CN1031762C - 能时效硬化的铜合金的应用 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能时效硬化的铜合金，由1.0-2.6%Ni，0.1-0.45%Be、余量为Cu和制造条件下的杂质及一般处理添加元素组成，布氏硬度至少为200HB，且电导率大于38m/Ωmm2；公开了所述铜合金在制造铸辊和铸轮材料中的应用。

Description

能时效硬化的铜合金的应用
本发明涉及能时效硬化的铜合金在制造铸辊和铸轮方面的应用，所述铸辊和铸轮在近似最终尺寸铸造时经受变化着的温度负荷。
世界性的、尤其是钢铁工业的目标是，尽可能将所生产的坯件铸造到接近最终尺寸，以节省热加工及/或冷加工步骤。约从1980年起，此目标导致了一系列发展，例如单辊连注法和双辊连注法。
就这些铸造方法来说，在浇注合金钢、镍、铜，以及在熔体浇注区只能困难地进行热轧的合金时，水冷式轧辊或辊子上产生很高的表面温度。例如在对合金钢进行近似最终尺寸铸造，而且铸辊由电导率为48m/Ωmm2、热导率约为320W/mK的CuCrZr材料制成时，这种高表面温度为350—450℃。CuCrZr基材料，迄今主要用于经受高热负荷的连铸结船和铸轮。通过在每次快转到浇注区之前对铸辊进行循环冷却，可使这种材料的表面温度降到150至200℃。然而在旋转时，在铸辊被冷却的背面，温度在很大程度上恒定在大约30℃至40℃。表背两面之间的温度梯度与铸辊表面温度周期变化相结合，在铸辊材料表面区造成很大的热应力。
根据对迄今所用CuCrZr材料在不同温度下，以±0.3％伸长率和0.5Hz的频率(这些参数相当于大约30转/分的铸辊转速)进行的减性能试验，例如在最大表面温度为400℃(相当于水冷之上25mm的壁厚)时，可以期望在最有利的情况下，至产生裂纹的寿命为3000周期。因此，在约100分钟的较短使用时间后，必须修整铸辊，以除去表面裂纹。为了更换铸辊，必须停下铸机，中断铸造过程。
良好的结晶器材料CuCrZr还有一个缺点是，对这种应用情况来说，约110—130HB的硬度是较小的。在单辊或双辊连铸法中，当然不可避免的是，飞溅的钢液在浇注区之前就已抵达铸辊表面。此后凝固的钢颗粒就被压入比较软的铸辊表面，所铸的厚度约1.5—4mm带材的表面质量因此而明显下低
添加最多1％Nb的已知CuNiBe合金，尽管电导率也较小，但表面温度却比CuCrZr合金高。由于电导率与热导率成反比关系，所以用CuNiBe合金制造的铸辊，同用CuCrZr合金制造的、表面最高温度为400℃、背面最高温度为30℃的铸辊相比，其表面温度被提高到约540℃。
虽然CuNiBe或CuCoBe三元合金的布氏硬度原则上超过200HB，但用这些合金制造的标准半成品如制造电阻焊电极用的棒材或制造弹簧或引线架的板材和带材，其电导率至多达到26至约32m/Ωmm2范围内的值。在最佳条件下，用这些标准材料，铸辊的表面温度只能达到约585℃。
最后，即使对于由US4179314基本已知的CuCoBeZr或CuNiBeZr合金也没有指明，在有目的地选择合金成分时，可以达到导电率值＞38m/Ωmm2与最低硬度值为200HB的结合。
本发明的任务是，提供一种用来制造铸辊、铸辊套和铸轮的材料，这种材料即使在浇注速度大于3.5m/min时，也对变化的温度应力不敏感，或者这种材料在铸辊工作温度下具有高的疲劳强度。
特别适合这种应用场合的，有一种能时效硬化铜合金，它由1.0—2.6％Ni、0.1—0.45％Be、余量为Cu和制造条件下的杂质及一般处理添加元素组成，其布氏硬度至少为200HB，电导率大于38m/Ωmm2。
机械性能的另一个改进，尤其是提高抗拉强度可有利地通过添加0.005—0.25％Zr来达到。
本发明铜合金，在镍含量大于1.2％时，合金组成中镍与铍的比例优先选择至少为5∶1。
也能实现机械性能的其它改进，只要向本发明所采用的合金中添加至少一种选自Nb、Ta、V、Ti、Cr、Ce、及Hf的元素，其总添加量最多为0.15％。
在研究例如符合ASTM及DIN标准的合金时，意外地发现：镍含量在1.1—2.6％时，当镍含量与铍含量之比在某个确定范围之内，并进行相应的热处理或形变热处理，就有可能使对于近似最终尺寸铸造的铸辊达到所需的性能，也即布氏硬度＞200HB，电导率至少38m/Ωmm2，并因而也获得高抗疲劳性能。
下面借助一些实施例来详细阐述本发明。四种本发明所用合金(合金F至K)和四种对比合金(合金A至D)表明，为要获得所力求的综合性能，成分是多么至关重要。作为例子所列举的合金成分各以％(重量)列于表1。相应的试验结果概括于表2。
表1
合金    Ni       Be      Cu
 A      1.43     0.54    余量
 B      1.48     0.40    余量
 C      1.83     0.42    余量
 D    2.12    0.53    余量
 F    1.48    0.29    余量
 G    1.86    0.33    余量
 H    1.95    0.30    余量
 K    2.26    0.35    余量
表2
合金    Ni/Be     HB       电导率
               (2.5/187.5) m/Ωmm2
 A      2.6       193       30.9
 B      3.7       224       36.1
 C      4.4       235       37.0
 D      4.0       229       33.9
 F      5.1       249       39.4
 G      5.6       247       38.5
 H      6.5       249       39.8
 K      6.5       249       39.8
