CN1116137C - 等轴细晶淬火表面及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种淬火表面，用于将熔融合金快速凝固以形成具有微晶或非晶态结构的合金条。该表面由导热性好的、具有均匀的由细致等轴重结晶晶粒组成的微观组织的合金构成。上述晶粒呈紧凑的高斯晶粒尺寸分布。

Description

等轴细晶淬火表面及其制造工艺

发明背景

发明领域

本发明涉及通过快速冷却熔融金属来生产金属带或金属丝的领域；更特别地，涉及获得快速淬火效果的表面的特性。人们惊奇地发现：一个具有细致的、等轴的、重结晶的微观组织的呈紧凑的高斯晶粒尺寸分布的淬火表面，可以改善快速凝固的金属条的表面光洁度。

现有技术描述

合金带的连续浇铸是通过在旋转的浇铸轮上沉积熔融合金来完成的。当熔融金属流变小并被轮子的运动淬火表面冷却时，合金条就形成了。因为是连续浇铸，轮子的淬火表面必须承受机械损伤，这种损伤可能源于浇铸过程中产生的热循环所引起的循环应力。可以采用一些方法来提高淬火表面的性能，其中包括使用具有高传热性和高机械强度的合金。例如各种铜合金、钢等。另一方面，象欧洲专利No.EP0024506所公开的那样，可以在浇铸轮淬火表面上镀各种镀层以提高其性能。在美国专利4,142,571中详细地阐述了一种合适的浇铸工艺，该专利公开内容在此作为参考。

现有技术中的浇铸轮淬火表面一般包括以下两种形式中的一种：单晶的形式或组合的形式。单晶的淬火表面由一块铸成了浇铸轮外形的合金实体块构成，该浇铸轮上可以提供冷却通道。组合的浇铸轮包括许多构成浇铸轮的片，在装配时将其组装成一个浇铸轮。正如美国专利NO.4,537,239中所公开的那样，本公开的浇铸轮淬火表面改进方法适用于所有的浇铸轮。

选择构成浇铸轮淬火表面的材料时，一般要考虑到某些机械性能，比如硬度、拉伸和屈服强度以及延伸率等，有时和导热性结合在一起考虑。考虑这些是为了获得某种给定合金的导热性和机械性能的尽可能的最佳组合。这样做有两重原因：1〕在浇铸时提供高度的淬火；2〕防止淬火表面的机械损伤，这种损伤降低了合金条的几何定型。为了研制出一种具有优异性能特点的淬火表面，还必须考虑到动态的或周期的机械性能。

选择材料不当的一个后果是由于凹坑的形成从而导致浇铸轮表面的迅速恶化。凹坑是一种细小的缺陷，一般在它们深到0.1mm时可以观察到；在铸造过程中它们沿纵深方向和径向生长。这些浇铸轮表面的不规则在浇铸带上引起了相应的缺陷：突起。这些突起不仅影响到浇铸带的表面光洁度，还影响到浇铸带在变压器铁心、防盗系统、钎焊物品等方面的应用效果。这些缺陷对快速淬火带的价值和客户的满意度的重要影响是显而易见的。

表面缺陷限制了浇铸轮淬火表面的寿命并且降低了浇铸带的表面质量。这进而降低了这些浇铸带对客户的可用性，客户的设计必须要说明与他可能得到的最差的浇铸带表面质量相关的特性的用途。即使在选择了机械和热特性好的材料时，比如铜(Cu)、铬(Cr)和铜(Cu)、铍(Be)类合金，浇铸轮的淬火表面光洁度也会快速恶化。

发明概述

本发明的目的在于提供一种在一更长时间内可抵抗快速恶化并能生产出具有一个无缺陷的表面的浇铸带的淬火表面及其制造工艺。

根据本发明的一个用于快速凝固熔融合金以形成具有微晶或非晶态组织的合金条的淬火表面，上述淬火表面由具有良好的导热性能的铜基合金构成，该合金的微观组织由细致的、等轴的、重结晶晶粒构成，上述晶粒的平均晶尺寸小于200μm，并且没有大于500μm的晶粒，上述晶粒具有紧凑的高斯晶粒尺寸分布。

