CN113046594A - 一种高强高导热铜合金材料辊套及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高导热铜合金材料辊套其制备方法，由以下质量百分比的组分组成：Ni：2.2wt％～2.6wt％，Be：0.2wt％～0.6wt％，Si：0.2wt％～0.6wt％，Mg：0.07wt％～0.17wt％，Ca：0.04wt％～0.10wt％，Ag：0.01wt％～0.05wt％，La：0.1wt％～0.3wt％，Co：0.01wt％～0.03wt％，Al：0.1wt％～0.5wt％，Cd：0.1wt％～0.5wt％，余量为Cu。本发明通过Ni的固溶强化、微合金化细化组织和第二相，从而获得综合性能优异的高强高导热Cu‑Be系合金材料。

Description

一种高强高导热铜合金材料辊套及其制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属技术领域，尤其是涉及一种高强高导热铜合金材料辊套及其制备方法。
背景技术
性能优良的铸轧机是实现金属带坯连续铸轧的技术保障，而铸轧机辊套是决定铸轧机性能的关键部件。在工业铸轧过程中，铸轧辊起结晶器与热轧辊双重作用，辊套处于铸轧辊外层，它和液体金属相接触，这就要求辊套材料具有优异的导热、强度、硬度、抗热疲劳、耐腐蚀性能。传统的铸轧辊套材料是含Cr、Ni、Mo、等元素的中低碳合金钢，具有相对良好的综合性能，在过去几十年的铸轧工业中发挥了重要作用。但是钢辊套的共同缺点是导热系数低(30W/m·K左右)，限制了铸轧速率的提高和铸轧合金的种类。
因此为发展新一代连续铸轧技术，提高铸轧速度和铸轧能力，提升产品质量，需要寻求既具有高导热能力又具有良好力学性能的辊套材料。已知铜及其合金是具有较高导热性能的金属材料(纯铜的导热系数为401W/m K)，但是普通铜合金的强度和抗热疲劳等性能不能满足辊套材料的要求。近年来国内外的研究发现，铍铜合金的力学性能最接近辊套材料的要求，而且其导热系数是钢的数倍，但过量Be固溶于铜基体时会大幅降低导热性能。目前国内铸轧辊套用铜铍合金主要是高铍铜合金，高铍铜合金强度高，而延伸率、软化温度、导热率相对较低；低铍铜合金强度低，而延伸率、软化温度、导热率则相对较高。铍铜合金在熔炼制备时Be挥发性强且易氧化，不但对人体有害还对环境造成很大污染，因此，在低铍铜合金的基础上研发高性能多元铜合金是先进辊套材料的发展方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高强高导热铜合金材料辊套及其制备方法，通过Be、Ni等元素的固溶强化、微合金化细化组织和第二相，从而获得综合性能优异的高强高导热Cu-Be系合金材料的辊套。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强高导热铜合金材料辊套，由以下质量百分比的组分组成：Ni：2.2wt％～2.6wt％，Be：0.2wt％～0.6wt％，Si：0.2wt％～0.6wt％，Mg：0.07wt％～0.17wt％，Ca：0.04wt％～0.10wt％，Ag：0.01wt％～0.05wt％，La：0.1wt％～0.3wt％，Co：0.01wt％～0.03wt％，Al：0.1wt％～0.5wt％，Cd：0.1wt％～0.5wt％，余量为Cu。
优选的，由以下质量百分比的组分组成：Ni：2.2wt％，Be：0.4wt％，Si：0.4wt％，Mg：0.12wt％，Ca：0.07wt％，Ag：0.03wt％，La：0.2wt％，Co：0.02wt％，Al：0.3wt％，Cd：0.3wt％，余量为Cu。
优选的，Ni：2.3wt％，Be：0.6wt％，Si：0.6wt％，Mg：0.17wt％，Ca：0.10wt％，Ag：0.05wt％，La：0.3wt％，Co：0.03wt％，Al：0.5wt％，Cd：0.5wt％，余量为Cu。
优选的，所述Ni的质量百分比为：Ni：2.4wt％～2.5wt％。
一种高强高导热铜合金材料辊套的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至280～320℃保温2～3min；然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至750～800℃保温1～5min；然后继续升温至1150～1250℃保温5～10min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭；
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5～10h，随后炉冷至室温；
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品；
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品；
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为900℃～960℃，保温时间为0.5～3h，随后迅速冷却至室温；
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为500℃～550℃，时间为0.1～8h，随后空冷至室温，即得。
优选的，所述步骤5中，固溶处理温度为920℃～950℃。
优选的，所述步骤6，时效处理温度为520℃～530℃，时间为6～7h。
本发明的有益效果是：
本发明通过优化合金成分以及与成分相匹配的形变时效工艺，得到成分合理、强度高、导热性好、耐蚀性好的Cu-Be系合金材料。采用优化合金成分、形变热处理工艺等方法，通过Ni的固溶强化、微合金化细化组织和第二相，从而获得综合性能优异的高强导热Cu-Ni系合金。
