CN110964942B - 一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，包含以下成分及质量百分比：镍14~16%，锡7~9%，铌0~0.2%，锰0~0.8%余量为铜和不可避免的杂质，本发明还公布了其制备方法：经过配料、熔炼、铸造、锯切、挤压、修边矫直、冷轧、定尺检测、条幅处理等步骤获得优质的铜镍锡合金管材。优点在于：采用高频感应加热可以快速将铸锭加热到工艺需要的温度，防止加热速度过慢而导致偏析的缺陷产生，挤压后采用迅速水冷对高温管坯冷却，防止冷速过慢产生微观偏析，采用惰性气体保护气氛加热，协调合理的变形量、温度和时间参数获得最优的性能。

Description

一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺。
背景技术
铜镍锡系合金具有很高的强度、弹性、一定的导电性、优良的耐腐蚀和磨擦性能、高温抗应力能力强、无毒、成本较低等特点，其中Cu-15Ni-8Sn系合金经较大形变热处理后，由于相的分解在合金内形成周期性的调幅组织结构，可以获得抗拉强度达1400MPa的超高强铜合金，从而取代Cu-Be合金，具有广阔的应用前景，因而受到极大的重视。
目前关于铜镍锡系合金的专利大多涉及成分的设计和棒材的生产，没有专利介绍关于大铸锭的生产方法，申请公布号为03151047.7的专利公开了一种含钛的铜镍锡调幅分解型耐磨轴承合金及其制备方法，在三元Cu-Ni-Sn合金中采用镍钛或铜钛中间合金方式加入适量的第四组元钛，采用真空感应电炉熔炼或非真空熔炼后浇铸化-淬火-时效后机加工成元件使用，但整个专利中并未具体浇铸工艺。申请号为201110073305.1的专利公开一种铜镍锡合金带材的配方及生产工艺，该工艺采用转炉倒入保温炉后水平连铸的工艺生产了合金带坯，和本发明的工艺路线完全不同。申请号201110376997.7的专利公开了一种铜镍锡合金及其线材的制备方法，采用水平连铸的工艺获得线坯。申请号201310751407.3的专利提供了一种开关插座用铜镍锡合金及其制备方法，在氮气保护气氛下，将原料合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可，只能适用于开关插座和小型零件。申请号201510439403.0的专利提供了一种铜镍锡合金带的生产方法，采用了高速双辊连铸工艺能够使熔融金属快速凝固，有效抑制了锡元素的偏析，使产品组织结构更加均匀，与本发明的技术路线完全不同。申请号201510723849.6的专利公开了一种铜镍锡合金棒材的制备方法：采用气雾化法按照上述成分及质量百分比制备合金粉末，然后经冷等静压成型、真空烧结和锭坯包套的方法制备合金锭坯，再用水封热挤压、冷旋锻及时效处理等工艺获得优质的铜镍锡合金棒材，与本发明的技术路线完全不同。申请号201610280996.5的专利公开了一种调幅分解型高强铜镍锡合金及其制备方法，其制备方法是：先配料，然后采用非真空电炉进行熔炼，再进行热挤压，最后进行热处理成型，与本发明的技术路线存在明显差异。
上述专利中均未涉及铜镍锡管材的加工工艺，管材加工中一般必须先将坯料做成管坯，因此流程更长，复杂程度更大，变成过程更复杂。Cu-15Ni-8Sn一般采用固溶处理后对合金进行一定的冷变形，可使合金同时得到形变强化与时效强化的双重功效。因Cu-15Ni-8Sn合金的α相和γ相均为易发生多系滑移的面心立方结构，因此合金具有较好的冷加工硬化性能。时效初期冷变形对调幅组织的出现影响不大，但合金在冷变形过程中位错不断增加，形成位错网络，为下一步的时效强化创造了极好的条件。故时效前加以一定的冷变形，能大幅提高合金性能。
发明内容
本发明提供了一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，本发明提出的技术方案为提供一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，所述铜镍锡合金管材质量百分比的成分：镍14～16％，锡7～9％，铌0～0.2％，锰0～0.8％余量为铜和不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：
(1)配料：按各原料的质量百分比称取相应的原料；
(2)熔炼：先加入电解铜，然后添加木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，然后加入铌和电解锰，均匀搅拌，待金属液的温度达到T1，保温时间M1后进行浇注；
(3)铸造：采用半连续铸造工艺铸造出铸锭，铜锭采用循环水冷却；
(4)锯切：将铸锭锯切成300～800mm等长的铸坯，修磨边角毛刺；
(5)挤压：采用高频感应加热迅速加热到T2，保温时间M2，采用挤压机挤压成所需规格管坯，挤压后保证管坯温度不低于800℃，迅速将管坯投入水中进行固溶处理；
(6)修边矫直：将冷却后的管坯锯切掉头尾缺陷部分，将锯切的管坯毛边修磨干净，送入矫直机中进行矫直；
(7)冷轧：将矫直后管坯进行冷轧变形；
(8)定尺检验：按照客户要求对管材定尺，定尺后的管材进行尺寸、探伤、压力测试、导电性等项目的检测；
(9)条幅分解：将管材加热到T3，保温时间为M3完成分解。