根据本发明的一种制造一个用于快速凝固熔融合金以形成具有微晶或非晶态组织的合金条的淬火表面的工艺，所述工艺包括以下步骤：

a.提供一种导热性能良好的铜基合金；

b.将所述合金热侧锻成型；

c.将所述成型的合金钻孔；

d.将所述已钻孔的成型合金进行热锻，再进行冷锻，以达到所要求的浇铸轮的尺寸，其中在所述浇铸轮上形成淬火表面；

e.对所述淬火表面施加挤压然后进行环锻；以及

f.对所述淬火表面进行溶解热处理以产生由细粒的、等轴的、重结晶的晶粒组成的微观结构。

本发明提供了一种用于连续浇铸合金条的装置。一般来讲，该装置有一个包含一个快速运动着的淬火平面的浇铸轮，该淬火平面用以冷却沉积于其上的合金层使其快速凝固形成一条连续的合金条。淬火表面由传热性能好的合金构成，这种合金具有细致的、等轴的、重结晶的微观组织，并呈高斯晶粒分布。

本发明中的浇铸轮可以包括一种冷却装置以在熔融金属在其上沉积和淬火的这段时间里，使上述淬火表面基本保持恒温。在靠近淬火表面的地方安装有一个喷嘴以将熔融合金喷出。熔融合金由喷嘴喷至淬火表面的某个区域，在那里沉积下来，一个与喷嘴相连的容器中装有熔融的合金并将合金送到喷嘴处。

优选地，淬火表面由细致的等轴重结晶粒组成，晶粒呈紧凑高斯晶粒尺寸分布且平均的晶粒尺寸小于80μm。使用具有这些品质的淬火表面显著地提高了淬火表面的使用寿命。在淬火表面上进行浇铸的运行次数大大延长了，且每次运转期间浇铸的材料的量以3倍或更多的倍数增长。浇铸到淬火表面上的合金带上缺陷少得多了，因而压紧系数(％层迭结构)提高了，用这种合金带制成的电力分配变压器的效率也提高了。在两次浇铸之间，淬火表面的运转反应特别连贯。这使得相同期间的运行次数大体上是可重复的，从而使将维护工作列入计划更容易。有利地，在这种表面上快速凝固的合金带其屈服强度得到显著地提高，对表面的维护减到最小，同时工艺的可靠性提高了。

附图简述

本发明将通过下列描述并参照附图作出解释，从而使对本发明的理解更完整其更进一步的优越性也变得明显了，其中：

图1是用于连续浇铸金属带的装置的透视图；

图2示出了双峰晶粒尺寸分布(以大晶粒所占的面积百分比表示)，对具有传统淬火表面的热锻浇铸轮的寿命的影响；

图3是“好的”和“不好的”热锻浇铸轮的晶粒尺寸分布图，它示出了双峰晶粒尺寸分布；

图4示出了冷却加工程度对晶粒平均尺寸的影响；

图5示出了经如上述的冷加工后浇铸轮获得的晶粒尺寸分布；

图6是冷锻轮的显微照片，示出了重结晶的微观组织，晶粒的平均尺寸小于30μm。这种轮的标称浇铸带量为2.9；

图7是热锻轮的显微照片，晶粒平均尺寸小于30μm。这种轮的标称浇铸带量为1.7；

图8是冷锻时效轮的显微照片，晶粒平均尺寸小于30μm，这种轮的标称浇铸带量为0.3；

图9是通过挤压而得的晶粒尺寸分布，示出了紧凑的高斯晶粒尺寸分布。

发明详述

本文术语“非晶态金属合金”是指一种金属合金，其基本上缺乏任何长程有序特征，其特征是X光衍射强度最大，这与对液体或无机氧化玻璃的观察结果在性质上相似。

文中术语“微晶合金”是指一种晶粒尺寸小于10μm(0.0004英寸)的合金。优选地，这种合金的晶粒尺寸大约为100nm(0.000004英寸)～10μm(0.0004英寸)。最好的大约为1μm(0.00004英寸)～5μm(0.0002英寸)。

文中所用的“晶粒尺寸”由图象分析仪确定，通过图象分析可以直接观察经过抛光和正确腐蚀后露出晶界的合金试样。在试样上随机选定五个不同位置来确定平均晶粒尺寸。在所有场合放大倍数都要减小，以使试样上的最大晶粒完全包含在整个视野中。如果存在任何不确定性，那么就用不同的放大倍数来确定晶粒尺寸，以保证其不随放大倍数而改变。

