CN110964943B - 一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法 - Google Patents

一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法。本发明特征在于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。本发明包括以下步骤：配料、熔炼、成分分析、精炼、温度控制、烫炉头和浇管、铸造、拉坯。优点在于：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；采用半连续铸造彻底解决了模型铸造好水平连铸过程中的缩松和缩孔缺陷的问题；偏析缺陷减少的比较明显，生产效率提高较大。

Description

一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法。
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半连续铸造工艺，只有水平连铸工艺，该工艺铸机水平放置、金属液静压力小，凝固过程中，钢水补缩不足，铸坯中心易出现缩孔或缩松缺陷。因为铜镍锡合金中Sn和Cu的熔点相差较大，因此易在三个阶段出现Sn的成分偏析：(1)随着合金液的温度下降其内部成分平衡移动时生成富锡相；(2)合金液凝固过程中在树枝晶间生成富锡相；(3)合金凝固后的冷却过程中由于溶解度变化而析出的富锡相缺项。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，解决或避免熔炼铸造方法生产铸锭时严重的Sn偏析问题以及铸锭缩松或缩孔缺陷，提供了一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法。
解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，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，对原料进行烘干；
(2)熔炼：在熔炼炉中先加入电解铜，再添加烘烤后的锻烧木炭覆盖，然后加电解镍和锡锭，最后加入铌和电解锰，均匀搅拌；
(3)成分分析：在所有物料均熔化完毕，均匀搅拌后，静置5～20分钟，于铜水液面以下100～200mm取样对其进行成分分析；
(4)精炼：用捞渣器反复搅拌金属液，并捞出金属液表面的浮渣，重复上述操作3～5次；
(5)温度控制：调节功率，将铜液温度控制在1250～1300℃；
(6)烫炉头和浇管：采用下内孔为
Figure BDA0002326261560000021
的浇管进行浇铸，要求炉头烫烘，黏结炉头的铜全部融化，碗底周边残铜需全部熔化，方可进行铸造；
(7)铸造：铸锭规格为
Figure BDA0002326261560000022
单线铸造，采用高度为：150～300mm，内径为
Figure BDA0002326261560000023
的石墨结晶器，结晶器液面全程采用碳黑覆盖，直至拉出结晶器；
(8)拉坯：保持结晶器液面平稳，严禁液面溢出结晶器面，浇管保持在结晶器正中，铸坯插入金属液深度为10～20mm，正常拉坯速50～200mm/min，铸坯长度为1000～8000mm，冷却水水温控制在20～35℃，流量控制在5～15m3/h，水压为0.2～0.4MPa。
进一步地，步骤(2)中电解铜、镍板烘干温度为700～900℃，时间为1～4小时
进一步地，步骤(2)中木炭烘烤温度为110～130℃，时间为1～4小时。
进一步地，步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
进一步地，步骤(6)中所用浇管材质为石墨。
进一步地，步骤(8)保持结晶器液面距上口10～20mm，开始浇铸时，浇铸过程中需补充少量碳黑以保证该覆盖层的完整。
本发明主要的工作在于：
1.温度的控制。必须在第五步温度控制中控制温度在1250～1300℃区间内，温度过高凝固时间长易出现偏析，温度过低金属液流动性差会造成缩松或缩孔缺陷。
2.保护熔炼和浇铸。炉头用锻烧木炭覆盖金属液，结晶器液面覆盖用碳黑，保证了金属液与空气隔绝。
3.冷却控制。冷却速度过大容易造成铸坯表面裂纹，冷却速度小，铸坯会产生偏析。
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)本发明采用半连续铸造彻底解决了模型铸造好水平连铸过程过程中的缩松和缩孔缺陷的问题。
(3)本发明相对于传统铸造工艺，偏析缺陷减少的比较明显。
(4)本发明相对于传统铸造工艺，生产效率提高较大。
附图说明
图1为一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法的流程图。
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
本实施例一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，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％
按各原料的质量百分比称取相应的原料，对原料进行烘干；
(2)熔炼：在熔炼炉中先加入电解铜，再添加烘烤后的锻烧木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌；
(3)成分分析：在所有物料均熔化完毕，均匀搅拌后，静置5分钟，于铜水液面以下100mm取样；
(4)精炼：用捞渣器反复搅拌金属液，并捞出金属液表面的浮渣，反复进行3次；
(5)温度控制：调节功率，将铜液温度控制在1250℃；
(6)烫炉头和浇管：采用下内孔为
Figure BDA0002326261560000031
浇管进行浇铸，要求炉头烫烘，黏结炉头的铜全部融化，特别是碗底周边残铜全部熔化，方可进行铸造；
(7)铸造：铸锭规格为
Figure BDA0002326261560000032
单线铸造，采用石墨结晶器，高度150mm，内径
Figure BDA0002326261560000033
结晶器液面全程采用碳黑覆盖，直至拉出结晶器。
(8)拉坯：保持结晶器液面平稳，严禁液面溢出结晶器面，浇管保持在结晶器正中，插入金属液深度10mm，正常拉坯速50mm/min，铸坯长度为1000mm，冷却水水温控制在20℃，流量控制在5m3/h，水压为0.2MPa。
步骤(1)中电解铜、镍板烘烤温度为700～900℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中木炭烘烤温度为110～130℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(6)中所用浇管材质为石墨。
步骤(8)保持结晶器液面距上口10～20mm，开始浇铸时，浇铸过程中需补充少量碳黑以保证该覆盖层的完整。
实施例2
本实施例一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，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/T728-2010 8.00％
铌条 Nb1 GB/T14842-2007 0.20％
电解锰 JMn98 GB/T2774-2008 0.20％
按各原料的质量百分比称取相应的原料，对原料进行烘干；
(2)熔炼：在熔炼炉中先加入电解铜，再添加烘烤后的锻烧木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌；
(3)成分分析：在所有物料均熔化完毕，均匀搅拌后，静置10分钟，于铜水液面以下150mm取样；
(4)精炼：用捞渣器反复搅拌金属液，并捞出金属液表面的浮渣，反复进行4次；(5)温度控制：调节功率，将铜液温度控制在1280℃；
(6)烫炉头和浇管：采用下内孔为
Figure BDA0002326261560000041
浇管进行浇铸，要求炉头烫烘，黏结炉头的铜全部融化，特别是碗底周边残铜全部熔化，方可进行铸造；
(7)铸造：铸锭规格为
Figure BDA0002326261560000042
单线铸造，采用石墨结晶器，高度200mm，内径
Figure BDA0002326261560000043
结晶器液面全程采用碳黑覆盖，直至拉出结晶器。
(8)拉坯：保持结晶器液面平稳，严禁液面溢出结晶器面，浇管保持在结晶器正中，插入金属液深度15mm，正常拉坯速100mm/min，铸坯长度为4000mm，冷却水水温控制在25℃，流量控制在10m3/h，水压为0.34MPa。
步骤(1)中电解铜、镍板烘烤温度为700～900℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中木炭烘烤温度为110～130℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(6)中所用浇管材质为石墨。
步骤(8)保持结晶器液面距上口10～20mm，开始浇铸时，浇铸过程中需补充少量碳黑以保证该覆盖层的完整。
实施例3
本实施例一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，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/T 467-2010 76.45％
电解镍 Ni99.95 GB/T 6515-2010 16.00％
锡锭 Sn99.95 GB/T 728-2010 7.00％
铌条 Nb1 GB/T 14842-2010 0.15％
电解锰 JMn98 GB/T 2774-2010 0.40％
按各原料的质量百分比称取相应的原料，对原料进行烘干；
(2)熔炼：在熔炼炉中先加入电解铜，再添加烘烤后的锻烧木炭覆盖，再加电解镍和锡锭，后加入铌和电解锰，均匀搅拌；
(3)成分分析：在所有物料均熔化完毕，均匀搅拌后，静置20分钟，于铜水液面以下200mm取样；
(4)精炼：用捞渣器反复搅拌金属液，并捞出金属液表面的浮渣，反复进行5次；
(5)温度控制：调节功率，将铜液温度控制在1300℃；
(6)烫炉头和浇管：采用下内孔为
Figure BDA0002326261560000051
浇管进行浇铸，要求炉头烫烘，黏结炉头的铜全部融化，特别是碗底周边残铜全部熔化，方可进行铸造；
(7)铸造：铸锭规格为
Figure BDA0002326261560000052
单线铸造，采用石墨结晶器，高度1300mm，内径
Figure BDA0002326261560000053
结晶器液面全程采用碳黑覆盖，直至拉出结晶器。
(8)拉坯：保持结晶器液面平稳，严禁液面溢出结晶器面，浇管保持在结晶器正中，插入金属液深度20mm，正常拉坯速5200mm/min，铸坯长度为8000mm，冷却水水温控制在35℃，流量控制在15m3/h，水压为0.4MPa。
步骤(1)中电解铜、镍板烘烤温度为700～900℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中木炭烘烤温度为110～130℃，时间为1～4小时。
步骤(2)中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
步骤(6)中所用浇管材质为石墨。
步骤(8)保持结晶器液面距上口10～20mm，开始浇铸时，浇铸过程中需补充少量碳黑以保证该覆盖层的完整。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，其均应涵盖在本求范围当中。

