CN111020285B - 一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法。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%，余量为铜和其他杂质。本发明包括以下步骤：配料、铸模烘干、装炉、抽真空、熔炼、出炉、保温、冷却。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；采用真空感应熔炼工艺比连铸工艺生产的合金纯度更高，夹杂物减少；对模具和铸锭采用了上半部保温下半部冷却的工艺，即避免了或减少了缩松和缩孔缺陷，又保证加快铸锭冷却速度，从而减少了偏析缺陷。

Description

一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法。
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Ti，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大规格铜镍锡铸锭的生产工艺，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。同时该合金膨胀系数偏高，导致浇注大铸锭时易产生缩松和缩孔缺陷。所以浇注过程中必须解决上述问题。
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，提供了一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法。
解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，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％，余量为铜和其他杂质，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)、铸模烘干：将铸铁模具装入到烘干炉内加热至温度T1，烘干时间H1，且所述T1为700～900℃，H1为1～4小时；
(3)、装炉：先装入锡锭，将剪切好铺平整个坩埚底部，锡锭上方加入电解镍，在坩埚中间部位加入铌，最后加入电解铜，电解锰采用上位料仓加入，模具加入到真空感应炉内；
(4)、抽真空：采用真空感应熔炼合金，先将真空度抽至1×10-3Pa，然后充氩气至0.8～0.95×105Pa，再抽真空至1×10-3Pa，如此反复三次；
(5)、熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，待坩埚内的合金全部熔化后，精炼10～20分钟，降低功率，待合金液表面结膜后，充氩气至0.8～0.95×105Pa，在上位料仓加入锰合金，在T2温度出炉浇铸，且所述氩气为99.99％高纯氩气，T2为1250～1280℃；
(6)、出炉：浇注完成后，立刻取出模具和铸锭；
(7)、保温：将加热到T3温度的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具，且所述T3为1000～1200℃
(8)、冷却：模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，直至冷却到室温进行脱模。
本发明主要的工作在于：
1.温度的控制。必须控制温度在1250～1280℃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.保温控制。采用加热到1000～1200℃的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具，便于保持金属液的流动性，方便铸锭补缩，避免或减少缩松和缩孔缺陷。
3.冷却控制。模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，加快铸锭冷却速度，从而减少偏析缺陷。
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)本发明采用真空感应熔炼工艺比连铸工艺生产的合金纯度更高，夹杂物减少。
(3)本发明对模具和铸锭采用了上半部保温下半部冷却的工艺，即避免了或减少了缩松和缩孔缺陷，又保证加快铸锭冷却速度，从而减少了偏析缺陷。
附图说明
图1为一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法的流程图。
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％
(2)铸模烘干：将铸铁模具装入到烘干炉内加热至900℃，烘干1小时；
(3)装炉：先装入锡锭，将剪切好铺平整个坩埚底部，锡锭上方加入电解镍，在坩埚中间部位加入铌，最后加入电解铜，电解锰采用上位料仓加入，模具加入到真空感应炉内；抽真空：采用真空感应熔炼合金，先将真空度抽至1×10-3Pa，然后充氩气至0.9×105Pa，再抽真空至1×10-3Pa，如此反复三次；
(4)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，待坩埚内的合金全部熔化后，精炼10分钟，降低功率，待合金液表面结膜后，充氩气至0.8×105Pa，在上位料仓加入锰合金，在1280℃出炉浇铸；
(5)出炉：浇注完成后，立刻破真空，取出模具和铸锭；
(6)保温：将加热到1200℃的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具；
(7)冷却：模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，直至冷却到室温进行脱模。
步骤(3)中所采用熔炼炉为真空熔炼炉
步骤(5)中所采用氩气纯度为99.99％高纯氩气。
步骤(5)中所采用测温为红外测温系统。
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/T 728-2010 8.00％
铌条 Nb1 GB/T 14842-2007 0.20％
电解锰 JMn98 GB/T 2774-2008 0.20％
(2)铸模烘干：将铸铁模具装入到烘干炉内加热至800℃，烘干2小时；
(3)装炉：先装入锡锭，将剪切好铺平整个坩埚底部，锡锭上方加入电解镍，在坩埚中间部位加入铌，最后加入电解铜，电解锰采用上位料仓加入，模具加入到真空感应炉内；
(4)抽真空：采用真空感应熔炼合金，先将真空度抽至1×10-3Pa，然后充氩气至0.85×105Pa，再抽真空至1×10-3Pa，如此反复三次；
(5)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，待坩埚内的合金全部熔化后，精炼10分钟，降低功率，待合金液表面结膜后，充氩气至0.8×105Pa，在上位料仓加入锰合金，在1250℃出炉浇铸；
(6)出炉：浇注完成后，立刻破真空，取出模具和铸锭；
(7)保温：将加热到1100℃的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具；
(8)冷却：模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，直至冷却到室温进行脱模。
步骤(3)中所采用熔炼炉为真空熔炼炉
步骤(5)中所采用氩气纯度为99.99％高纯氩气。
步骤(5)中所采用测温为红外测温系统。
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 Ni99.96 GB/T 6515-2010 16％
锡锭 Sn99.97 GB/T 728-2010 7％
铌条 Nb1 GB/T 14842-2007 0.15％
电解锰 JMn98 GB/T 2774-2008 0.40％
(2)铸模烘干：将铸铁模具装入到烘干炉内加热至700℃，烘干4小时；
(3)装炉：先装入锡锭，将剪切好铺平整个坩埚底部，锡锭上方加入电解镍，在坩埚中间部位加入铌，最后加入电解铜，电解锰采用上位料仓加入，模具加入到真空感应炉内；
(4)抽真空：采用真空感应熔炼合金，先将真空度抽至1×10-3Pa，然后充氩气至0.8×105Pa，再抽真空至1×10-3Pa，如此反复三次；
(5)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，待坩埚内的合金全部熔化后，精炼10分钟，降低功率，待合金液表面结膜后，充氩气至0.8×105Pa，在上位料仓加入锰合金，在1250℃出炉浇铸；
(6)出炉：浇注完成后，立刻破真空，取出模具和铸锭；
(7)保温：将加热到1150℃的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具；
(8)冷却：模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，直至冷却到室温进行脱模。
步骤(3)中所采用熔炼炉为真空熔炼炉
步骤(5)中所采用氩气纯度为99.99％高纯氩气。
步骤(5)中所采用测温为红外测温系统。
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 (1)

