CN113333696B - 一种CuAlFeNi结晶器铜板背板及其母材与加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种CuAlFeNi结晶器铜板背板及其母材与加工方法，属于结晶器铜板背板母材加工技术领域。该加工方法包括：对由背板母材的加工原料加工得到的铜锭进行锻造、均匀化退火及去应力退火；均匀化退火于840‑940℃的条件下处理1.5‑2.5h；去应力退火于300‑550℃的条件下处理3‑5h。加工原料的元素组成包括79‑86wt％Cu、7‑12wt％Al、3‑8wt％Fe以及3‑8wt％Ni。该方法能有效提高结晶器铜板背板母材的硬度和抗变形能力。所得的结晶器铜板背板母材硬度和抗变形能力均较高，相应的结晶器铜板背板与铜板和水箱的结合面变形低，利于高拉速生产线使用。

Description

一种CuAlFeNi结晶器铜板背板及其母材与加工方法

技术领域

本发明涉及结晶器铜板背板母材加工技术领域，具体而言，涉及一种CuAlFeNi结晶器铜板背板及其母材与加工方法。

背景技术

随着连铸的发展，连铸用的结晶器背板材质主要是不锈钢、碳钢等，但是碳钢虽然价格便宜但是不耐腐蚀，在使用一段时间后水槽内壁及结合面出现腐蚀问题，导致使用寿命大幅降低。不锈钢材质较碳钢更耐腐蚀，但是其抗变形能力低，使用一段时间后结合面变形，导致背板与铜板和水箱结合面变形大，产生漏水事故，影响正常生产，更不利于高拉速生产线的使用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工方法，该方法能够有效提高结晶器铜板背板母材的硬度和抗变形能力。

本发明的目的之二在于提供一种由上述加工方法加工而得的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材。

本发明的目的之三在于提供一种由上述CuAlFeNi结晶器铜板背板木材加工而得的结晶器铜板背板。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工方法，包括以下步骤：

对由CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工原料加工得到的铜锭进行锻造、均匀化退火以及去应力退火；

均匀化退火于840-940℃的条件下处理1.5-2.5h；

去应力退火于300-550℃的条件下处理3-5h；

按质量百分比计，加工原料的元素组成包括79-86wt％的Cu、7-12wt％的Al、3-8wt％的Fe以及3-8wt％的Ni。

在可选的实施方式中，加工原料的元素组成包括79-85wt％的Cu、8-11wt％的Al、3-5wt％的Fe以及3-5wt％的Ni。

在可选的实施方式中，铜锭经以下步骤得到：

按配比将Cu、Al、Fe以及Ni进行真空熔炼，当真空熔炼温度达到1280-1320℃时，通入惰性气体或氮气，再加入Mg或P，升温至1340-1360℃，随后静置至1285-1310℃后进行真空铸锭。

在可选的实施方式中，Mg或P的添加量为加工原料的0.02-0.05wt％。

在可选的实施方式中，真空熔炼以及真空铸锭的绝对真空度均为5-30Pa。

在可选的实施方式中，通入惰性气体或氮气后的相对大气压的真空度为-0.07至-0.09MPa。

在可选的实施方式中，锻造前，还包括对铜锭进行加热。

在可选的实施方式中，加热温度为940-980℃，加热时间为3-5h。

在可选的实施方式中，锻造采用热锻方式进行。

在可选的实施方式中，锻造的始锻温度为900-940℃，终锻温度为670-700℃。

在可选的实施方式中，锻造过程包括：先镦粗、后展宽、再拔长。

在可选的实施方式中，锻造后的厚度留余量为25-30mm。

在可选的实施方式中，均匀化退火与去应力退火之间还包括冷作硬化处理步骤。

在可选的实施方式中，冷作硬化处理是在厚度方向进行冷锻或轧制。

在可选的实施方式中，冷作硬化过程中冷作变形率为4-7％。

在可选的实施方式中，去应力退火之后还包括精加工步骤。

第二方面，本申请提供一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材，其经前述实施方式任一项的加工方法加工而得。

第三方面，本申请提供一种CuAlFeNi结晶器铜板背板，其经前述实施方式的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材加工而得。