文中术语“条”是指细长的条状物体，其横向尺寸远小于其长度。此“条”包括丝、带、薄板等，这些物体均具有规则或不规则的断面。

文中贯穿了说明书和权利要求的术语“快速凝固”是指金属的冷却速率至少为10⁴～10⁶℃/s的冷却过程。有多种快速凝固技术可用于制造本发明范围内的合金条，比如向一个激冷面上进行喷涂沉积、喷雾铸造和平面流铸造等。

文中术语“轮”是指这样的一个物体，它的断面基本上是圆的，(在轴向)有一个小于其直径的宽度。相反，辊子通常被理解为宽度小于其直径。

文中术语“导热性”是指淬火表面的导热系数大于40W/mK而小于400W/mK，优选地是大于60W/mK而小于400W/mK，最好是大于80W/mK而小于400W/mK。

文中术语“标称浇铸带量”是指相对于一个标准的浇铸轮而言，在一个具体的浇铸轮上可能浇铸出的合金带的数量/或质量。

文中术语“溶解热处理”是指把合金加热到一个所有合金添加元素都溶解了的温度。这通常引起重结晶，重结晶发生在合金添加元素溶解时。实际的溶解热处理温度取决于合金。铜铍(Cu、Be)合金25通常在745℃～810℃间溶解。经过溶解热处理后，合金被迅速冷却以保持合金添加元素的溶解状态。在这种情况下，合金既软又有韧性且易于加工。

文中术语“时效”是指在低温下暴露以使合金添加元素从经过溶解热处理的合金中沉淀出来。强化相的沉淀使合金硬化。优化时效时间和温度以获得最大的硬度和由此带来强度的提高。铜铍合金25通常要在260℃～370℃间时效1/2到4个小时。过多的时效时间会导致硬度、强度和韧性损失。由于铍铜合金通常在溶解热处理状态下就被出售掉，因此对铜铍合金的时效一般仅指“热处理”。

文中术语“高斯”是指一种处于一个平均值周围的标准正态分布。对于实施例中某些接近零的情况，其分布是正向倾斜的，因为晶粒尺寸不能有负值。出于简化在本文中这些情况依然是指高斯分布。

文中术语“紧凑的”是指在高斯分布或正态分布周围变化很小，术语“窄高斯分布”与“宽高斯分布”的意义相反。

在说明书和后续的权利要求中，以位于轮周边上的用作淬火表面的浇铸轮的一部分区域作为参照来描述本装置。可以认为本发明的原理适用于形状和结构与浇铸轮的形状和结构不同的淬火表面，比如带，或适用于浇铸轮状的物体。该轮上用作淬火平面区域处于轮面或别的位置，但不在轮的周边上。

本发明提供了一种用于快速凝固的淬火表面、一种使用淬火表面来快速凝固金属条的方法和一种制造淬火表面的方法。

在图1中标号10总指用来快速凝固金属条的装置。装置10上有一个安装在其纵轴上的圆形浇铸轮1，该轮可绕纵轴旋转，还有一个装熔融金属的容器2和一个感应线圈3。容器2和装在贴近轮状浇铸轮1的表面5处的开缝喷嘴4连在一起。容器2上还装有(未示出)用来挤压其内熔融金属的装置，以影响熔融金属通过喷嘴4时的喷射状态。在实际操作中，容器2中处于压力之下的熔融金属通过喷嘴4射到浇铸轮表面5上，在那里熔融金属凝固并形成条6。凝固之后，条6与浇铸轮分离并被从其上甩开，然后由绞车或其它合适的收集设备来收集(未示出)。

浇铸轮的淬火表面5的材料可能由铜或其它具有相对较高的导热系数的金属或合金构成。如果用于制造非晶态或亚稳态条，上述要求特别适用。构成表面5的优选材料包括沉淀硬化铜合金，比如铬铜或铍铜、弥散硬化合金以及无氧铜。如果需要，表面5可被高度抛光或镀铬等以获得具有光滑表面特性的条。为提供对侵蚀、腐蚀和热脆的额外防护，浇铸轮的表面可能被涂上一层合适的防护层或高熔点金属。典型地，陶瓷涂层或耐蚀涂层和高熔点金属涂层较为适用。这样可使浇到冷却面上的熔融金属或合金具有足够的浸润性。