进一步地，步骤(2)中T1：1250～1300℃，保温时间M1：10～30min；所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
进一步地，步骤(3)中所用冷却的循环水水温控制在20～35℃，流量控制在5～15m3/h，水压为0.2～0.4MPa。
进一步地，步骤(3)中铸锭规格，直径控制在：
Figure BDA0002326041340000021
长度控制在：1000～8000mm。
进一步地，步骤(5)T2：800～1000℃，保温时间M2：5～20min。
进一步地，步骤(7)中变形量控制在10～80％；
进一步地，步骤(9)中T3：300～500℃，保温时间M3：0.5～8小时，所采用加热炉为惰性气体保护气氛加热炉，采用气体冷却至室温。
本发明主要的工作在于：
1.挤压加热控制。采用高频感应加热可以快速将铸锭加热到工艺需要的温度，防止加热速度过慢而导致偏析的缺陷产生。
2.挤压冷却的控制。采用迅速水冷对高温管坯冷却，防止冷速过慢产生微观偏析。
3.条幅分解。采用惰性气体保护气氛加热，协调合理的变形量、温度和时间参数获得最优的性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明在铜镍锡合金基础上添加了铌和锰元素，增加了合金的弥散强化效果，有利于提高合金的强度。
(2)本发明在挤压阶段控制加热和冷却速度，从而遏止管坯中偏析的缺陷产生。
(3)本发明提供了完整的铜镍锡管材的加工方法。
附图说明
图1为一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，通过以下方法制得：
(1)配料：所采用的原料及其配比如表1所示，
表1
成分 牌号 标准 质量百分比
电解铜 Cu99.95 GB/T 467-2010 76.30％
电解镍 Ni99.95 GB/T 6515-2010 14.00％
锡锭 Sn99.95 GB/T 728-2010 9.00％
铌条 Nb1 GB/T 14842-2010 0.10％
电解锰 JMn98 GB/T 2774-2010 0.60％
(2)熔炼：先加入电解铜天添加木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌，待金属液的温度达到1250℃，保温30min后进行浇注；
(3)铸造：采用半连续铸造工艺，铸锭规格直径为
Figure BDA0002326041340000031
长度为1000mm，铜锭采用循环水冷却；
(4)锯切：将铸锭锯切成300mm等长的铸坯，修磨边角毛刺；
(5)挤压：采用高频感应加热迅速加热到850℃，保温20min，采用挤压机挤压成所需规格管坯，挤压后保证管坯温度843℃，迅速将管坯投入水中进行固溶处理；
(6)修边矫直：将冷却后的管坯锯切掉头尾缺陷部分，将锯切的管坯毛边修磨干净，送入矫直机中进行矫直；
(7)冷轧：将矫直后管坯进行冷轧变形，变形量控制在10％；
(8)定尺检验：按照客户要求对管材定尺，定尺后的管材进行尺寸、探伤、压力测试、导电性等项目的检测；
(9)条幅分解：将管材加热到300℃，保温时间为8小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(3)中所用冷却的循环水水温控制在20℃，流量控制在15m3/h，水压为0.4MPa。
步骤(9)中所采用加热炉为惰性气体保护气氛加热炉，采用气体冷却至室温。
实施例2
本实施例一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，通过以下方法制得：
(1)配料：所采用的原料及其配比如表2所示，
表2
成分 牌号 标准 质量百分比
电解铜 Cu99.95 GB/T 467-2010 76.60％
电解镍 Ni99.95 GB/T 6515-2010 15.00％
锡锭 Sn99.95 GB/T 728-2010 8.00％
铌条 Nb1 GB/T14842-2007 0.20％
电解锰 JMn98 GB/T 2774-2008 0.20％
(2)熔炼：先加入电解铜天添加木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌，待金属液的温度达到1270℃，保温20min后进行浇注；
(3)铸造：采用半连续铸造工艺，铸锭规格直径为
Figure BDA0002326041340000041
长度为4000mm，铜锭采用循环水冷却；
(4)锯切：将铸锭锯切成500mm等长的铸坯，修磨边角毛刺；
(5)挤压：采用高频感应加热迅速加热到900℃，保温10min，采用挤压机挤压成所需规格管坯，挤压后保证管坯温度890℃，迅速将管坯投入水中进行固溶处理；
(6)修边矫直：将冷却后的管坯锯切掉头尾缺陷部分，将锯切的管坯毛边修磨干净，送入矫直机中进行矫直；
(7)冷轧：将矫直后管坯进行冷轧变形，变形量控制在40％；
(8)定尺检验：按照客户要求对管材定尺，定尺后的管材进行尺寸、探伤、压力测试、导电性等项目的检测；
(9)条幅分解：将管材加热到400℃，保温时间为4小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(3)中所用冷却的循环水水温控制在30℃，流量控制在10m3/h，水压为0.3MPa。
