CN104694780B - Cu‑Ni‑Si合金材料以及含有该合金的冷却辊辊套 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Cu‑Ni‑Si合金材料以及含有该合金的冷却辊辊套。本发明所述Cu‑Ni‑Si合金按重量百分比由以下组分构成：Ni:3～7％；Si:0.8～2.2％；余量为Cu和不可避免的杂质。本发明将上述成分的Cu‑Ni‑Si合金应用于非晶/纳米晶带材生产用的冷却辊辊套，并提供了一种新型冷却辊复合结构辊套，该复合辊套由内外两层构成，外层采用Cu‑Ni‑Si合金，内层采用价格较低的黄铜。Cu‑Ni‑Si合金铜套不含昂贵金属Be，成本低于铍铜，且安全环保，能有效提升非晶带材叠片系数和成品率，延长铜辊的使用寿命。本发明公开的复合结构辊套结构简单，进一步降低了材料成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度铜合金材料及应用领域，特别涉及一种Cu-Ni-Si合金材料以及含有该合金的冷却辊辊套，该冷却辊辊套用于非晶、纳米晶带材的制备。
背景技术
非晶/纳米晶带材采用平面流铸带技术制备，具体过程为：熔融的高温合金熔液通过一个有狭缝的喷嘴浇铸在高速旋转的冷却辊圆周表面，需要100万度/秒的冷却速度，在极短时间内将热量带走使合金溶液快速凝固成带材，保证合金的原子结构呈非晶态，带材被剥离、抓取和卷取，最后获得非晶/纳米晶带卷。为满足制备工艺中快速冷却的要求，通常采用热导率较高的铜合金制作冷却辊辊套。
目前应用于非晶、纳米晶带材生产中的冷却辊铜套材料主要有铬锆铜和铍铜。制带过程中铜辊通过旋转来实现加热、冷却的相互转换，铜辊会产生周期性的热应力，而反复的热应力是形成热力裂缝的原因，如果热应力超过材料的屈服极限，就会导致金属部件的损坏。由于铬锆铜屈服强度较低、抵抗裂纹能力较差，反复热冲击条件下在铜辊表面易发生裂化产生麻点或皱纹。喷带时麻点或皱纹发生复刻，会使带材表面凹凸不平而影响带材密度和表面粗糙度，进而影响带材的磁性能，降低成品率。另外，铜辊的裂化最终会导致铜辊表面受破坏而失效，从而缩短其使用寿命。由于铬锆铜热承受能力较低，通常只能应用于制备非晶窄带材、纳米晶带材和小批量宽带材的冷却辊辊套。铍铜的强度高于铬锆铜，在周期性热应力条件下抗裂纹能力强，热承受能力较高，不仅适用于非晶窄带、纳米晶带材和小批量宽带材的制备，还可用于制备大批量非晶宽带材的冷却辊铜套。虽然铍铜具有高的强度、硬度，优良的导热性和耐磨性等优异特性，但该合金也有其固有的缺点，如因含有贵重金属铍使得合金生产成本高。最主要的是铍的氧化物或粉尘有毒，对人体有危害，严重者甚至会引发癌症。铍铜含有毒元素铍，不利于材料的回收，造成了资源的浪费。因此，亟需开发一种高强度且不含Be元素的铜合金辊套。
此外，在非晶/纳米晶制带过程中，母合金熔液会对辊套产生侵蚀氧化，每使用一段时间后都需要重新车削修磨，以提高辊套表面光洁度及表面硬度。当辊套厚度减薄至总厚度的70％-80％时，铜套便不能继续使用，而冷却辊辊套通常采用单层结构，剩余的铜合金厚度占总厚度的70-80％，却难以得到充分利用，从而增加了生产成本。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种Cu-Ni-Si合金材料，该合金材料具有较高强度，适合作为冷却辊辊套的材料。本发明的合金可以克服现有技术中铬锆铜强度较低、铍铜含有毒元素Be等不足。
本发明的另一目的在于提供一种含有上述合金的冷却辊辊套，该冷却辊辊套用于非晶、纳米晶带材的制备，可以有效降低成本。