浇铸轮在浇铸过程中移动时，熔融金属沉积到淬火表面上，会在表面附近产生很大的径向热梯度并产生周期热应力。这些影响在浇铸过程中会减弱淬火表面的机械性能。

我们发现，使用晶粒基本上不大于500μm、晶粒尺寸呈紧凑高斯分布的由细致的等轴重结晶组成的淬火表面，可以将上述机械性能减弱问题降到最小。铜基合金具有典型的双峰晶粒尺寸分布。事实上，铜基合金是美国测试测量协会晶粒尺寸标准(ASTME112)中唯一允许用两个尺寸来确定其平均晶粒尺寸的合金。在两个确定尺寸中，一个是细晶粒尺寸而另一个则是粗晶粒尺寸。这两个尺寸的典型值分别为100μm和600μm。对于铜合金而言，晶粒尺寸在5～1000μm之间是正常的。

通常由于双峰晶粒尺寸分布而出现在铜合金中的这种大晶粒尺寸对浇铸轮的寿命不利。笔者详细地研究了一系列通过热锻法制成的铜浇铸轮，发现所有这些铜浇铸轮都有ASTM晶粒尺寸在20～500μm之间的典型的双峰分布。可以通过量化双峰分布分程度及用图象分析仪将粗晶粒尺寸进行列表记录，以确定浇铸轮材料中尺寸超过250μm的晶粒所占的百分比。如图2所示，具有高粗晶百分比的热锻轮的标称浇铸带量值较小，而具有低粗晶百分比的浇铸轮的标称浇铸带量要大得多。图3描绘了“好的”和“不好的”浇铸轮上的晶粒尺寸分布。每一个“好的”和“不好的”浇铸轮均具有双峰分布。具有较高标称浇铸重量(1.4/0.04)的浇铸轮中粗晶更少。连续浇铸金属或合金条时，明显的粗晶和双峰晶粒尺寸分布对淬火表面的性能有害。在这些情况下，淬火表面性能下降产生的特殊方式是在表面里形成非常小的裂纹。结果，沉积的熔融金属或合金进入了这些小裂纹里，在里面凝固，当实际操作中浇铸条从淬火表面分离时，陷在裂纹中的合金被拉出来，同时粘附有淬火表面的材料。性能减弱的过程是退化的，随着时间的增长逐渐变得更差。淬火表面的裂纹和被拉出的点称为凹坑，而与此相对浇铸带底面上的突出物称为突起。

进一步减少粗晶区的面积对减少双峰分布是有利的。然而，采用传统的热锻工艺很难获得本质上100％的细晶。传统的热锻一般包括用间断的锤击将金属加工成圆形的淬火表面，为后续的用以提高其强度的热处理做好准备。这种机械加工方法的局限基本上是它的不连续增量的本质。那就是并不是淬火表面的所有的体积单元都得到一样的加工，结果是产生了双峰晶粒尺寸分布，在细晶基体上出现了粗晶。

因此，人们开始寻求替代的制造方法。这些方法包括向前和向后挤压、流动成形热锻和冷锻。几种加工方法提供了均匀的细晶微观组织。而其中的一些方法提高了轮子的寿命。人们惊奇地发现，甚至是极小的晶粒尺寸条件下(＜30μm)也可获得非常低的标称浇铸重量。即使晶粒尺寸细小一致，性能也依赖于晶粒内的微观组织。即使在每个轮的平均晶粒尺寸小于30μm且没有超过250μm的晶粒时，也能得到寿命为好的、中等或非常差的浇铸轮。

令人惊奇的是，采用形成细致、等轴、重结晶的晶粒并呈紧凑高斯分布的技术结果最好。这种微观组织的有利之处不仅在于能延长轮子的寿命，还包括了可以更好地使用设备及生产出具有优异表面的带状产品。用磁性合金生产合金带时，更高的表面光洁度提供了高的压紧系数，从而提供一种更有效的变压器。一旦能够有效地制造出无“突起”的合金带，那么与改善了的合金带质量相关的好处便大大提高了。

