CN107739877B - 一种铜合金辊套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铜合金辊套及其制备方法，属于零件成形加工领域。本发明的铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：1)将铜合金液浇注、成型，得铸造管坯；2)将步骤1)所得的铸造管坯于900～950℃保温2～4h，然后通过锻造方式进行扩径处理，得锻造管坯；3)将步骤2)所得的锻造管坯在惰性气体保护下进行退火处理，即得。本发明铜合金辊套的制备方法，采用离心铸造制得管坯，金属补缩效果好，铸件外层组织致密，非金属夹杂物少，然后进一步通过锻造和热处理工艺进行扩径和组织性能改善，同时减少了单单采用离心铸造管坯的机械切削加工量，提高材料利用率。

Description

一种铜合金辊套及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金辊套及其制备方法，属于零件成形加工领域。
背景技术
双辊连续铸轧技术是将金属熔体直接送入两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体在辊缝间极短时间内(2-3s)完成凝固和热轧两个过程(如图1所示，其中1为熔炼的金属液，2为铸轧辊套，3为板坯)。其中，作为连续铸轧工艺核心部件的铸轧辊套与熔液直接接触，同时实现“结晶”和“轧制”功能，铸轧辊套结构如图2所示。目前，国内外使用的辊套材料主要为32Cr3MoV、20Cr3MoWV、35CrMnMo、45MnMoWV、CrNi3MoV等钢辊套，由于钢辊套导热率较低，约为25W·(m·K)-1，导致铸轧速度慢(0.5-1.2m/min)、生产效率低、产品表面和内部易出现偏析、可铸轧合金品种有限等问题。采用导热性能好的铜辊套代替钢辊套是解决上述问题的有效途径，然而一个辊套的外径达700-1200mm，壁厚达50-100mm，长度达1200-2000mm，重量达2-4吨，如何将这么大的辊套产品制备出来是需要解决的关键问题。
申请公布号为CN 102220512A的中国发明专利公开了一种冷却辊套及其快速凝固的制造方法，其组分按照重量百分比为：铍含量0.2～2.75％，其余为铜或铜合金。所述冷却辊套由包括以下步骤的制备方法制得：在真空熔炼炉内先将铜合金或铜熔化，再加入铍合金，然后离心浇注成铍铜套，浇注成形后，采用快速冷却方式进行冷却，之后机械加工成合格的冷却辊套。该专利公开的先真空熔炼，然后采用离心铸造方法制备冷却辊套，首先真空熔炼方式成本高、对设备要求高、可熔炼合金液重量有限；其次，采用离心铸造方法制备的冷却辊套后续机械加工余量较大，表面质量和辊套力学性能仍有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜合金辊套的制备方法，该制备方法得到的铜合金辊套表面质量好且力学性能优异。
本发明的第二个目的在于提供一种铜合金辊套。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：
1)将铜合金液浇注、成型，得铸造管坯；
2)将步骤1)所得的铸造管坯于900～950℃保温2～4h，然后通过锻造方式
进行扩径处理，得锻造管坯；
3)将步骤2)所得的锻造管坯在惰性气体保护下进行退火处理，即得。
所述铜合金液由铜合金或制备铜合金的原料熔炼制得，所述铜合金为Cu-Be-Co系合金、Cu-Be-Co-Zr系合金或Cu-Cr-Zr系合金。
所述Cu-Be-Co系合金为主要元素为Cu、Be、Co的铜合金。
所述Cu-Be-Co-Zr系合金为主要元素为Cu、Be、Co、Zr的铜合金。
所述Cu-Cr-Zr系合金为主要元素为Cu、Cr、Zr的铜合金。
所述熔炼的温度为1200～1300℃。
步骤1)中的铜合金液浇注的温度为1230～1280℃，浇注速率为20-30千克/秒。
步骤1)中的成型采用离心铸造成型。所述离心铸造成型采用铸型绕水平轴旋转的卧式离心铸造机。将合金液浇注入旋转的铸型中，使合金液在离心力的作用下充填铸型和凝固。当铸件颜色呈暗红色时停机、取件，得铸造管坯。
所述离心铸造成型的转速为600-750转/分钟，时间为10-15秒。
步骤2)中的铸造管坯于900～950℃保温前进行机加工；所述机加工为将铸造管坯进行外径和内径的机加工；所述外径的机加工量为3～5mm，所述内径的机加工量为5～10mm。
步骤2)中的机加工在车床上进行。