本发明的第三个目的在于提供一种双层冷却辊辊套的制造方法。
为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种Cu-Ni-Si合金材料，该材料按重量百分比由以下组分构成：Ni：3～7％；Si：0.8～2.2％；余量为Cu和不可避免的杂质。
在上述合金材料中，作为一种优选实施方式，所述Cu-Ni-Si合金材料是按照如下方法制备的，该方法包括熔炼、铸造、锻造以及热处理步骤，其中：
在所述熔炼和铸造步骤中，按上述组分配比将各组分的单质置于感应熔炼炉内进行熔炼，然后将熔炼好的Cu-Ni-Si合金液浇注得到铸坯；
在所述锻造步骤中，将所述铸坯在720-920℃温度区间进行热锻；
在所述热处理步骤中，采用固溶后进行时效处理，其中，固溶温度为820～980℃，时效温度为420～500℃。
在上述合金材料中，作为一种优选实施方式，所述Cu-Ni-Si合金材料是环状合金材料。更优选地，所述环状合金材料的厚度为5-100mm。
一种用于制备非晶/纳米晶带材的冷却辊辊套，所述冷却辊辊套为单层结构，材质为上述Cu-Ni-Si合金材料。
在上述单层结构的冷却辊辊套中，作为一种优选实施方式，所述冷却辊辊套的外径为400～2500mm，厚度为30～100mm，宽度为200～600mm。
一种用于制备非晶/纳米晶带材的冷却辊辊套，所述辊套还可以为双层结构，内层辊套的外表面贴附于外层辊套的内表面，其中，内层辊套的材质为黄铜，外层辊套的材质为上述Cu-Ni-Si合金材料。
在上述双层结构的冷却辊辊套中，作为一种优选实施方式，所述外层辊套的厚度为10～60mm，所述内层辊套的厚度为10～60mm；所述双层结构的辊套的外径为400～2500mm，宽度为200～600mm。
一种双层结构的冷却辊辊套的制造方法，该制造方法包括如下步骤：
外层辊套的制造步骤，采用上述Cu-Ni-Si合金材料制造外层辊套；
内层辊套的制造步骤，采用黄铜制造内层辊套，且内层辊套的外径大于外层辊套的内径；
内外层辊套组装步骤，使所述外层辊套受热膨胀至所述外层辊套内径大于所述内层辊套的外径，然后将内层辊套置于外层辊套中，自然冷却后得到双层结构辊套。
在上述制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述内层辊套的制造步骤中，所述内层辊套的外径与外层辊套的内径之差为1-4mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
(1)本发明所述的Cu-Ni-Si辊套，与Cu-Be合金具有类似的物理和机械性能，兼具较好的导热性能和高强度，热承受能力较高，除了可用于非晶窄带、纳米晶带材和小批量宽带材的制备，还可应用于大批量非晶宽带材的制备，在大批量非晶宽带材制备中，仍然能保证带材质量。
(2)高强度的Cu-Ni-Si冷却辊铜套在连续喷带时表面不易形成麻点或皱纹，从而降低了非晶带材表面粗糙度，提高了带材密度。进而有效提升非晶带材叠片系数和成品率，并延长了辊套的使用寿命。Cu-Ni-Si合金不含昂贵金属Be，成本低于铍铜合金，且安全环保，对操作人员身体无危害，同时提高了冷却辊辊套的回收利用率。
(3)本发明所述的双层结构辊套，包括由上述Cu-Ni-Si合金制备而成的外层辊套和由黄铜制备而成的内层辊套。Cu-Ni-Si合金具有强度高、耐高温侵蚀等优点，将其作为外层辊套，有利于提高非晶/纳米晶带材性能及延长复合辊套使用寿命；所述内层辊套采用黄铜制备而成，黄铜价格较低，有效降低了辊套的成本。
附图说明