以下给出的几个实施例为本发明提供了更为完整的理解。用于阐明本发明原理及其实际应用的这些特定技术、条件、材料、比例和报告数据是示范性的。不应构成对本发明应用范围的限制。

实施例一

在700℃对一锭铜铍合金25进行热侧锻后钻孔，此后进行了热锻，最后冷锻成型，其尺寸为浇铸轮的尺寸。特别地，将坯段热锻至一中间尺寸然后冷缩30％达到轮子最终尺寸。图4示出了在标准的溶解热处理之前经过标准的热锻然后冷锻至不同收缩量的试样中的平均晶粒尺寸。所获得的晶粒尺寸在一个大的冷加工范围内保持不变，并且可以认为在图4中的范围之外也仅有轻微的变动。

在机加工到准确的轮子尺寸和公差之前，对30％冷加工的浇铸轮随后进行了标准溶解热处理和时效。最终的高斯晶粒尺寸分布如图5所示。这些细致的、等轴的和重结晶晶粒如图6中所示，它们使得这个轮子具有极长的寿命。图5和图6中所描述的浇铸轮的标称浇铸带量为2.9，这大约是图2中所示的“最好”的热锻轮的两倍。

在绝大多数场合，用这种轮子生产出的合金带没有突起，这使得它的层迭系数提高了。因此很明显，这种合金带是令人满意的。

用上述方法又制造出一些浇铸轮。在所有场合，轮子的微观组织由呈紧凑高斯分布晶粒尺寸的、细致的、等轴的重结晶晶粒组成。以标称浇铸合金带重量来衡量，这些轮子均表现出了优异的铸造性能，信息列在表1之中。

                                 表1

轮环标识	平均晶粒尺寸[微米]	微观组织	标称浇铸带量
				4-2	32	重结晶，等轴，高斯	3.0
4-3	38	重结晶，等轴，高斯	2.9
				4-5	35	重结晶，等轴，高斯	2.0
4-6	32	重结晶，等轴，高斯	3.3
				4-8	35	重结晶，等轴，高斯	3.1

表1中所报告的晶粒尺寸是通过轮子表面的塑性复制试样获取的，这种方法的优越之处在于它是一种无损技术。这种技术所得到的晶粒尺寸与本文所有其它晶粒尺寸的测量所使用破坏性技术相比稍大(～+10μm，与这些微观组织相比)。

实施例二

如实施例一中所述，在700℃对一锭铜铍合金25进行热侧锻并打孔。在这个实施例中，坯段被热锻至浇铸轮的最终尺寸。这样得到的微观组织均匀，平均晶粒尺寸非常小，不超过30μm。但是，由于没有经过冷作加工，晶粒并非全是等轴的，在晶粒中发现有退火孪晶，从形状上看，晶粒尺寸分布也不是高斯分布。图7示出了这种轮子的微观组织，即使浇铸轮的微观组织均匀并且晶粒尺寸非常细小(小于30μm)，轮子的标称浇铸合金带重量也仅为1.7。这个标称浇铸合金带重量远小于实施例一中所得到的值2.9。除了最终的冷作加工，实施例二中的轮子的加工方法与实施例一基本相同。

实施例三

和实施例一一样，在700℃对一锭铜铍合金25进行热侧锻后钻孔。将坯段热锻到中间尺寸然后进行30％的冷缩直到轮子的最终尺寸。冷作加工后，对材料进行时效。与实施例一中的溶解热处理和时效材料不同，在这里并未生成重结晶的微观组织。在这个实施例中，轮子具有细致均匀的微观组织，其中有高度变形的晶粒，平均晶粒尺寸为15μm，晶粒尺寸呈高斯分布且没有大于200μm的晶粒。图8中所示的这种均匀细致的微观组织可能被认为具有很高的标称浇铸合金带重量。但是，这种轮子的标称浇铸合金带重量值非常小，仅为0.3。这比晶粒尺寸大得多的标准轮子要小得多。

实施例一、二、三中所述的轮子的平均晶粒尺寸均小于30μm，但其微观组织非常不同。只有按照本发明的实施例一中的轮子有优异的铸造性能，它具有晶粒尺寸呈紧凑高斯分布的细致的、等轴的、重结晶晶粒的微观组织。

