CN104831113B - 一种铜镁硅合金及其制备方法和结晶器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜镁硅合金及其制备方法和结晶器，属于铜基合金技术领域。该铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.01％～0.09％，硅0.2％～1.5％，稀土元素0.09％～0.5％，余量为铜。该合金中各组分协同作用，使制备的铜镁硅合金的导热性能与传统的银铜合金相当，且软化温度、再结晶温度、屈服强度和抗拉强度明显高于银铜合金，作为结晶器铜材使用寿命较银铜合金提高了30％以上，同时本发明铜镁硅合金的导电率达到95％以上，最高达到98％，可用作导线铜材等其他领域。本发明制备方法，采用首先熔融各组分制成浇铸液，再浇铸成型的工艺方法，操作简便，易于控制，成本低，适于工业化推广应用。
Description
技术领域
本发明属于铜基合金技术领域，具体涉及一种铜镁硅合金及其制备方法和结晶器。
背景技术
连续铸造是目前铜坯、钢坯、铝坯生产中最常用的方法，结晶器是连铸生产中的核心部件，通常由铜合金内衬，外加冷却水套组成，其用途是将浇铸的金属液成形，并把金属液体的热量传递出去，使金属液体冷却，凝固，在液体外部生成足够厚度的凝壳，以保证铸锭在牵引机作用下，拉出结晶器时，不会发生金属液泄漏现象。铜合金的技术性能参数直接影响到连铸坯的表面质量、连铸机拉速、连铸机作业率等指标。
理想的用于结晶器的铜合金材料需要具有以下性能：(1)导热系数高：结晶器铜合金内衬是将金属熔体的热量传导到冷却水中，从而实现熔体的凝固成型，因此需要铜合金具有优良的导热性能；(2)在高温下具有足够的抗拉强度和屈服强度：浇铸过程中，结晶器铜合金内衬直接与金属液接触，外表面通过10～40℃的冷却水，因此铜合金内外存在很大的温度梯度和热应力，容易引起其变形，因此需要铜合金具有好的机械强度，具有足够的抗拉强度和屈服强度；(3)耐磨性能好：铸锭在牵引机作用下，移向二次冷却带时，会与结晶器铜管发生摩擦，在镀层局部磨损的情况下会造成内衬严重划伤，因此需要铜合金具有很好的耐磨性能；(4)塑性好，易于加工：若铜合金的软化温度过低，不具有很好的塑性，会造成结晶器管材的软化变形、失效，因此需要铜合金具有较高的软化温度，较好的塑性。
现有结晶器用铜合金为磷-铜、银-铜、铍青铜、铜-铬-锆系列合金，如赵建学等在《板坯结晶器铜板改进》的研究中公开了将结晶器铜板材质由含银铜板改进成铬锆铜板以提高钢板强度，解决铜板变形问题，但是磷-铜合金、银-铜合金屈服强度和拉伸强度低，软化温度和再结晶温度低，作为结晶器铜板材料使用时易发生软化变形而失效，寿命短；铜-铬-锆合金屈服强度和拉升强度虽然优于磷-铜合金和银-铜合金，但是其导热系数低，作为结晶器铜板材料热量传导效率低，熔体凝固成型效率低，最终导致生产速率下降，综合使用性能低。因此，研制出一种既具有好的导热性又具有强的机械性能的铜合金，对结晶器性能的提高和使用寿命的增长具有重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种导热系数、屈服强度和抗拉强度高的铜镁硅合金。
本发明的目的之二在于提供一种铜镁硅合金的制备方法。
同时，本发明还在于提供一种连铸生产用结晶器。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.01％～0.09％，硅0.2％～1.5％，稀土元素0.09％～0.5％，余量为铜。
为了进一步提高铜镁硅合金的性能，优选的稀土元素为铈、镧。
为了进一步提高铜镁硅合金的性能，减少合金中的杂质，优选的铜为电解铜。
可以采用常规方法熔融各组分成浇铸液，再浇铸成型的方式制备上述铜镁硅合金，为了进一步详细的说明本发明铜镁硅合金的制备过程，本发明提供了如下铜镁硅合金的制备方法，包括将镁、硅和稀土元素加入熔融铜液中在1250-1300℃温度下熔炼成浇铸液，在1050-1100℃的浇铸温度下浇铸7-10分钟，浇铸成型，即得。
