CN113333708A - 铜及铜合金生成轴向柱状晶的控制方法及得到的铜及铜合金 - Google Patents

铜及铜合金生成轴向柱状晶的控制方法及得到的铜及铜合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,熔液出保温炉后先进入模具,然后进入具有供水冷用铜套的结晶器,最后出结晶器形成连铸坯,其特征在于:控制熔液从石墨模具流入结晶器前、后的温差为400~900℃。本发明不需要对现有的铸造温度进行改变,通过控制结晶器内熔液流入铜套前、后的温差形成结晶区前后大的温度梯度,使得沿径向生长的柱状晶沿轴向生长,得到的铜及铜合金连铸坯沿轴向的强度和延伸率提高10%以上。

Description

铜及铜合金生成轴向柱状晶的控制方法及得到的铜及铜合金
技术领域
本发明属于铜合金技术领域,具体涉及一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法。
背景技术
普通铜及合金连铸工艺中对于铸造温度的控制基本上在液相线温度以上60~200℃,主要是为了保证熔体具备一定的流动性而不至于温度过高。熔液出保温炉后直接进入结晶器,由于结晶器外侧套设有水冷铜套,进入结晶器的熔液接触到结晶器表层后,开始凝固结晶,并不断向铸坯中心生长,最终在连铸坯横断面上形成发达的柱状晶组织,因此,铸坯中心是低熔点相,连铸过程中铸坯容易产生裂纹,再经过后道加工,尤其是棒坯拉拔容易断裂。
授权专利CN101176912A“一种铜及铜合金连铸方法”中,为了解决连铸坯横断面上发达柱状晶导致的连铸铜件开裂的问题,通过控制进入结晶器内的合金熔液在靠近保温炉内的冷却区前端面的平均温度比合金液相线熔化温度只高2~60℃,在温差较小的情况下,凝固界面前沿,接近平衡结晶,让等轴晶比例达到60~100%。此种方法,尽管将凝固柱状晶组织改变成等轴晶组织,但是对于结晶器前沿靠近熔体方向温度的控制要求较高,实施难度较大。
另外,等轴晶组织相对于沿径向生长的柱状晶组织在一定程度上,物理性能有所提高,但无法消除晶间偏析,对于铜合金轧制、拉拔加工性能并没有显著提升,但控制凝固组织的晶粒取向,消除径向晶界,获得沿轴向柱晶组织,能提高材料的轴向力学性能,尤其是对于棒材、线材、超细丝加工及其有利,这些已经达成共识。因此,开发一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,克服现有连铸组织的缺陷,对于高性能铜及铜合金力学性能以及加工性能的改善极其有必要。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为:一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,熔液出保温炉后先进入模具,然后进入具有供水冷用铜套的结晶器,最后出结晶器形成连铸坯,其特征在于:控制熔液从石墨模具流入结晶器前、后的温差为400~900℃。造成水冷铜套界面上存在一个轴向上大的温度梯度,保证铜液凝固界面在水冷铜套的外侧。由于该位置上轴向的温度梯度大于径向,形核的晶粒沿着轴向生长,从而获得轴向柱状晶组织。
作为优选,所述石墨模具外侧包覆有保温材料。防止铜液在进入铜套前温度下降过多,控制进入铜套的铜液温度与进入包覆有保温材料的结晶器的铜液温度相差在400~900℃之间。
作为优选,铜套内设一次冷却水,进水温度控制在5~50℃之间,出水温度控制在10~60℃之间,水压控制在0.01~0.3MPa之间。进水温度、水压过高,铜液凝固的位置会向保温炉方向偏移过大,会导致铜液凝固而拉铸失败,即使拉出,表面也会出现裂纹,进水温度和水压过低,冷却能力不够,铜液凝固位置往水冷铜套方向偏移,进入铜套后,径向的冷却能力大于轴向,晶粒沿径向生长。
作为优选,所述连铸坯的拉铸速度控制在40~300mm/min。拉速过低,轴向冷却能力过大,凝固位置同样向保温炉方向偏移过多,拉速过快,难以建立加大的温度梯度,凝固位置会进入水冷铜套,无法形成轴向组织。
作为优选,在结晶器的出口处设置二次冷却水,冷却水水温在5~40℃之间,水压在0.05~0.5之间,喷射角度控制在10~30°之间。二次冷却水对出结晶器的棒坯进行冷却,进一步调控冷却梯度,同时保证铸坯出结晶器后温度迅速降低,不至于被空气氧化。冷却水的喷射角度不能过小,否则冷却水易进入结晶器,造成事故,喷射角度过大,无法保证铸坯出结晶器后迅速冷却。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种采用生成轴向柱状晶组织的控制方法得到的铜及铜合金。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为:一种采用生成轴向柱状晶组织的控制方法得到的铜及铜合金,其特征在于:所述连铸坯沿轴向生长的柱状晶的面积分数为50以上。
作为优选,所述柱状晶的长度为5mm以上,直径为1mm以上。为保证轴向上延伸率有显著的提高,必须保证柱状晶在轴向上的长度和直径,柱状晶长度低于5mm,或直径小于1mm,与传统拉铸铸坯的轴向延伸率相差在5%以内,效果不显著。
与现有技术相比,本发明的优点在于:不需要对现有的铸造温度进行改变,通过控制结晶器内熔液流入铜套前、后的温差形成结晶区前后大的温度梯度,使得沿径向生长的柱状晶沿轴向生长,得到的铜及铜合金连铸坯沿轴向的强度和延伸率提高10%以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的连铸坯的横向宏观金相;
图2为本发明实施例1的连铸坯的纵向宏观金相。
图3为本发明实施例的模具以及结晶器示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
参见图3所示,实施例的模具1为采用高纯等静压石墨,模具1的一端(连接段)插入在铜套2内,另一端伸出在铜套外,另一端(保温段)的外侧包覆有保温材料3且与保温炉连通,结晶器4的出口设置有二次冷却设备5,熔液从保温炉流出后依次经过保温段、结晶器4、二次冷却设备5,然后形成连铸坯,铜套2内通入一次冷却水,二次冷却设备5内通入二次冷却水。