表2列出不同镍、铍含量(相应于不同Ni/Be比例)合金的硬度值和导电率值。全部合金都在真空炉中熔炼、热变形，并在925℃下经至少1小时固溶退火并随后在水中骤冷4至32小时后，在350—550℃温度范围内的某个温度下时效硬化。
正如在本发明可用的合金F、G、H和K的情况下可以看到的那样，当镍与铍的重量比至少为5∶1时，可以获得所力求的综合性能。
当铸辊或铸辊套在固溶退火之后补充进行约25％的冷变形时，还可进一步改善导电率。
如此举例来说，当一种合金含有1.48％Ni且Ni/Be之比至少为5.1时，经480℃下32小时时效硬化处理后，获得43m/Ωmm2的电导率和225HB的布氏硬度。随着镍含量的提高，有可能通过提高Ni/Be之比使这些性能进一步最佳化。一种含2.26％Ni和Ni/Be比为6.5的铜合金，在经480℃、32小时时效硬化处理后，具有230HB的布氏硬度和40.5m/Ωmm2的电导率。为了获得所力求的性能，例如对于2.3％的镍含量来说，Ni/Be之比的上限可为7.5。
本发明可用的另外7种合金的成分及技术性能列于表3和表4。所有这些合金均经925℃固溶退火，然后进行25％冷变形，接着进行480℃、16小时时效硬化处理。
表3
合金    Ni    Be      Zr      Cu
        ％    ％      ％
L       1.49  0.24            余量
M       2.26  0.35            余量
N       2.07  0.32    0.18    余量
0       1.51  0.28    0.19    余量
P       1.51  0.21    0.17    余量
R       1.40  0.21    0.21    余量
S       1.78  0.28    0.21    余量
                        表4合金    Ni/Be    屈服点    Rm       延伸率    硬度       电导率
                                           HB
             N/mm2    N/mm2   ％       2.5/1.87.5   m/Ωmm2L       6.2      681       726      19         244        40.2M       6.5      711       756      18         255        40.1N       6.5      682       792      18         220        38.6O       5.4                                    234        39.0P       7.2                                    211        40.9R       6.5      626       680      15         217        41.1S       6.3      662       712      13         223        40.8
由这些试验结果可进一步断定，在添加Zr的CuNiBe合金中，在遵循Ni/Be之比为5至7.5时，也能获得高电导率值和布氏硬度值的结合。随着Zr添加量达到0.25％，电导率较之不含Zr的CuNiBe合金出乎意料地只有很小的降低而且能保证最小值为38m/Ωmm2。另一方面，锆的添加提供了加工上的优点，并改进了热塑性。
为了对疲劳性能进行补充试验，选择了实例合金N，因为它具有较小的导电率。就合金N而言，可使铸辊的最高表面温度达到约490℃。照此，在浇注钢时铸辊所受的迄今已知负荷条件下，本发明可用的合金N比CuCrZr合金寿命提高2—3倍。鉴于布氏硬度高，也不存在铸辊表面压入熔融飞溅物而受损坏的危险。
在用已知Southwire铸辊装置和properzi铸辊装置连铸线材坯时类似至关重要的热交变应力也发生在铸轮上。对于这些工艺方法，从现在开始，本发明可用的CuNiBe(Zr)合金可作为特别适宜的材料供制造铸轮之用。这些工艺方法，由于所用的材料不符合铸轮要求而迄今不能实现钢的浇注。
终于在最近三年中已发展了用来对钢进行接近最终尺寸铸造的其它方法，其中铜结晶器由于3.5m/min至约7/min的极高浇注速度而达到高至500℃的极高表面温度。为使结晶器与钢铸坯之间的摩擦尽可能小，另外还要求，在结晶器上调节400行程/分钟和更高的高振动频率。因此，周期振动的熔池液面同样也使弯月形区域中的结晶器受到很大的疲劳负荷，结果使这种结晶器的寿命不令人满意。使用本发明的具有抗疲劳性能的CuNiBe(Zr)合金时，对于这方面的应用来说，也能达到大大提高的寿命。

Claims (5)

1.由1.0—2.6％Ni、0.1—0.45％Be、余量为Cu和制造条件下的杂质及一般处理添加元素组成的、布氏硬度至少为200HB、且电导率大于38m/Ωmm2的能时效硬化的铜合金作为制造铸辊和铸轮材料的应用，该铸辊和铸轮在近似最终尺寸铸造时经受改变着的温度负荷。
2.权利要求1所述的能时效硬化的铜合金的应用，该合金此外还含有0.05—0.25％的Zr。
3.权利要求1及2所述的能时效硬化的铜合金的应用，该合金含有1.4—2.2％Ni、0.2—0.35％Be、0.15—0.2％Zr、余量为Cu和制造条件下的杂质及一般处理添加元素。
4.权利要求1或3中任一项所述的能时效硬化的铜合金的应用，其中，镍与铍之比(Ni/Be)在镍含量高于1.2％时，至少为5∶1。
5.权利要求4所述的能时效硬化的铜合金的应用，其中，镍与铍之比在5.5至7.5的范围内。
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