为了实现强度和导热配合，除Cu外的元素含量处于低水平。添加Ni、Co、Mg等合金元素，具有可延迟过时效、使析出相均匀弥散分布的作用，对提高铍铜合金综合性能具有明显作用。添加Ni元素与Be可形成NiBe和Ni5Be21相，能明显提高铍铜合金的沉淀强化作用；另外，添加Ni元素可使Be在α-Cu固溶体中的溶解度下降，可明显促进在铜基体中形成纳米级弥散分布的NiBe相，同时也在一定程度上降低铜基体中Be含量，进而提高铍铜合金的强度和导热性能。加入Si可以在Cu基体中析出大量弥散纳米级球状Ni2Si第二相粒子，且质硬而脆，当它以纳米级尺度细小弥散地分布在Cu基体中，能够有效地阻碍位错运动，大大提高合金的抗拉强度。添加Co元素可与Be形成CoBe和Co5Be21相，抑制晶界不连续析出，阻碍析出相和基体晶粒的长大，延缓合金过时效，显著提高合金的析出强化作用。Ag能够阻碍进一步抑制Mg析出相的聚集长大，细化析出相，抑制过时效的发生，增强弥散强化效果，能够在不恶化导热性能的情况下，提高合金力学性能。稀土在铜合金中的作用主要有细化晶粒,提高塑性和强度；可以与铅和铋形成高熔点化合物，能消除有害杂质的影响，提高铜合金的导热性能。
本发明的制备方法中Be、Ca及La以中间合金的方式添加，避免单质Be直接加热产生有毒性的氧化铍，减少单质直接熔炼产生的损耗，且缩短熔化时间。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
本实施例的一种高强高导热铜合金材料辊套，其组分含量为：Ni：2.2wt％，Be：0.2wt％，Si：0.2wt％，Mg：0.07wt％，Ca：0.04wt％，Ag：0.01wt％，La：0.1wt％，Co：0.01wt％，Al：0.1wt％，Cd：0.1wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
本实施例的高强高导热铜合金材料辊套的制备方法步骤如下：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至310℃保温2min。然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至770℃保温1min。然后继续升温至1250℃保温5min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭。低熔点的镁在低温时加入熔炼可以降低损耗率。
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5h，随后炉冷至室温。
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品。
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品。
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为920℃，保温时间为1h，随后迅速冷却至室温。
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为520℃，时间为0.2h，随后空冷至室温，即得。
本发明的固溶处理温度可采用900℃～960℃。高温下长时间保温使掺杂元素充分融入铜基体，随后淬火获得过饱和固溶体。固溶温度过低元素无法充分混合，影响后续时效处理，固溶温度过高会导致晶粒粗大，降低强度和导热性。
本发明时效处理温度可采用500℃～550℃，时间为0.1～8h。时效初期时效温度低、时效时间短，材料内析出相数量少，强度高但塑韧性和导热性差，强化效果不明显，随着时效进行溶质析出形成第二相，且逐渐形成细小晶粒，强度略有降低但导热、塑韧性提高即峰时效，继续时效析出的第二相粒子和晶粒长大，强度塑韧性降低出现过时效。
本实施例1中的铜合金材料辊套的抗拉强度726MPa，屈服强度640MPa，硬度220HV，导热系数205W/m K，延伸率5.1％。
实施例2：
本实施例的一种高强高导热铜合金材料辊套，其组分含量为：
Ni：2.2wt％，Be：0.4wt％，Si：0.4wt％，Mg：0.12wt％，Ca：0.07wt％，Ag：0.03wt％，La：0.2wt％，Co：0.02wt％，Al：0.3wt％，Cd：0.3wt％，其余为Cu和不可避免的杂质。
本实施例的高强高导热铜合金材料辊套的制备方法步骤如下：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至310℃保温2.5min。然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至770℃保温3min。然后继续升温至1250℃保温7min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭；
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5h，随后炉冷至室温；
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品；
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品；
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为935℃，保温时间为2h，随后迅速冷却至室温；
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为535℃，时间为2h，随后空冷至室温；
所得实施例2中的铜合金辊套材料的抗拉强度851MPa，屈服强度760MPa，硬度262HV，导热系数223W/m K，延伸率5.0％。
实施例3：
本实施例提供的一种高强高导热铜合金材料辊套，其组分含量为：Ni：2.4wt％，Be：0.6wt％，Si：0.6wt％，Mg：0.17wt％，Ca：0.10wt％，Ag：0.05wt％，La：0.3wt％，Co：0.03wt％，Al：0.5wt％，Cd：0.5wt％，其余为Cu和不可避免的杂质。
本实施例提供的高强高导热铜合金材料辊套的制备方法步骤如下：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至310℃保温3min。然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至770℃保温5min。然后继续升温至1250℃保温10min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭；