实施例四

浇铸轮通过直接热压管而形成。将一锭铜铍合金25热镦粗然后放入挤压容器中。在它还热的时候钻孔，钻至欲挤压管的内径处。钻孔之后，使坯段冷却下来了，对其进行检查然后重新加热到挤压温度650℃。选择挤压容器的尺寸以获得大约10∶1的收缩比，这样可以确保合金锭产生一样高的变形。对挤压管进行标准溶解热处理和时效，然后切开它，每一切块均制得与浇铸轮的准确尺寸和公差一样。

如图9所示，所得的微观组织是等轴的并呈紧凑高斯晶粒尺寸分布。晶粒重结晶并且没有与冷作、热作加工这种合金时相随而产生的位错。

实施例五

使用实施例四中所述的工序，对一锭铜铍合金25进行热镦粗、钻孔，然后向前挤压到管状，之后将此管冷流动成形至所需的浇铸尺寸，达到50％的收缩。如图4中所示，可以冷缩20％～70％以获得优化的晶体尺寸。对冷流动成形管进行标准溶解热处理、时效并加工到所需的公差。其微观组织有呈紧凑高斯晶粒尺寸的等轴晶组成，平均晶粒尺寸大约为30μm。

可以用其它的机械加工方法代替流动成形，其中一种是马鞍型扩孔锻造。这种方法可以获得重结晶晶粒，并呈非常紧凑的高斯晶粒尺寸分布。平均晶粒尺寸为20μm。这种轮子具有高的标称浇铸合金带重量值——2.0。另一种机加工方法是环锻，这种方法对圆形浇铸轮的每一体积元素都施加了连续的机械变形。这些连续变形的工艺产生了与本发明一致的相当细致的均匀的晶粒尺寸。

除了上述机加工方法之外，在机械变形各工艺之间或工艺过程中进行的各种热处理步骤，可能被用来促进加工和/或重结晶淬火表面，从而在淬火表面合金中产生硬化相。

经过对本发明进行如此全面而详细的描述，可以这样理解：不必严格遵守上述细节，但本领域技术人员可以对其进行变通和修正。所有包含在本发明范围之内的信息均如附加的权利要求中所述。

Claims (9)

1.一个用于快速凝固熔融合金以形成具有微晶或非晶态组织的合金条的淬火表面，上述淬火表面由具有良好的导热性能的铜基合金构成，该合金的微观组织由细致的、等轴的、重结晶晶粒构成，上述晶粒的平均晶尺寸小于200μm，并且没有大于500μm的晶粒，上述晶粒具有紧凑的高斯晶粒尺寸分布。

2.权利要求1所述的淬火表面，其特征在于，上述导热性良好的合金是沉淀硬化的铜合金。

3.权利要求1所述的淬火表面，其特征在于，上述导热性良好的合金是弥散硬化的铜合金。

4.权利要求1所述的淬火表面，其特征在于，上述导热性良好的合金是铍铜合金。

5.权利要求1所述的淬火表面，其特征在于，上述合金具有基本上均匀的微观组织，其平均晶粒尺寸小于100μm。

6.权利要求1所述的淬火表面，其特征在于，上述合金具有基本上均匀的微观组织，其平均晶粒尺寸小于30μm。

7.一种制造一个用于快速凝固熔融合金以形成具有微晶或非晶态组织的合金条的淬火表面的工艺，所述工艺包括以下步骤：

a.提供一种导热性能良好的铜基合金；

b.将所述合金热侧锻成型；

c.将所述成型的合金钻孔；

d.将所述已钻孔的成型合金进行热锻，再进行冷锻，以达到所要求的浇铸轮的尺寸，其中在所述浇铸轮上形成淬火表面；

e.对所述淬火表面施加挤压然后进行环锻；以及

f.对所述淬火表面进行溶解热处理以产生由细粒的、等轴的、重结晶的晶粒组成的微观结构。

8.权利要求7所述的工艺，其特征在于，在上述最终溶解热处理步骤和时效之前，在低温下对上述淬火表面进行了中等挤压比的挤压。

9.权利要求7所述的工艺，其特征在于，在上述最终溶解热处理步骤和时效之前，对上述淬火表面进行了热锻和冷锻。

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