步骤2)中的扩径处理在自由锻压机上进行。具体为：将900～950℃保温2～4h后的管坯放入自由锻压机安装的锻造砧板上，芯轴从管坯内径穿过，并与管坯一侧内径紧密接触，使得管坯挂在芯轴上；然后，锻压机上的锻锤从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形；然后锻锤抬起，准备下一次锻打冲击，与此同时，挂在芯轴上的管坯旋转一定位置，由变形后区域换成未变形区域，紧接着锻锤又一次从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形，如此循环往复，直到整个管坯全部完成扩径至规定尺寸，完成扩径。经扩径处理，可以充分消除铸型等工序引起的内应力。
步骤3)中的退火处理为于400～600℃保温2～5h后冷却。所述冷却为将制件快速从加热炉中取出，于空气中冷却至室温。步骤3)中的退火处理可以消除锻造过程中产生的内应力等缺陷，减少变形与裂纹倾向，细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。
步骤3)中的惰性气体为氮气或氩气。
步骤3)中退火处理后进行精加工。所述精加工在机床上进行。通过精加工使铜合金辊套表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m。
一种铜合金辊套，采用上述铜合金辊套的制备方法制得。本发明的铜合金辊套，表面质量好，表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m；同时传导性能和力学性能优异，导热率≥260W·(m·K)-1，抗拉强度≥600MPa、延伸率≥8％。
本发明铜合金辊套的制备方法，包括离心铸造→粗加工→锻造成形→锻后热处理→机械加工步骤，采用离心铸造制得管坯，金属补缩效果好，铸件外层组织致密，非金属夹杂物少，然后进一步通过锻造和热处理工艺进行扩径和组织性能改善。
本发明的铜合金辊套，其性能能够满足铝板坯高效连续铸轧生产，由于该制备方法制备的铜合金辊套材料组织致密、导热性能好，使得在完成如图1所示的连续铸轧时，熔炼的金属液在与一对相对旋转的铸轧辊接触时，金属液热量能够在短时间内通过铸轧辊套散发出去，快速凝固为板坯，从而实现金属熔液的快速凝固，可使目前现有铸造速度和生产效率提高1倍以上，同时抑制铸轧缺陷、改善产品质量。
附图说明
图1为背景技术中双辊连续铸轧工艺原理示意图；
图2为背景技术中双辊连续铸轧工艺中的核心部件辊套结构示意图；
图3为实施例1中通过锻造方式进行扩径处理的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
实施例1
本实施例的铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：
1)离心铸造工序：在中频感应熔炼炉中，依次加入原料电解铜板(Cu≥99.95％)、纯钴片(Co≥99.8％)、中间合金Cu-3.3Be，于1200℃熔炼至完全溶解得合金液，所得合金液中Be的质量分数为0.2％，Co的质量分数为0.2％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总含量≤0.05％，余量为Cu；将合金液于1230℃浇注入卧式离心铸造机沿水平轴旋转的铸型中，使熔液在离心力的作用下充填铸型和凝固，其中浇注速度为25千克/秒，铸型转速为600转/分钟，转动时间为15秒；当铸件颜色呈暗红色时停机、取件得铸造管坯；
2)粗加工工序：将步骤1)所得的铸造管坯在车床上进行外径和内径机加工，外径机加工量为5mm，内径机加工量为10mm；
3)扩径工序：将机加工后的铸造管坯放到自由锻压机上通过加热锻造方式进行扩径：将机加工后的铸造管坯放到加热炉中于900℃保温4小时，然后通过锻造方式进行扩径处理，上述扩径处理如图3所示，具体为：将管坯4放入压力机上安装的锻造砧板上，芯轴5从管坯4内径穿过，并与管坯4一侧内径紧密接触，使得管坯4挂在芯轴上；然后，锻压机上的锻锤6从上往下快速运动，与挂在芯轴5上的管坯4外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形；然后锻锤6抬起，准备下一次锻打冲击，与此同时，挂在芯轴5上的管坯4旋转一定位置，由变形后区域换成未变形区，紧接着锻锤6又一次从上往下快速运动，与挂在芯轴5上的管坯4外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形，如此循环往复，直到整个管坯4全部完成扩径至规定尺寸，扩径完成，得锻造管坯；
4)热处理工序：将步骤3)所得的锻造管坯放入热处理炉中，在氮气保护下随炉升温至400℃保温5小时，之后快速从炉中取出，放在空气中冷却至室温，得辊套环形件；
