CN110453108B - 一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法，合金质量百分比为Cu余量，Ni 14.5％，Al 2.6％，Mn 0.9％，Fe 0.9％。制备方法包括配料、装炉、熔炼、除气、浇铸、铸造等工艺，本发明采用的气氛保护非真空感应熔炼‑下引法红锭铸造技术，制备的铝白铜CuNi14Al3材料气体含量低、夹杂物少、并且组织成分均匀，可锻性好，大大提高工业化生产效率高。

Description

一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法。
背景技术
铝白铜合金具有优良的耐腐蚀性和耐磨性能等，有较高的疲劳强度和承载能力，良好的导热性和较低的摩擦系数。已被广泛应用在轨道交通、海洋、石油、化工和航空航天领域。
随着我国轨道交通、航空航天、机械制造行业快速发展，对高强度耐腐蚀耐磨铜合金的性能要求和需求量将显著提高。CuNi14Al3经锻造热处理后存在密集的、大小分布较均匀的沉淀相Ni3Al，显著提高合金的力学性能。经过锻造碾环制成的用于异步电机的收缩环，随着我国轨道交通行业的快发展，拥有无法超越的竞争力和市场前景。
目前，国内关于铝白铜CuNi14Al3的制备方法主要有以下几种方法：
非真空熔炼-锭模浇铸：将电解铜板+工业纯铝+电解镍板+工业纯铁+电解锰放入感应炉熔炼，待料化完后浇入锭模，此方法存在铸锭成分不均，铸态枝晶存在偏析严重及粗大树枝晶，氧含量高，存在缩松、夹杂缺陷，导致后续加工存在批量报废。
真空感应熔炼：将电解铜板+工业纯铝+电解镍板+工业纯铁+电解锰放入感应炉，抽真空-化料-浇铸，此方法存在缺点是铸锭缩孔较深，材料收得率低。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种出低气体含量、组织均匀、无偏析的非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法。
本发明的技术方案为：一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法，包括以下步骤：
1)配料：以百分含量计，按Cu余量，Ni 14.5％，Al 2.6％，Mn 0.9％，Fe 0.9％的比例称取所需原料；
2)装炉：将上述含Ni原料和含Fe原料置于熔炼炉底部，再加入含Cu原料；
3)熔炼：升温加热至步骤2)中原料熔化，加入含Al原料，升温至1200℃时加入含Mn原料，熔炼过程采用气氛保护；
4)除气：逐步升温至1300℃，通氩气除气20min，加入一定量的铜镁合金除气，取样检测成分，不合格调成分返回步骤3)，合格则出炉，出炉温度为1400℃；
5)浇铸：采用结晶器将熔体倒入溜槽后及时打开气氛保护溜槽及炉口，保证溜槽内液面平稳，不断流、不溢出；
6)铸造：待熔体进入达到结晶器容积的三分之一高度时开始铸造，起始铸造速度为30mm/min，然后提高至100mm/min，铸造过程调整结晶器冷却水流量、冷却水温度，保证铸锭引出时保持亮红，铸造过程铸锭保持亮红，铸造前排干铸造井水，避免激冷开裂；铸造稳定时保证结晶器内熔体液面距结晶器顶部 3-5mm，及时清理结晶器内浮渣；待熔炼炉里的熔体全部倒入溜槽时，铸造速度提升至110mm/min，直至浇铸完成，防止热量补充不充分造成堵溜槽。
进一步地，所述含Ni原料采用纯度为99.99％的电解镍板，所述含Fe原料采用纯度为99.98％的工业纯铁块，所述含Cu原料采用纯度为99.99％的电解铜板，所述含Al原料采用纯度为99.99％的工业纯铝块，所述含Mn原料采用纯度为99.9％的电解锰片。