1.一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，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%，余量为铜和其他杂质；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）、铸模烘干：将铸铁模具装入到烘干炉内加热至温度T1，烘干时间H1，且所述T1为700~900℃，H1为1~4小时；
（3）、装炉：先装入锡锭，将剪切好铺平整个坩埚底部，锡锭上方加入电解镍，在坩埚中间部位加入铌，最后加入电解铜，电解锰采用上位料仓加入，模具加入到真空感应炉内；
（4）、抽真空：采用真空感应熔炼合金，先将真空度抽至1×10-3Pa，然后充氩气至0.8~0.95×105Pa，再抽真空至1×10-3Pa，如此反复三次；
（5）、熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，待坩埚内的合金全部熔化后，精炼10~20分钟，降低功率，待合金液表面结膜后，充氩气至0.8~0.95×105Pa，在上位料仓加入锰合金，在T2温度出炉浇铸，且所述氩气为99.99%高纯氩气，T2为1250～1280℃；
（6）、出炉：浇注完成后，立刻取出模具和铸锭；
（7）、保温：将加热到T3温度的保温棉盖住铸锭的帽口和上半部模具，且所述T3为1000~1200℃；
（8）、冷却：模具和铸锭的下半部采用大功率轴流风机进行冷却，直至冷却到室温进行脱模。
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