本申请的有益效果包括：

结晶器铜板背板母材的加工原料中在Cu-Al合金的基础上加入有少量(3-8wt％)的Fe，可使Fe固溶于Cu-Al合金的α固溶体内，降低铝青铜的原子扩散速度，增加β相的稳定性，抑制引起合金脆变的“自退火”现象，使合金的脆性大大降低，起到细化铝青铜的晶粒以及提高力学性能的效果。加工原料中还加入有3-8wt％的Ni，一方面可提高铝青铜的共析转变温度，另一方面又可使共析点成分向升温方向移动，改变α相的形态。此外，加入的Ni还可显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性和抗腐蚀性。

加工过程中将均匀化退火的温度设置为840-940℃，时间设置为1.5-2.5h，可以将合金中的大部分残余应力消除，使结构稳定，在后序冷作硬化时不易开裂。将去应力退火的温度设置为300-550℃，时间设置为3-5h，既可以消除加工应力，稳定内部组织，又可以使工件的硬度相对较高。

经上述加工方法加工而得的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材具有较高的硬度、强度、断后伸长率、抗变形能力、抗腐蚀、抗磨损性及热稳定性，并且该母材中氧和氢的含量均较低。

由上述CuAlFeNi结晶器铜板背板母材加工而得的结晶器铜板背板与铜板和水箱的结合面变形低，不易产生漏水事故，利于高拉速(4.5-5.5m/min)生产线使用。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的CuAlFeNi结晶器铜板背板及其母材与加工方法进行具体说明。

本申请提出一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工方法，包括以下步骤：

对由CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工原料加工得到的铜锭进行锻造、均匀化退火以及去应力退火；

均匀化退火于840-940℃的条件下处理1.5-2.5h；

去应力退火于300-550℃的条件下处理3-5h；

按质量百分比计，加工原料的元素组成包括79-86wt％的Cu、7-12wt％的Al、3-8wt％的Fe以及3-8wt％的Ni。

可参考地，Cu的含量可以为79wt％、80wt％、81wt％、82wt％、83wt％、84wt％、85wt％或86wt％等，也可以为79-86wt％范围内的其它任意值。

Al的含量可以为7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％、10.5wt％、11wt％、11.5wt％或12wt％等，也可以为7-12wt％范围内的其它任意值。

Fe和Ni的含量均可以为3wt％、3.5wt％、4wt％、4.5wt％、5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％或8wt％等，也可以为3-8wt％范围内的其它任意值。

在优选的实施方式中，上述加工原料的元素组成包括79-85wt％的Cu、8-11wt％的Al、3-5wt％的Fe以及3-5wt％的Ni。

本申请中，结晶器铜板背板母材的加工原料中在Cu-Al合金的基础上加入少量(3-8wt％)的Fe，可使Fe固溶于Cu-Al合金的α固溶体内，降低铝青铜的原子扩散速度，增加β相的稳定性，抑制引起合金脆变的“自退火”现象，使合金的脆性大大降低，起到细化铝青铜的晶粒以及提高力学性能的效果。

加工原料中还加入有3-8wt％的Ni，一方面可提高铝青铜的共析转变温度，另一方面又可使共析点成分向升温方向移动，改变α相的形态。此外，加入的Ni还可显著提高铝青铜的强度、硬度、热稳定性和抗腐蚀性。

通过在加工原料中同时添加上述含量的Fe和Ni，可使加工原料具有更佳的综合性能。

承上，含有上述含量的各元素的结晶器背板母材的加工原料不仅能使母材具有较强的抗腐蚀性和抗磨损性能，而且还可在铝青铜表面形成致密度保护性氧化物膜(三氧化二铝膜)，大大减缓高温氧化速度，具有较高的热稳定性。此外，能够在一定程度上提高母材的力学性能。

在可选的实施方式中，上述铜锭可经以下步骤得到：

按上述配比将Cu、Al、Fe以及Ni进行真空熔炼，当真空熔炼温度达到1280-1320℃时，通入惰性气体(如氩气)或氮气，再加入Mg或P(优选加入Mg)，升温至1340-1360℃，随后静置至1285-1310℃后进行真空铸锭。

上述过程中，Mg或P的添加量为加工原料的0.02-0.05wt％，如0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％或0.05wt％，也可以为0.02-0.05wt％范围内的其它任意值。Mg和P在加工过程中主要用于脱氧和脱氢。Mg或P最终在铸锭中存留量可以忽略不计。

可参考地，真空熔炼以及真空铸锭的绝对真空度均可以为5-30Pa，如5Pa、10Pa、15Pa、20Pa、25Pa或30Pa等，也可为5-30Pa范围内的其它任意值。通入惰性气体或氮气后的相对大气压的真空度为-0.07至-0.09MPa，如-0.07MPa、-0.075MPa、-0.08MPa、-0.085MPa或-0.09MPa等，也可以为-0.07至-0.09MPa范围内的其它任意值。

