-mn-ni合金棒料进行多道次冷旋锻变形，获得旋锻态cu-mn-ni合金；

6、步骤4、将旋锻态cu-mn-ni合金置于脉冲设备的两电极之间进行电脉冲处理，获得电阻温度系数稳定的cu-mn-ni合金成品。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤1具体为：

9、步骤1.1、设计并制备cu-mn中间合金和cu-稀土中间合金，采用真空熔炼与水冷铜模浇注分别获得cu-mn中间合金铸锭与cu-稀土中间合金铸锭，破碎后得到cu-mn中间合金铸锭碎块与cu-稀土中间合金铸锭碎块；其中cu-mn中间合金中mn含量为30~60wt.%，cu-稀土中间合金中稀土含量为10~30wt.%，稀土元素选自铈、镧、钇中的至少一种；

10、步骤1.2、按目标合金成分分别称取cu-mn中间合金铸锭碎块、cu-稀土中间合金铸锭碎块、ni板及无氧cu块，其中mn设计含量为12.0~13.0wt.%，ni含量为2.0~4.0wt.%，稀土含量为0.01~0.05wt.%；

11、步骤1.3、将炉料投入旋转抽拉设备的熔炼坩埚中，抽真空后加热熔化，充氩气保护，熔炼温度1200~1350℃；熔炼过程中通过专用加料装置添加cu-稀土中间合金铸锭碎块，动态补充的mn片用无氧铜箔包裹预留于加料装置中；

12、步骤1.4、在精炼后期通过在线光谱检测mn含量，实时补加mn片使mn含量精确控制在(12.0-13.0)±0.15wt.%，最终获得具有沿抽拉方向择优取向柱状晶组织的cu-mn-ni合金铸锭。

13、步骤2具体为：将步骤1所得cu-mn-ni合金铸锭表面清理加工后进行包套封装，置于马弗炉中保温，设定加热温度为800~900℃，保温时间为40~90min，进行均匀化退火以消除枝晶偏析；同时将挤压筒预热至300~500℃，挤压比控制为6~12，挤压速度控制在4~8mm/s，然后将保温后的带包套铸锭快速转移至挤压筒内进行热挤压，获得cu-mn-ni合金棒料。

14、步骤2中，包套封装过程选择20钢包套并加工真空封装端盖，对包套内部进行抽真空后焊接包套端盖，防止热挤压前铸锭加热过程氧化及元素烧损；热挤压前挤压筒内壁与包套外表面涂敷高温石墨基润滑剂，防止挤压过程卡模及包套开裂；铸锭热挤压方向与旋转抽拉方向一致，保证柱状晶组织择优取向一致性。

15、步骤3具体为：将步骤2所得cu-mn-ni合金圆棒进行矫直处理并对表面进行打磨去除氧化皮，然后将圆棒装夹于旋锻设备的主轴夹头中进行多道次旋锻变形；控制合金总变形量为20~50%，每道次变形量控制在5~10%，单道次变形量通过调节旋锻模具的径向压缩量进行控制；每道次旋锻结束后，测量圆棒直径，根据实测直径调整下一道次的模具压缩量，确保每道次变形量稳定在设定范围内，获得旋锻态cu-mn-ni合金。

16、步骤3中，旋锻过程中控制旋锻频率为30~50hz，圆棒轴向进给速度为0.5~1.5mm/s，每道次往复旋锻2~3次以保证全长度范围变形均匀；各道次之间不进行退火处理，仅待圆棒表面温度降至室温后即进入下一道次旋锻；重复上述旋锻过程，旋锻结束后，清理样品表面并根据电脉冲样品尺寸进行加工备用。

17、步骤4具体为：将步骤3所得旋锻态cu-mn-ni合金圆棒端面进行打磨清理，确保端面平整光洁，调整电极间距使圆棒两端与电极紧密贴合，施加预紧力使工件固定，确保脉冲电流能够沿圆棒轴向均匀通过；设定电脉冲工艺参数：充电电压为60~65v，脉冲频率为300~400hz，电脉冲处理时间为60~180s；处理结束后关闭脉冲电源，保持氩气气氛保护，工件样品随设备空冷至室温，获得电阻温度系数稳定的cu-mn-ni合金成品。

18、步骤4中，电脉冲处理过程中通过红外测温仪实时监测工件表面温度，同时观察控制柜及示波器参数面板，确认电压、频率及电流波形实时状态，为电脉冲参数控制提供理论依据。

19、步骤4中，获得的cu-mn-ni合金成品微观偏析程度显著降低，常温至120℃内电阻温度系数稳定在±20ppm/℃以内。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明提供的形变-电脉冲提高铜锰镍合金电阻温度稳定性的方法，针对现有后处理工艺中组织均匀性差、缺陷消除不充分、偏析与晶粒粗化矛盾不可调和以及工艺效率低等关键技术难题，以热挤压替代传统热轧、以旋锻作为均匀冷变形手段、以电脉冲处理替代传统加热炉内长时热处理，实现了组织均匀化、成分均匀化与晶粒细化的协同控制；

22、采用热挤压替代传统热轧，通过大挤压比设定及封闭模腔实现全截面均匀的热变形，坯料各部位在相近的温度和应力条件下发生同步的动态再结晶，从根本上消除了混晶组织的形成条件，避免了热加工组织不均匀及其在后续工序中的遗传放大效应。同时，挤压变形引入的三向压应力状态有效焊合铸态微观缩松、破碎残留枝晶，为后续加工提供了组织均匀的坯料；

23、采用旋锻作为多向径向压缩变形工艺，通过高频周向锻打与轴向送料的协同作用，使棒料全截面获得宏观应变分布的一致性，其均匀性显著优于传统冷轧工艺，有效避免了因轧制方向应变不均导致的储能分布差异。旋锻引入的空间分布均匀的位错组态，为后续电脉冲再结晶提供了充分且均匀的形变储能，保证了再结晶形核在全截面同步进行；

24、采用电脉冲处理替代传统冷加工后的长时间稳定化退火过程，利用脉冲电流的焦耳热效应实现快速加热，利用电迁移效应驱动原子沿电流方向发生定向加速扩散，使再结晶与偏析消除在远低于传统热处理温度的条件下、在分钟级内同步完成。再结晶驱动力来源于力场储能与电场效应的叠加，偏析驱动力来源于电迁移加速扩散，而晶粒粗化则因处理温度的降低和处理时间的缩短被有效抑制。原本耦合于同一热场的再结晶、偏析消除与晶粒尺寸控制三者实现协同调控，使组织均匀化、成分均匀化与晶粒细化得以同时实现；

25、电脉冲处理较传统热处理温度大幅降低、时间极大缩短，有效抑制了mn元素的二次挥发与表面氧化，避免了高温长时处理对纯净度的反向损害，使熔炼阶段建立的纯净度优势得以完整保留。整个后处理流程无需传统工艺中数小时至数十小时的高温热处理，总工艺周期较传统方法缩短50%以上，显著降低了能耗与生产周期，具有显著的绿色制造优势。经过上述力-热-电协同后处理工艺制备的cu-mn-ni合金，微观偏析程度显著降低，常温至120℃内电阻温度系数（tcr）稳定在±20 ppm/℃以内，满足了精密电阻元件对高精度、高稳定性、高一致性的严苛要求。