进一步地，步骤2)中加入所述含Cu原料后，缝隙处以木炭覆盖，形成一定的防护气氛，隔绝大气，去除氧化夹杂。
进一步地，步骤3)中所述含Mn原料在加入时先预热至200-300℃。
进一步地，步骤3)和步骤5)中所述气氛保护为甲烷燃气保护。甲烷的优点是隔绝空气中的氧气，防止氧化，减少材料氧含量，有利于后期加工。
进一步地，步骤4)中所述铜镁合金的加入量为1.8kg，铜镁合金中Mg质量百分比为15％。
进一步地，步骤6)所述结晶器采用色素炭黑覆盖密封底部出水孔，以色素炭黑代替玻璃保护液面，可有效解决铝白铜成分Si超标的问题。
进一步地，步骤6)结晶器冷却水流量为7m3/h，冷却水温度为20-25℃。
进一步地，所述结晶器为长结晶器，规格φ155×460，保证液穴深度使溶液充分浮渣。
进一步地，所述结晶器的外部装配有超声波振动环，当开始铸造时，施加 22-25KHz的超声波，利用超声波的穿透分散性，对熔体进行进行微扰动，辅助熔体脱气、去杂质并细化晶粒。频率太低对熔体形成的微扰动不足，达不到优化效果；频率太高扰动太强会印象结晶器内液面不稳和破裂，会存在夹杂缺陷，影响铸锭的质量。
本发明的有益效果为：本发明采用的气氛保护非真空感应熔炼-下引法红锭铸造技术，能制备出低气体含量、组织均匀、无偏析的高性能铝白铜合金材料，其中在熔炼炉的炉口及溜槽采用燃气气氛保护，可有效防止氧化烧损；红锭铸造铸造过程调整结晶器冷却水流量、冷却水温度及铸造速度，保证铸锭引出时保持亮红，有效解决铸造应力过大引起裂纹，并且还采用了色素炭黑代替了玻璃保护液面用于覆盖密封结晶器底部出水孔，有效解决铝白铜成分Si超标的问题。总之，本发明制备的铝白铜CuNi14Al3材料气体含量低、夹杂物少、并且组织成分均匀，可锻性好，大大提高工业化生产效率高。
附图说明
图1是本发明的制备方法流程图；
图2是本发明浇铸完成的铝白铜铸锭图；
图3是本发明铝白铜铸锭的截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本实施例中提供了一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料，以百分含量计包括：Cu余量，Ni 14.5％，Al 2.6％，Mn 0.9％，Fe 0.9％。
本实施例还提供了一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法，工艺流程如图1所示，该制备方法包括以下步骤：
1)配料：以百分含量计，按Cu余量，Ni 14.5％，Al 2.6％，Mn 0.9％，Fe 0.9％的比例称取所需原料；其中含Ni原料采用纯度为99.99％的电解镍板，含Fe原料采用纯度为99.98％的工业纯铁块，含Cu原料采用纯度为99.99％的电解铜板，含 Al原料采用纯度为99.99％的工业纯铝块，含Mn原料采用纯度为99.9％的电解锰片。
2)装炉：将上述电解镍板和工业纯铁块置于熔炼炉底部，再加入电解铜板，缝隙处以木炭覆盖，形成一定的防护气氛，隔绝大气，去除氧化夹杂。
3)熔炼：升温加热至步骤2)中原料熔化，加入工业纯铝块，升温至1200℃时加入预热至250℃的电解锰片，熔炼过程在熔炼炉口和溜槽采用甲烷燃气保护，防止氧化烧损；
4)除气：逐步升温至1300℃，通氩气除气20min，加入1.8kg的铜镁合金除气，取样检测成分，不合格调成分返回步骤3)，合格则出炉，出炉温度为1400℃；
5)浇铸：溜槽使用燃气预烘烤，保证引流管中心、结晶器中心及引拉头中心保证一致后开始浇铸，熔体倒入溜槽后及时打开燃气保护溜槽及炉口，保证溜槽内液面平稳，不断流、不溢出；