真空熔炼可在真空炉中进行。通过真空冶炼，可使金属在熔炼过程中尽可能减小吸氧析氢。通过向真空炉内先通入惰性气体(如氩气)或氮气使得真空度为-0.07至-0.09MPa，不仅可在铸锭过程中，尽可能的减少合金液被氧化，而且还可防止浇注过程中液态金属飞溅。随后再加入Mg或P，利用Mg和P易被氧化和易升华的特性，可进一步起到脱氧脱氢的作用，从而使得液态合金进一步得到净化，浇注出来的铸锭含氧量和含氢量均较低、组织致密、延展性好，有利于为后序锻造获得更稳定可靠的材质奠定基础。上述真空熔炼、充氩铸锭及加Mg或P都是为了尽可能去除铸锭中的氢和氧，使组织致密，合金的延展性更好，锻造不易产生裂痕，也即合金的断后伸长率更大。

较佳地，锻造前，还包括对铜锭进行加热。

可参考地，加热温度为940-980℃(如940℃、950℃、960℃、970℃或980℃等)，加热时间为3-5h(如3h、3.5h、4h、4.5h或5h等)。加热温度越高，相对保温时间可越短；反之，保温时间可适当延长。值得说明的是，本申请所涉及的工件尺寸较大，从出炉到锻打位置需要一段时间，在此期间会存在温度降低现象，锻造前需对工件进行加热。

在可选的实施方式中，锻造采用热锻方式进行。

可参考地，锻造的始锻温度为900-940℃(如900℃、910℃、920℃、930℃或940℃等)，终锻温度为670-700℃(如670℃、680℃、690℃或700℃等)。

值得说明的是，若始锻温度低于900℃易导致锻打时间短，高于940℃易导致组织晶粒粗化。终锻温度低于670℃易导致延展性差，锻造困难。

上述锻造过程包括可按先镦粗、后展宽、再拔长的过程进行。锻造后的厚度留余量可以为25-30mm。

通过将热锻过程的始锻温度、终锻温度以及热锻过程的变形方向按上述条件进行设置，有利于获得组织性能均匀的结晶器铜板背板母材。

进一步地，热锻后进行均匀化退火。本申请中均匀化退火的温度为840-940℃，如840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃或940℃等。均匀化退火的时间为1.5-2.5h，如1.5h、2h或2.5h等。

值得说明的是，若均匀化退火温度低于840℃易导致退火不充分，组织不均匀，高于940℃易导致组织粗化。

通过按照上述条件进行均匀化退火处理，可以将合金中的大部分残余应力消除，使结构稳定，在后序冷作硬化时不易开裂。

进一步地，进行冷作硬化处理(也即轧制)。可参考地，冷作硬化处理是在厚度方向进行冷锻或轧制，其变形率可以为4-7％。

通过按上述条件进行冷作硬化处理，一方面起增加强度作用，另一方面也起到了校平作用，进而可提高工件的弹性极限，在长期保持张力下服役时，应力损失较小，获得较好的综合力学性能。

本申请中，去应力退火的温度为300-550℃，如300℃、320℃、350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、500℃或550℃等，去应力退火时间为3-5h，如3h、3.5h、4h、4.5h或5h等。

值得说明的是，若去应力退火温度低于300℃易导致去应力效果差，高于550℃易导致组织析出脆性相。

通过按照上述条件进行去应力退火处理，既可以消除加工应力，稳定内部组织，又可以使工件的硬度相对较高。

进一步地，去应力退火之后还可包括精加工步骤。

在一些优选的实施方式中，以结晶器背板净尺寸为1750×1200×106为例，选择干锅内加入料的总重量为2800Kg，Cu按83wt％、Al按9wt％、Fe按4wt％、Ni按4wt％，料斗内加入占加工原料0.02wt％的Mg；铸成直径

高度约1350mm的铸锭；铸锭的锻造加热温度设定为960℃，保温4小时，铸锭的始锻温度为920℃，按先镦粗、高度镦至900mm左右，后展宽至1230-1240mm以保证工件净尺寸宽度1200mm，再拔长，锻造后在工件净厚度106mm的基础上，厚度留余量25-30mm，铸锭的终锻温度约为700℃；在锻造过程中，如果铸锭温度低于670℃，必须重新加热，重新锻造，直至锻造成型。