Claims (6)

1.一种采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，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，对原料进行烘干；
（2）熔炼：在熔炼炉中先加入电解铜，再添加烘烤后的锻烧木炭覆盖，然后加电解镍和锡锭，最后加入铌和电解锰，均匀搅拌；
（3）成分分析：在所有物料均熔化完毕，均匀搅拌后，静置5~20分钟，于铜水液面以下100~200mm取样对其进行成分分析；
（4）精炼：用捞渣器反复搅拌金属液，并捞出金属液表面的浮渣，重复这一步骤记载的操作3~5次；
（5）温度控制：调节功率，将铜液温度控制在1250～1300℃；
（6）烫炉头和浇管：采用下内孔为φ5~15mm的浇管进行浇铸，要求炉头烫烘，黏结炉头的铜全部融化，碗底周边残铜需全部熔化，方可进行铸造；
（7）铸造：铸锭规格为φ150~250mm，单线铸造，采用高度为150~300mm，内径为φ152~260mm的石墨结晶器，结晶器液面全程采用碳黑覆盖，直至拉出结晶器；
（8）拉坯：保持结晶器液面平稳，严禁液面溢出结晶器面，浇管保持在结晶器正中，铸坯插入金属液深度为10～20mm，正常拉坯速50~200mm/min，铸坯长度为1000~8000mm，冷却水水温控制在20~35℃，流量控制在5~15m3/h，水压为0.2~0.4MPa。
2.根据权利要求1所述采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，其特征在于，步骤（1）中电解铜、镍板烘干温度为700~900℃，时间为1~4小时。
3.根据权利要求1所述采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，其特征在于，步骤（2）中木炭烘烤温度为110~130℃，时间为1~4小时。
4.根据权利要求1所述采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，其特征在于，步骤（2）中所用熔炼炉为工频感应熔炼炉。
5.根据权利要求1所述采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，其特征在于，步骤（6）中所用浇管材质为石墨。
6.根据权利要求1所述采用半连续铸造生产高强铜合金的方法，其特征在于，步骤（8）保持结晶器液面距上口10~20mm，开始浇铸时，浇铸过程中需补充少量碳黑以保证覆盖层的完整。
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