步骤(9)中所采用加热炉为惰性气体保护气氛加热炉，采用气体冷却至室温。
实施例3
本实施例一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，通过以下方法制得：
(1)配料：所采用的原料及其配比如表3所示，
表3
成分 牌号 标准 质量百分比
电解铜 Cu99.95 GB/T467-2010 76.45％
电解镍 Ni99.96 GB/T6515-2010 16％
锡锭 Sn99.97 GB/T728-2010 7％
铌条 Nb1 GB/T14842-2007 0.15％
电解锰 JMn98 GB/T2774-2008 0.40％
(2)熔炼：先加入电解铜天添加木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌，待金属液的温度达到1300℃，保温30min后进行浇注；
(3)铸造：采用半连续铸造工艺，铸锭规格直径为
Figure BDA0002326041340000052
长度为8000mm，铜锭采用循环水冷却；
(4)锯切：将铸锭锯切成800mm等长的铸坯，修磨边角毛刺；
(5)挤压：采用高频感应加热迅速加热到1000℃，保温5min，采用挤压机挤压成所需规格管坯，挤压后保证管坯温度为980℃，迅速将管坯投入水中进行固溶处理；
(6)修边矫直：将冷却后的管坯锯切掉头尾缺陷部分，将锯切的管坯毛边修磨干净，送入矫直机中进行矫直；
(7)冷轧：将矫直后管坯进行冷轧变形，变形量控制在80％；
(8)定尺检验：按照客户要求对管材定尺，定尺后的管材进行尺寸、探伤、压力测试、导电性等项目的检测；
(9)条幅分解：将管材加热到500℃，保温时间为0.5小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(3)中所用冷却的循环水水温控制在35℃，流量控制在5m3/h，水压为0.2MPa。
步骤(9)中所采用加热炉为惰性气体保护气氛加热炉，采用气体冷却至室温。
将各实施例制成测试试样后，对该试样的时效态进行力学性能测试，其测试结果分别如表4所示。
表4
Figure BDA0002326041340000051
最后说明的是，以上实施例仅以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行参数范围内的修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，铜镍锡合金管材质量百分比的成分：镍14~16%，锡7~9%，铌0~0.2%，锰0~0.8%余量为铜和不可避免的杂质；其制备方法包括以下步骤：
（1）配料：按各原料的质量百分比称取相应的原料；
（2）熔炼：先加入电解铜，然后添加木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，然后加入铌和电解锰，均匀搅拌，待金属液的温度达到T1，保温时间M1后进行浇注；
（3）铸造：采用半连续铸造工艺铸造出铸锭铜锭采用循环水冷却；
（4）锯切：将铸锭锯切成300~800mm等长的铸坯，修磨边角毛刺；
（5）挤压：采用高频感应加热迅速加热到T2，保温时间M2，采用挤压机挤压成所需规格管坯，挤压后保证管坯温度不低于800℃，迅速将管坯投入水中进行固溶处理；
（6）修边矫直：将冷却后的管坯锯切掉头尾缺陷部分，将锯切的管坯毛边修磨干净，送入矫直机中进行矫直；
（7）冷轧：将矫直后管坯进行冷轧变形；
（8）定尺检验：按照客户要求对管材定尺，定尺后的管材进行尺寸、探伤、压力测试、导电性项目的检测；
（9）条幅分解：将管材加热到T3，保温时间为M3完成分解。
2.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，步骤（2）中T1：1250~1300℃，保温时间M1：10~30min；所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
3.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，步骤（3）中所用冷却的循环水水温控制在20~35℃，流量控制在5~15m3/h，水压为0.2~0.4MPa。
4.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，步骤（3）中铸锭规格，直径控制在：φ150~250mm，长度控制在：1000~8000mm。
5.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，
步骤（5）T2：800~1000℃，保温时间M2：5~20min。
6.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，
步骤（7）中变形量控制在10~80%。
7.根据权利要求1所述一种高强耐磨铜合金管材的制备工艺，其特征在于，步骤（9）中T3：300~500℃，保温时间M3：0.5~8小时，所采用加热炉为惰性气体保护气氛加热炉，采用气体冷却至室温。
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