5)机械加工工序：将步骤4)的辊套环形件在车床上进行精加工，使表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m，即得。
本实施例的铜合金辊套，采用上述制备方法制得。
实施例2
本实施例的铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：
1)离心铸造工序：将Cu-Be-Co铍青铜合金于1300℃进行熔炼至完全溶解得合金液；将合金液于1280℃浇注入卧式离心铸造机沿水平轴旋转的铸型中，使熔液在离心力的作用下充填铸型和凝固，其中浇注速度为20千克/秒，铸型转速为750转/分钟，转动时间为10秒；当铸件颜色呈暗红色时停机、取件得铸造管坯；上述Cu-Be-Co铍青铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Be 0.6％，Co 1.2％，杂质成分Al、Si、Fe、Sn的总含量≤0.05％，余量为Cu；
2)粗加工工序：将步骤1)所得的铸造管坯在车床上进行外径和内径机加工，外径机加工量为3mm，内径机加工量为5mm；
3)扩径工序：将机加工后的铸造管坯放到自由锻压机上通过加热锻造方式进行扩径：将机加工后的铸造管坯放到加热炉中于950℃保温2小时，然后通过锻造方式进行扩径处理，上述扩径处理具体为：将管坯放入压力机上安装的锻造砧板上，芯轴从管坯内径穿过，并与管坯一侧内径紧密接触，使得管坯挂在芯轴上；然后，锻压机上的锻锤从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形；然后锻锤抬起，准备下一次锻打冲击，与此同时，挂在芯轴上的管坯旋转一定位置，由变形后区域换成未变形区，紧接着锻锤又一次从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形，如此循环往复，直到整个管坯全部完成扩径至规定尺寸，扩径完成，得锻造管坯；
4)热处理工序：将步骤3)所得的锻造管坯放入热处理炉中，在氮气保护下随炉升温至600℃保温2小时，之后快速从炉中取出，放在空气中冷却至室温，得辊套环形件；
5)机械加工工序：将步骤4)的辊套环形件在车床上进行精加工，使表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m，即得。
本实施例的铜合金辊套，采用上述制备方法制得。
实施例3
本实施例的铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：
1)离心铸造工序：将Cu-Be-Co-Zr铜合金于1250℃进行熔炼至完全溶解得合金液；将合金液于1230℃浇注入卧式离心铸造机沿水平轴旋转的铸型中，使熔液在离心力的作用下充填铸型和凝固，其中浇注速度为30千克/秒，铸型转速为700转/分钟，转动时间为12秒；当铸件颜色呈暗红色时停机、取件得铸造管坯；上述Cu-Be-Co-Zr铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Be 0.4％，Co 0.8％，Zr0.3％，余量为Cu和不可避免的杂质；
2)粗加工工序：将步骤1)所得的铸造管坯在车床上进行外径和内径机加工，外径机加工量为4mm，内径机加工量为8mm；
3)扩径工序：将机加工后的铸造管坯放到自由锻压机上通过加热锻造方式进行扩径：将机加工后的铸造管坯放到加热炉中于920℃保温3小时，然后进行扩径处理，上述扩径处理具体为：将管坯放入压力机上安装的锻造砧板上，芯轴从管坯内径穿过，并与管坯一侧内径紧密接触，使得管坯挂在芯轴上；然后，锻压机上的锻锤从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形；然后锻锤抬起，准备下一次锻打冲击，与此同时，挂在芯轴上的管坯旋转一定位置，由变形后区域换成未变形区，紧接着锻锤又一次从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形，如此循环往复，直到整个管坯全部完成扩径至规定尺寸，扩径完成，得锻造管坯；
4)热处理工序：将步骤3)所得的锻造管坯放入热处理炉中，在氮气保护下随炉升温至500℃保温3小时，之后快速从炉中取出，放在空气中冷却至室温，得辊套环形件；
5)机械加工工序：将步骤4)的辊套环形件在车床上进行精加工，使表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m，即得。
本实施例的铜合金辊套，采用上述制备方法制得。