实施例1
紫铜T2连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1150~1200℃,一次冷却水进水水压控制在0.05MPa,进水温度在15~20℃,出水温度在35~40℃,二次冷却水水压控制在0.03MPa,进水温度在15~20℃,喷射角度在10°。进入铜套的铜液温度与进入包覆有保热材料的模具(保温段)的铜液温度差为600℃~650℃之间。采用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ35mm,拉铸速度控制200mm/min。拉铸铸坯沿轴向生长的柱状晶的面积分数为90以上,轴向铸坯延伸率63%
对比例1
紫铜T2连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1160~1200℃,一次冷却水进水水压控制在0.05MPa,进水温度在15~40℃,出水温度在35~50℃,采用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ35mm,拉铸速度控制500mm/min。拉铸铸坯晶粒沿径向生长。铸坯延伸率52%
对比例1与实施例的不同之处在于:对比例拉铸时,结晶器水冷铜套前不存在保温段,结晶器出口也不存在二次冷却,因此进入结晶器前后温度差不超过100℃,同时拉铸速度在500mm/min以上,因此拉铸铸坯是沿径向生长的柱状晶组织。
实施例2
铬锆铜连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1250~1300℃,一次冷却水进水水压控制在0.06MPa,进水温度在20~25℃,出水温度在40~45℃,二次冷却水水压控制在0.1MPa,进水温度在15~20℃,喷射角度在15°。进入铜套的铜液温度与进入包覆有保热材料的模具(保温段)的铜液温度差为700℃~800℃之间。采用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ28mm,拉铸速度控制150mm/min。拉铸铸坯沿轴向生长的柱状晶的面积分数为80以上,铸坯延伸率48%。
对比例2
铬锆铜连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1250~1300℃,一次冷却水进水水压控制在0.06MPa,进水温度在20~40℃,出水温度在40~60℃,用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ28mm,拉铸速度控制600mm/min。拉铸铸坯沿轴向生成柱状晶组织,铸坯延伸率34%。
对比例2与实施例的不同之处在于:对比例拉铸时,结晶器水冷铜套前不存在保温段,结晶器出口也不存在二次冷却,因此进入结晶器前后温度差不超过100℃,同时拉铸速度在600mm/min以上,因此拉铸铸坯是沿径向生长的柱状晶组织。
实施例3
锡青铜连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1150~1200℃,一次冷却水进水水压控制在0.10MPa,进水温度在25~30℃,出水温度在40~50℃,二次冷却水水压控制在0.06MPa,进水温度在25~30℃,喷射角度在20°。进入铜套的铜液温度与进入包覆有保热材料的石墨(保温段)的铜液温度差为700℃~750℃之间。采用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ28mm,拉铸速度控制250mm/min。拉铸铸坯沿轴向生长的柱状晶的面积分数为60以上,铸坯延伸率36%。
对比例3
锡青铜连铸过程中,保温炉内熔液温度控制在1150~1200℃,一次冷却水进水水压控制在0.10MPa,进水温度在20~40℃,出水温度在40~60℃,用水平连铸的方式进行拉铸,铸坯为φ28mm,拉铸速度控制500mm/min。拉铸铸坯沿轴向生成柱状晶组织,铸坯延伸率29%
对比例3与实施例的不同之处在于:对比例拉铸时,结晶器水冷铜套前不存在保温段,结晶器出口也不存在二次冷却,因此进入结晶器前后温度差不超过100℃,同时拉铸速度在500mm/min以上,因此拉铸铸坯是沿径向生长的柱状晶组织。
表1本发明实施例的微观组织以及实施例和对比例的力学性能
Figure BDA0003086499150000051

Claims (7)

1.一种铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,熔液出保温炉后先进入模具,然后进入具有供水冷用铜套的结晶器,最后出结晶器形成连铸坯,其特征在于:控制熔液从石墨模具流入结晶器前、后的温差为400~900℃。
2.根据权利要求1所述的铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,其特征在于:所述石墨模具外侧包覆有保温材料。
3.根据权利要求1所述的铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,其特征在于:所述铜套内设一次冷却水,进水温度控制在5~50℃之间,出水温度控制在10~60℃之间,水压控制在0.01~0.3MPa之间。
4.根据权利要求1所述的铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,其特征在于:所述连铸坯的拉铸速度控制在40~300mm/min。
5.根据权利要求1所述的铜及铜合金生成轴向柱状晶组织的控制方法,其特征在于:在结晶器的出口处设置二次冷却水,冷却水水温在5~40℃之间,水压在0.05~0.5之间,喷射角度控制在10~30°之间。
6.一种采用权利要求1之5任一权利要求所述的控制方法得到的铜及铜合金,其特征在于:所述连铸坯沿轴向生长的柱状晶的面积分数为50以上。
7.根据权利要求6所述的铜及铜合金,其特征在于:所述柱状晶的长度为5mm以上,直径为2mm以上。
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