图1是本发明双层结构辊套的平面视图，图中，1、外层辊套，2、内层辊套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明提供的Cu-Ni-Si合金材料，按重量百分比由以下组分构成：Ni：3～7％；Si：0.8～2.2％；余量为Cu和不可避免的杂质。该合金材料的性能如下：屈服强度≥690MPa；抗拉强度≥810MPa；硬度≥HRC 26；热传导率≥120W/m·K。
该Cu-Ni-Si合金材料的制备方法包括熔炼、铸造、锻造以及热处理步骤，其中：
在所述熔炼和铸造步骤中，按规定的组分配比将各组分的单质置于感应熔炼炉内进行熔炼，然后将熔炼好的Cu-Ni-Si合金液浇注得到铸坯；
在所述锻造步骤中，将所述铸坯在720-920℃(比如730℃、750℃、800℃、850℃、870℃、900℃、910℃)温度区间进行热锻，在该段锻造温度下可使Ni2Si晶粒均一、细化，提高材料强度；
在所述热处理步骤中，采用固溶后进行时效处理，其中，固溶温度为820～980℃(比如830℃、860℃、880℃、910℃、950℃、970℃)，时效温度为420～500℃(比如430℃、450℃、480℃、490℃)，该热处理方式可以析出起到强化作用的Ni2Si析出物，从而提高合金材料的强度。
经过上述方法得到的Cu-Ni-Si合金材料为具有一定厚度的环状合金材料，优选环状合金材料的厚度为5-100mm。
下面通过三个实施例来说明本发明合金材料的制备方法以及制得的合金材料的性能。
实施例1
本实施例制备的Cu-Ni-Si合金按重量百分比由以下组分构成：Ni：5.3％；Si：1.2％；余量为Cu和不可避免的杂质。
本实施例Cu-Ni-Si合金材料的制备方法如下：
(1)熔炼和铸造按上述组分重量配比将镍粉、硅粉以及铜块放入感应熔炼炉内进行熔炼，之后将熔炼好的Cu-Ni-Si合金液浇注得到铸坯；
(2)锻造将铸坯进行热锻，热锻后冷却至室温，其中始锻温度为900℃，终锻温度为800℃；在锻造过程中还需完成冲孔和扩孔；
(3)热处理采用固溶+时效的热处理工艺，将热锻后的锻件加热至900℃进行固溶处理，保温2h后进行水淬处理，之后再将水淬处理后的锻件加热至450℃进行时效处理，时效处理时的保温时间为2h，然后空冷至室温，得到的环状合金材料，其厚度为35mm。
该实施例制备的合金材料的性能参见表1。
实施例2
本实施例制备的Cu-Ni-Si合金按重量百分比由以下组分构成：Ni：6.6％；Si：1.6％；余量为Cu和不可避免的杂质。
本实施例Cu-Ni-Si合金材料的制备方法同实施例1，得到的环状合金材料的厚度同实施例1。该实施例制备的合金材料的性能参见表1。
实施例3
本实施例制备的Cu-Ni-Si合金按重量百分比由以下组分构成：Ni：3.5％；Si：0.85％；余量为Cu和不可避免的杂质。
本实施例Cu-Ni-Si合金材料的制备方法同实施例1，得到的环状合金材料的厚度同实施例1。
该实施例制备的合金材料的性能参见表1。
为了更好地说明本发明的合金材料性能，表1中还列出了两种市售的辊套材料铍铜合金(对比例1)和铬锆铜合金(对比例2)的性能。
表1实施例1-3制备的Cu-Ni-Si合金性能
由表1可以看出，本发明的Cu-Ni-Si合金具有很高的强度，同时具有较高的热导率，非常适合用于非晶/纳米晶带材的冷却辊辊套材料。该合金热导率优于Cu-Be合金，抗拉强度和屈服强度显著高于Cr-Zr-Cu合金，略低于Cu-Be合金，Cu-Ni-Si合金与Cu-Be合金性能相近，均属于沉淀析出强化型合金，是替代Cu-Be合金的优选材料。
本发明还提供一种用于制备非晶/纳米晶带材的冷却辊辊套，该冷却辊辊套为可以为单层结构，也可以为双层结构。