值得说明的是，本申请未公开的加工工艺条件以及相关器材设备等可参照现有技术的相关内容，在此不做过多赘述。

承上，本申请提供的上述加工方法能够有效提高产品的硬度、强度、断后伸长率和抗变形能力。

相应地，本申请还提供了一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材，其经上述加工方法加工而得。经上述加工方法得到的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材力学性能可达到：抗拉强度R_m≥620N/mm²；屈服强度R_p0.2≥530N/mm²；断后伸长率A5≥10％；硬度HB≥150；软化温度≥700℃。并且，该结晶器铜板背板母材含氧量和含氢量均较低，抗腐蚀、抗磨损性及热稳定性均较高。

此外，本申请还提供了一种CuAlFeNi结晶器铜板背板，其由上述CuAlFeNi结晶器铜板背板母材加工而得。该结晶器铜板背板与铜板和水箱的结合面变形低，不易产生漏水事故，利于高拉速生产线使用。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

以下提供实施例1-12的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工方法，步骤如下：

将元素组成包括83wt％的Cu、9wt％的Al、4wt％的Fe和4wt％的Ni的加工原料加入真空炉干锅内，另将占加工原料0.02wt％的Mg加入真空炉加料漏斗内。

将Cu、Al、Fe和Ni进行真空熔炼，当熔炼温度达到1300℃时，向真空炉中通入氩气，然后从加料漏斗向干锅内投入Mg，送功率至温度为1350℃，静置至温度为1300℃，随后进行真空铸锭，得到铜锭。真空熔炼和真空铸锭的绝对真空度均为15Pa，通入氩气后的相对大气压的真空度为-0.08MPa。

将铜锭于960℃的条件下加热4h，随后采用热锻方式，按始锻温度为920℃、终锻温度为685℃进行锻造；该锻造过程为：先镦粗、后展宽、再拔长，锻造后的厚度留余量为28mm。

锻造后进行均匀化退火，随后沿铜锭的厚度方向进行冷轧制(冷作硬化处理)，使得冷作变形率为6％。随后进行粗加工，再依次进行去应力退火和精加工。

不同实施例的区别在于：均匀化退火和去应力退火温度分别按表1中进行。

表1均匀化退火及去应力退火条件

将上述实施例1-12所得的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材进行性能测试，其结果如表2所示。其中，硬度的测试标准参照《GB/T231.1-2010》，单位HB；弹性模量的测试标准参照《GB/T228.1-2010》，单位为GPa；抗拉强度的测试标准参照《GB/T228.1-2010》，单位为N/mm²；屈服强度的测试标准参照《GB/T228.1-2010》，单位为N/mm²；断后伸长率的测试标准参照《GB/T228.1-2010》，单位为％。

表2性能测试结果

由表2可以看出，在实施例1-12中，均匀化退火温度为900℃、均匀化退火时间为2h，去应力退火温度为450℃、去应力退火时间为4h所对应的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材(即实施例6)的综合机械性能最好。

实施例13

本实施例与实施例6的区别在于：加工原料中各元素含量为：79wt％的Cu、10.97wt％的Al、5wt％的Fe、5wt％的Ni以及0.03wt％的Mg。

实施例14

本实施例与实施例6的区别在于：加工原料中各元素含量为：85wt％的Cu、8.95wt％的Al、3wt％的Fe以及3wt％的Ni。

Mg的添加量为上述加工原料的0.05wt％。

实施例15

本实施例与实施例6的区别在于：加工原料中各元素含量为：81.98wt％的Cu、7wt％的Al、5.5wt％的Fe以及5.5wt％的Ni。

Mg的添加量为上述加工原料的0.02wt％。

实施例16

本实施例与实施例6的区别在于：Mg由P代替。

实施例17

本实施例与实施例6的区别在于，加工条件不同，具体如下：

将Cu、Al、Fe和Ni对应的加工原料进行真空熔炼，当熔炼温度达到1280℃时，向真空炉中通入氮气，然后从加料漏斗向干锅内投入Mg，送功率至温度为1340℃，静置至温度为1285℃，随后进行真空铸锭，得到铜锭。真空熔炼和真空铸锭的绝对真空度均为5Pa，通入氩气后的相对大气压的真空度为-0.07MPa。

将铜锭于940℃的条件下加热5h，随后采用热锻方式，按始锻温度为900℃、终锻温度为670℃进行锻造；该锻造过程为：先镦粗、后展宽、再拔长，锻造后的厚度留余量为25mm。