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5h，随后炉冷至室温；
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品；
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品；
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为950℃，保温时间为3h，随后迅速冷却至室温；
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为550℃，时间为4h，随后空冷至室温；
所得实施例3中的铜合金辊套材料的抗拉强度896MPa，屈服强度812MPa，硬度280HV，导热系数160W/m K，延伸率4.7％。
实施例4：
一种高强高导热铜合金材料辊套，其组分含量为：Ni：2.3wt％，Be：0.6wt％，Si：0.6wt％，Mg：0.17wt％，Ca：0.10wt％，Ag：0.05wt％，La：0.3wt％，Co：0.03wt％，Al：0.5wt％，Cd：0.5wt％，其余为Cu和不可避免的杂质。
本实施例的高强高导热铜合金材料辊套的制备方法步骤如下：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至300℃保温3min。然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至800℃保温5min。然后继续升温至1200℃保温10min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭；
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5h，随后炉冷至室温；
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品；
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品；
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为920℃，保温时间为2h，随后迅速冷却至室温；
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为520℃，时间为7h，随后空冷至室温；
所得实施例4中的铜合金辊套材料的抗拉强度872MPa，屈服强度789MPa，硬度271HV，导热系数172W/m·K，延伸率4.9％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高强高导热铜合金材料辊套，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Ni：2.2wt％～2.6wt％，Be：0.2wt％～0.6wt％，Si：0.2wt％～0.6wt％，Mg：0.07wt％～0.17wt％，Ca：0.04wt％～0.10wt％，Ag：0.01wt％～0.05wt％，La：0.1wt％～0.3wt％，Co：0.01wt％～0.03wt％，Al：0.1wt％～0.5wt％，Cd：0.1wt％～0.5wt％，余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的一种高强高导热铜合金材料辊套，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Ni：2.2wt％，Be：0.4wt％，Si：0.4wt％，Mg：0.12wt％，Ca：0.07wt％，Ag：0.03wt％，La：0.2wt％，Co：0.02wt％，Al：0.3wt％，Cd：0.3wt％，余量为Cu。
3.根据权利要求1所述的一种高强高导热铜合金材料辊套，其特征在于：Ni：2.3wt％，Be：0.6wt％，Si：0.6wt％，Mg：0.17wt％，Ca：0.10wt％，Ag：0.05wt％，La：0.3wt％，Co：0.03wt％，Al：0.5wt％，Cd：0.5wt％，余量为Cu。
4.根据权利要求1所述的一种高强高导热铜合金材料辊套，其特征在于：所述Ni的质量百分比为：Ni：2.4wt％～2.5wt％。
5.根据权利要求1所述的一种高强高导热铜合金材料辊套的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，各原料打磨氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Ni、Cu-3.8Be中间合金、Cu-4.5Ca中间合金、Cu-20La中间合金、Si、Co、Al、Cd、Ag及Cu加入真空熔炼炉中，抽真空后通氩气入真空熔炼炉，随后通入电流升温至280～320℃保温2～3min；然后将镁加入真空熔炼炉后，通入电流升温至750～800℃保温1～5min；然后继续升温至1150～1250℃保温5～10min将各原料熔化均匀，并浇注得到圆柱铸锭；
步骤2，对铸锭铣面后进行均匀化处理，均匀化处理温度为950℃，控制时间为5～10h，随后炉冷至室温；
步骤3，900℃保温1h后对铸锭进行锻压形成圆饼状结构，得到辊套半成品；
步骤4，将辊套半成品放入冲孔机中进行冲孔，得到圆环，再将圆环进行整形得到辊套初成品；
步骤5，除去均匀化处理后表面的氧化皮，在气体保护炉中进行固溶处理，固溶处理温度为900℃～960℃，保温时间为0.5～3h，随后迅速冷却至室温；
步骤6，在气体保护炉中对固溶处理后的辊套进行时效处理，时效处理温度为500℃～550℃，时间为0.1～8h，随后空冷至室温，即得。
6.根据权利要求5所述的一种高强高导热铜合金材料辊套的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，固溶处理温度为920℃～950℃。
7.根据权利要求5所述的一种高强高导热铜合金材料辊套的制备方法，其特征在于：所述步骤6，时效处理温度为520℃～530℃，时间为6～7h。
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