当冷却辊辊套为单层结构时，该冷却辊辊套的材质为本发明提供的Cu-Ni-Si合金材料。为了更好地保证辊套在制备非晶/纳米晶带材时的效果，优选地，冷却辊辊套的外径为400～2500mm，厚度为30～100mm，宽度(即辊身轴向长度)为200～600mm。
当冷却辊辊套为双层结构时，内层辊套的外表面贴附于外层辊套的内表面，内层辊套的材质为黄铜，外层辊套的材质为本发明提供的Cu-Ni-Si合金材料。为了更好地保证辊套在制备非晶/纳米晶带材时的效果，优选地，所述外层辊套的厚度为10～60mm，所述内层辊套的厚度为10～60mm，所述整个辊套的外径为400～2500mm，宽度(即辊身轴向长度)为200～600mm。
本发明所述双层结构辊套的制备方法包括以下步骤：
(1)采用Cu-Ni-Si合金制备外层辊套；
(2)采用黄铜制备内层辊套，内层辊套的外径略大于外层辊套内径；
(3)将外层辊套受热膨胀，以使所述外层辊套内径大于所述内层辊套的外径，将内铜套置于外铜套中，自然冷却，制成内层辊套的外表面贴附于外层辊套的内表面的复合结构铜套。
实施例4
本实施例制备的复合辊套(双层辊套)结构如图1所示，内层辊套2的外表面贴附于外层辊套1的内表面，该双层复合辊套的规格为：外辊套的厚度为35mm，内辊套的厚度为25mm，宽度为300mm，整个辊套外径为1800mm。具体制备方法如下：
(1)采用实施例1制备的Cu-Ni-Si环状合金材料生产冷却辊的外层辊套1，得到的外层辊套规格如表2。
(2)采用黄铜制备冷却辊的内层辊套2，内层辊套的规格如表2。内层辊套2的外径略大于外层辊套1的内径，且内层辊套2的外径与外层辊套1的内径差不大于4mm，不小于1mm，在本实施例中二者之差为2mm。将外层辊套1加热使其内径因受热膨胀变大至大于内层辊套2的外径，然后将内层辊套2置于内径因受热膨胀而变大的外层辊套1中，自然冷却，即得复合结构的冷却辊铜套。
表2实施例4中内外辊套参数
| 名称 | 材质 | 厚度 | 外径 | 内径 | 宽度 |
| 外层辊套 | 实施例1中的Cu-Ni-Si合金 | 35mm | 1800mm | 1730mm | 300mm |
| 内层辊套 | 黄铜合金 | 25mm | 1732mm | 1682mm | 300mm |
以上所述的具体实施方式，对本发明的技术方案进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于制备非晶/纳米晶带材的冷却辊辊套，其特征在于，所述冷却辊辊套为单层结构，材质为Cu-Ni-Si合金材料，所述Cu-Ni-Si合金材料按重量百分比由以下组分构成：Ni：3～7％，Si：1.2～2.2％，余量为Cu和不可避免的杂质；或者，所述Cu-Ni-Si合金材料按重量百分比由以下组分构成：Ni：5.3～7％，Si：0.8～2.2％，余量为Cu和不可避免的杂质；
所述Cu-Ni-Si合金材料是按照如下方法制备的，该方法包括熔炼、铸造、锻造以及热处理步骤，其中：
在所述熔炼和铸造步骤中，按所述的组分配比将各组分的单质置于感应熔炼炉内进行熔炼，然后将熔炼好的Cu-Ni-Si合金液浇注得到铸坯；
在所述锻造步骤中，将所述铸坯在720-870℃温度区间进行热锻；
在所述热处理步骤中，采用固溶后进行时效处理，其中，固溶温度为820～950℃，时效温度为420～500℃。
2.根据权利要求1所述的冷却辊辊套，其特征在于，所述冷却辊辊套的外径为400～2500mm，厚度为30～100mm，宽度为200～600mm。
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