为了保证熔炼效率，所述熔炼的时间为20-40分钟。
所述熔融铜液由铜在1250-1280℃温度下精炼熔融制得。
为了保证精炼效率，所述精炼时间为2-4小时。
一种连铸生产用结晶器，结晶器内衬材料为上述铜镁硅合金。
本发明铜镁硅合金，为镁、硅和稀土元素为次要组分的铜基合金，少量的镁提高铜合金强度、提高合金高温抗氧化能力，硅提高合金强度和耐磨性能，而稀土元素使合金晶粒细化、净化，强化上述镁和硅的作用，各组分在限定的用量范围内协同作用，使制备的铜镁硅合金的导热性能与传统的银铜合金相当，且软化温度、再结晶温度、屈服强度和抗拉强度明显高于银铜合金，提高了合金的抗蠕变、抗裂能力。另外，本发明的铜镁硅合金作为结晶器铜材，高的屈服强度和抗拉强度，避免结晶器内外温度梯度和热应力引起的铜材变形；高的软化温度和再结晶温度，避免结晶器铜材在高温下软化变形失效；采用本发明铜镁硅合金制备的结晶器的寿命较银铜合金提高了30％以上，而且本发明铜镁硅合金的导热系数大，在用于结晶器板材时，具有高的热量传导效率，提高熔体凝固成型的速率，进而提高拉坯成型效率，提高结晶器的综合使用性能。同时本发明铜镁硅合金的导电率达到95％以上，最高达到98％，可用作导线铜材等其他领域，尤其可适用于制备轨道交通领域导线。
本发明铜镁硅合金的制备方法，采用首先熔融各组分制成浇铸液，再浇铸成型的工艺方法制备铜镁硅合金，操作简便，易于控制，成本低，适于工业化推广应用。
本发明连铸生产用结晶器，其内衬由本发明铜镁硅合金制作而成，热量传导效率高，拉坯生产效率高，使用寿命长。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
下述实施例中采用5吨的真空感应冶炼炉进行熔炼。
实施例1
本实施例铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.01％、硅0.2％、铈0.09％，电解铜99.7％。
本实施例铜镁硅合金的制备方法，具体操作步骤为：
(1)在坩埚内加入电解铜3489.5kg，合金流槽内加入镁0.35kg、硅7kg、铈3.15kg；
(2)设定熔炼温度为1300℃，精炼融化电解铜2小时，制得铜液；
(3)将镁、硅和铈通过合金流槽加入步骤(2)制备的铜液中，温度为1300℃熔炼20分钟，制得合金浇铸液；
(4)将步骤(3)制备的合金浇铸液以1050℃的浇铸温度，浇铸10分钟，冷却3小时后取出浇铸成型的铜镁硅合金铸锭，即完成。
本实施例铜镁硅合金采用常规的方法可制备成结晶器内衬。
实施例2
本实施例铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.09％、硅1.5％、铈0.5％，电解铜97.91％。
本实施例铜镁硅合金的制备方法，具体操作步骤为：
(1)在坩埚内加入电解铜3426.85kg，合金流槽内加入镁3.15kg、硅52.5kg、铈17.5kg；
(2)设定熔炼温度为1250℃，精炼融化电解铜4小时，制得铜液；
(3)将镁、硅和铈通过合金流槽加入步骤(2)制备的铜液中，熔炼40分钟，制得合金浇铸液；
(4)将步骤(3)制备的合金浇铸液以1100℃的浇铸温度，浇铸7分钟，冷却1小时后取出浇铸成型的铜镁硅合金铸锭，即完成。
本实施例铜镁硅合金采用常规的方法可制备成结晶器内衬。
实施例3
本实施例铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.05％、硅1.0％、铈0.2％，电解铜98.75％。
本实施例铜镁硅合金的制备方法，具体操作步骤为：
(1)在坩埚内加入电解铜3456.25kg，合金流槽内加入镁1.75kg、硅35kg、铈7kg；
(2)设定熔炼温度为1270℃，精炼融化电解铜3小时，制得铜液；
(3)将镁、硅和铈通过合金流槽加入步骤(2)制备的铜液中，温度为1250℃熔炼30分钟，制得合金浇铸液；