锻造后进行均匀化退火，随后沿铜锭的厚度方向进行冷轧制(冷作硬化处理)，使得冷作变形率为4％。随后进行粗加工，再依次进行去应力退火和精加工。

实施例18

本实施例与实施例6的区别在于，加工条件不同，具体如下：

将Cu、Al、Fe和Ni对应的加工原料进行真空熔炼，当熔炼温度达到1320℃时，向真空炉中通入氩气，然后从加料漏斗向干锅内投入Mg，送功率至温度为1360℃，静置至温度为1310℃，随后进行真空铸锭，得到铜锭。真空熔炼和真空铸锭的绝对真空度均为30Pa，通入氩气后的相对大气压的真空度为-0.09MPa。

将铜锭于980℃的条件下加热3h，随后采用热锻方式，按始锻温度为940℃、终锻温度为700℃进行锻造；该锻造过程为：先镦粗、后展宽、再拔长，锻造后的厚度留余量为30mm。

锻造后进行均匀化退火，随后沿铜锭的厚度方向进行冷轧制(冷作硬化处理)，使得冷作变形率为7％。随后进行粗加工，再依次进行去应力退火和精加工。

对比例1

采用非真空冶炼、脱氧剂脱氧后进行保护性铸锭，在锻造时，锻造出的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材直接炸裂成“豆腐渣”形状，直接成为废品。

对比例2

将锻造后的铜锭先进行960℃固溶处理，固溶处理后，由于CuAlFeNi毛坯尺寸长度达到2米左右，用吊钩在吊960℃左右的背板毛坯时，背板过软，在进入水介质过程中，形成拱高600mm左右，但固溶后的硬度几乎没有下降，硬度在HB180以上，在方圆百公里内几乎找不到能使背板母材变直的压力机。也就是说这种大型背板母材不能通过常规的热处理来加工。

综上所述，本申请提供的加工方法能使CuAlFeNi结晶器铜板背板母材具有较高的硬度、强度、断后伸长率、抗变形能力、抗腐蚀、抗磨损性及热稳定性，并且该母材中氧和氢的含量均较低。由上述CuAlFeNi结晶器铜板背板母材加工而得的结晶器铜板背板与铜板和水箱的结合面变形低，不易产生漏水事故，利于高拉速生产线使用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

对由CuAlFeNi结晶器铜板背板母材的加工原料加工得到的铜锭进行锻造、均匀化退火以及去应力退火；

均匀化退火于900℃的条件下处理2h；

去应力退火于450℃的条件下处理4h；

按质量百分比计，所述加工原料的元素组成包括83wt％的Cu、9wt％的Al、4wt％的Fe以及4wt％的Ni。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述铜锭经以下步骤得到：

按配比将所述Cu、所述Al、所述Fe以及所述Ni进行真空熔炼，当真空熔炼温度达到1280-1320℃时，通入惰性气体或氮气，再加入Mg或P，升温至1340-1360℃，随后静置至1285-1310℃后进行真空铸锭。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述Mg或P的添加量为所述加工原料的0.02-0.05wt％。

4.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，真空熔炼以及真空铸锭的绝对真空度均为5-30Pa。

5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，通入所述惰性气体或所述氮气后的相对大气压的真空度为-0.07至-0.09MPa。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，锻造前，还包括对所述铜锭进行加热。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，加热温度为940-980℃，加热时间为3-5h。

8.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，锻造采用热锻方式进行。

9.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，锻造的始锻温度为900-940℃，终锻温度为670-700℃。

10.根据权利要求8所述的加工方法，其特征在于，锻造过程包括：先镦粗、后展宽、再拔长。

11.根据权利要求10所述的加工方法，其特征在于，锻造后的厚度留余量为25-30mm。

12.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，均匀化退火与去应力退火之间还包括冷作硬化处理步骤。

13.根据权利要求12所述的加工方法，其特征在于，冷作硬化处理是在厚度方向进行冷锻或轧制。

14.根据权利要求13所述的加工方法，其特征在于，冷作硬化过程中冷作变形率为4-7％。

15.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，去应力退火之后还包括精加工步骤。

16.一种CuAlFeNi结晶器铜板背板母材，其特征在于，经权利要求1-15任一项所述的加工方法加工而得。

17.一种CuAlFeNi结晶器铜板背板，其特征在于，经权利要求16所述的CuAlFeNi结晶器铜板背板母材加工而得。