6)铸造：先设定铸造机参数，结晶器优选长结晶器，保证液穴深度使溶液充分浮渣。采用色素炭黑覆盖密封结晶器底部出水孔，以色素炭黑代替玻璃保护液面，可有效解决铝白铜成分Si超标的问题。结晶器冷却水流量为7m3/h，冷却水温度为20℃。待熔体进入达到结晶器容积的三分之一高度时开始铸造，起始铸造速度为30mm/min，然后提高至100mm/min，铸造过程调整结晶器冷却水流量、冷却水温度，保证铸锭引出时保持亮红，铸造过程铸锭保持亮红，铸造前排干铸造井水，避免激冷开裂；铸造稳定时保证结晶器内熔体液面距结晶器顶部 4mm，及时清理结晶器内浮渣；待熔炼炉里的熔体全部倒入溜槽时，铸造速度提升至110mm/min，直至浇铸完成，防止热量补充不充分造成堵溜槽。
为了进一步优化铸锭的质量，在结晶器的外部装配有超声波振动环，当开始铸造时，施加23KHz的超声波，利用超声波的穿透分散性，对熔体进行进行微扰动，辅助熔体脱气、去杂质并细化晶粒。频率太低对熔体形成的微扰动不足，达不到优化效果；频率太高扰动太强会印象结晶器内液面不稳和破裂，会存在夹杂缺陷，影响铸锭的质量。
采用非真空感应熔炼半连续法制备方法最终浇铸完成的铝白铜铸锭如图2 所示，铸锭规格φ150×6000，铸锭的截面图图3所示，可看出铸锭组织均匀、表面光滑、无裂纹。
采用非真空感应熔炼半连续法制备的CuNi14Al3合金化学含量检测如表1所示。
表1 CuNi14Al3合金化学含量检测结果
Ni(％) Al(％) Mn(％) Fe(％) Si(％) O(ppm)
CuNi14Al3 14.57 2.65 0.768 0.912 0.0076 9

Claims (1)

1.一种非真空半连续感应熔炼铝白铜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配料：以百分含量计，按Cu余量，Ni 14.5％，Al 2.6％，Mn 0.9％，Fe0.9％的比例称取所需原料；
2)装炉：将上述含Ni原料和含Fe原料置于熔炼炉底部，再加入含Cu原料；
3)熔炼：升温加热至步骤2)中原料熔化，加入含Al原料，升温至1200℃时加入含Mn原料，熔炼过程采用气氛保护；
4)除气：逐步升温至1300℃，通氩气除气20min，加入一定量的铜镁合金除气，取样检测成分，不合格调成分返回步骤3)，合格则出炉，出炉温度为1400℃；
5)浇铸：采用结晶器将熔体倒入溜槽后及时打开气氛保护溜槽及炉口，保证溜槽内液面平稳，不断流、不溢出；
6)铸造：待熔体进入达到结晶器容积的三分之一高度时开始铸造，起始铸造速度为30mm/min，然后提高至100mm/min，铸造过程调整结晶器冷却水流量、冷却水温度，保证铸锭引出时保持亮红，铸造过程铸锭保持亮红，待熔炼炉里的熔体全部倒入溜槽时，铸造速度提升至110mm/min，直至浇铸完成；
所述含Ni原料采用纯度为99.99％的电解镍板，所述含Fe原料采用纯度为99.98％的工业纯铁块，所述含Cu原料采用纯度为99.99％的电解铜板，所述含Al原料采用纯度为99.99％的工业纯铝块，所述含Mn原料采用纯度为99.9％的电解锰片；
步骤2)中加入所述含Cu原料后，缝隙处以木炭覆盖；
步骤3)中所述含Mn原料在加入时先预热至200-300℃；
步骤3)和步骤5)中所述气氛保护为甲烷燃气保护；
步骤4)中所述铜镁合金的加入量为1.8kg，铜镁合金中Mg质量百分比为15％；
步骤5)所述熔体倒入溜槽前还包括使用燃气将溜槽进行预烘烤，保证引流管中心、结晶器中心及引拉头中心保证一致后开始浇铸；
步骤6)所述结晶器采用色素炭黑覆盖密封底部出水孔；
步骤6)结晶器冷却水流量为7m3/h ，冷却水温度为20-25℃；
所述结晶器为长结晶器。
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