(4)将步骤(3)制备的合金浇铸液以1060℃的浇铸温度，浇铸8分钟，冷却2小时后取出浇铸成型的铜镁硅合金铸锭，即完成。
本实施例铜镁硅合金采用常规的方法可制备成结晶器内衬。
实施例4
本实施例铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.03％、硅0.5％、铈0.15％，电解铜99.32％。
本实施例铜镁硅合金的制备方法，具体操作步骤为：
(1)在坩埚内加入电解铜3476.2kg，合金流槽内加入镁1.05kg、硅17.5kg、铈5.25kg；
(2)设定熔炼温度为1280℃，精炼融化电解铜2小时，制得铜液；
(3)将镁、硅和铈通过合金流槽加入步骤(2)制备的铜液中，温度为1260℃熔炼25分钟，制得合金浇铸液；
(4)将步骤(3)制备的合金浇铸液以1070℃的浇铸温度，浇铸9分钟，冷却3小时后取出浇铸成型的铜镁硅合金铸锭，即完成。
本实施例铜镁硅合金采用常规的方法可制备成结晶器内衬。
实施例5
本实施例铜镁硅合金，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.07％、硅1.2％、铈0.35％，电解铜98.38％。
本实施例铜镁硅合金的制备方法，具体操作步骤为：
(1)在坩埚内加入电解铜3443.3kg，合金流槽内加入镁2.45kg、硅42kg、镧12.25kg；
(2)设定熔炼温度为1290℃，精炼融化电解铜2小时，制得铜液；
(3)将镁、硅和铈通过合金流槽加入步骤(2)制备的铜液中，温度为1270℃熔炼30分钟，制得合金浇铸液；
(4)将步骤(3)制备的合金浇铸液以1080℃的浇铸温度，浇铸10分钟，冷却3小时后取出浇铸成型的铜镁硅合金铸锭，即完成。
本实施例铜镁硅合金采用常规的方法可制备成结晶器内衬。
试验例
试验方法：对实施例1～3制备的铜镁硅合金铸锭热轧后取样，按照国家标准GB/T228中提供的检测方法检测实施例1～3制备的铜镁硅合金和洛阳奥瑞特铜业有限公司生产的用于制作结晶器铜板的银铜合金(银铜合金中：Ag 0.08-0.12％，P 0.004-0.015％)的性能，结果如下表1所示。
表1实施例1～3制备的铜镁硅合金及银铜合金的各项性能比较
由上述表1的性能检测数据可知，本发明铜镁硅合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度等机械性能，再结晶温度、软化温度等塑性加工性能均优于现有的银铜合金，并且具有与银铜合金相当的导热性能。
本发明的铜镁硅合金作为结晶器铜材，使用寿命较银铜合金提高了30％以上，同时本发明铜镁硅合金的导电率达到95％以上，最高达到98％，可用作导线铜材等其他领域，尤其可适用于制备轨道交通领域导线。
Claims (7)
1.一种铜镁硅合金，其特征在于，由以下质量百分含量的组分组成：镁0.01％～0.09％，硅0.2％～1.5％，稀土元素0.09％～0.5％，余量为铜。
2.如权利要求1所述的铜镁硅合金，其特征在于，所述稀土元素为铈、镧。
3.一种如权利要求1所述的铜镁硅合金的制备方法，其特征在于，包括将镁、硅和稀土元素加入熔融铜液中在1220-1300℃温度下熔炼成浇铸液，在1050-1100℃的浇铸温度下浇铸7-10分钟，浇铸成型，即得。
4.如权利要求3所述的铜镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼的时间为20-40分钟。
5.如权利要求3所述的铜镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述熔融铜液由铜在1250-1300℃温度下精炼熔融制得。
6.如权利要求5所述的铜镁硅合金的制备方法，其特征在于，所述精炼时间为2-4小时。
7.一种连铸生产用结晶器，其特征在于，结晶器内衬材料为如权利要求1所述的铜镁硅合金。
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