实施例4
本实施例的铜合金辊套的制备方法，包括以下步骤：
1)离心铸造工序：将Cu-Cr-Zr铜合金于1280℃进行熔炼至完全溶解得合金液；将合金液于1240℃浇注入卧式离心铸造机沿水平轴旋转的铸型中，使熔液在离心力的作用下充填铸型和凝固，其中浇注速度为22千克/秒，铸型转速为680转/分钟，转动时间为13秒；当铸件颜色呈暗红色时停机、取件得铸造管坯；上述Cu-Cr-Zr铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Cr 0.7％，Zr 0.3％，余量为Cu和不可避免的杂质；
2)粗加工工序：将步骤1)所得的铸造管坯在车床上进行外径和内径机加工，外径机加工量为5mm，内径机加工量为9mm；
3)扩径工序：将机加工后的铸造管坯放到自由锻压机上通过加热锻造方式进行扩径：将机加工后的铸造管坯放到加热炉中于950℃保温3小时，然后进行扩径处理，上述扩径处理具体为：将管坯放入压力机上安装的锻造砧板上，芯轴从管坯内径穿过，并与管坯一侧内径紧密接触，使得管坯挂在芯轴上；然后，锻压机上的锻锤从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形；然后锻锤抬起，准备下一次锻打冲击，与此同时，挂在芯轴上的管坯旋转一定位置，由变形后区域换成未变形区，紧接着锻锤又一次从上往下快速运动，与挂在芯轴上的管坯外径表面接触，并在下行力的作用下完成一次变形，如此循环往复，直到整个管坯全部完成扩径至规定尺寸，扩径完成，得锻造管坯；
4)热处理工序：将步骤3)所得的锻造管坯放入热处理炉中，在氮气保护下随炉升温至500℃保温3小时，之后快速从炉中取出，放在空气中冷却至室温，得辊套环形件；
5)机械加工工序：将步骤4)的辊套环形件在车床上进行精加工，使表面粗糙度控制在Ra≤1.6μm，弯曲度≤6mm/m，即得。
本实施例的铜合金辊套，采用上述制备方法制得。
实验例
对实施例1-4制得的铜合金辊套进行传导性能和力学性能测试。其中，传导性能测试导热率，采用激光法导热分析仪，导热率由测得的热扩散系数、比热容以及密度通过热学计算模型经系统自动获取，每个试样测量3次取平均值，误差控制在±0.5W·(m·K)-1。力学性能测试抗拉强度和延伸率，采用SHIMADZU(岛津)AG-I250KN精密万能试验机，方法按照GB/T 228.1-2010进行。测试结果如表1所示。
表1 实施例1-4制得的铜合金辊套性能测试数据

Claims (7)

1.一种铜合金辊套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将铜合金液浇注、成型，得铸造管坯；
2）将步骤1）所得的铸造管坯于900~950℃保温2~4h，然后通过锻造进行扩径处理，得锻造管坯；
3）将步骤2）所得的锻造管坯在惰性气体保护下进行退火处理，即得；
其中，步骤1）中所述铜合金液由铜合金或制备铜合金的原料熔炼制得，所述铜合金为Cu-Be-Co系合金、Cu-Be-Co-Zr系合金或Cu-Cr-Zr系合金；所述成型采用离心铸造成型；
步骤2）中的铸造管坯于900～950℃保温前进行机加工；所述机加工为将铸造管坯进行外径和内径的机加工；
步骤3）中的退火处理为于400~600℃保温2~5h后冷却；所述退火处理后进行精加工。
2.根据权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法，其特征在于，所述熔炼的温度为1200~1300℃。
3.根据权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法，其特征在于，步骤1）中的铜合金液浇注的温度为1230~1280℃，浇注速率为20-30千克/秒。
4.根据权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法，其特征在于，所述离心铸造成型的转速为600-750转/分钟，时间为10-15秒。
5.根据权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法，其特征在于，所述外径的机加工量为3~5mm，所述内径的机加工量为5~10mm。
6.根据权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法，其特征在于，步骤3）中的惰性气体为氮气或氩气。
7.一种铜合金辊套，其特征在于，采用权利要求1所述的铜合金辊套的制备方法制得。
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