CN114774733A - 一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料及其制备方法，由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.45‑0.65wt％，Ti：0.35‑0.4wt％，Co：0.2‑0.4wt％，Cr：0.2‑0.3wt％，Hf：0.1‑0.15wt％，Mg：0.1‑0.15wt％，Ag：0.05‑0.1wt％，余量为Cu。本发明通过Fe、Co、Ti、Cr、Ag等元素的固溶强化、时效强化、微合金化细化组织，经过形变热处理后获得综合性能优异的无铍铜基合金材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其是涉及一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料及其制备方法。
背景技术
在工业连续铸轧过程中，铸轧辊起结晶器和热轧辊的双重作用，由辊套直接完成结晶与热轧两部工作，因此铸轧机辊套是决定铸轧机性能的最关键部件。铸轧机辊套材料需要具备优异的强度、硬度、导热性能、抗热疲劳性能以及耐腐蚀性能等，才能满足实际工业生产的需要。在过去的铸轧工业生产中，最常用的铸轧辊套材料是含Cr、Mo、V等元素的中低碳合金钢，但是钢辊套的导热系数普遍偏低，限制了铸轧速率的提高和铸轧合金的种类。
铜合金具有优异的导热性能，但传统铜合金的强度偏低。经过科研人员的不断研究和探索，开发出了Cu-Co-Be、Cu-Ni-Be等既具有高导热能力又具有良好力学性能的铜铍系合金作为辊套材料。铜铍系合金辊套具有优异的综合性能，在当前连续铸轧工业中发挥着重要作用，但是Cu-Be系合金价格昂贵，且在加工生产和使用过程中会产生强致癌的含Be氧化物或化合物，对环境和人体都会产生严重危害。此外，Cu-Be系合金的热稳定性较差，当使用温度较高时产品会发生应力松弛现象，导致器件工作失效，因此亟需一种新的无铍耐热、高强高导热弹性铜合金来取代毒性Cu-Be系合金作为新一代铜辊套材料。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料及其制备方法，通过Fe、Co、Ti、Cr、Ag等元素的固溶强化、时效强化、微合金化细化组织，经过形变热处理后获得综合性能优异的无铍铜基合金材料。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.45-0.65wt％，Ti：0.35-0.4wt％，Co：0.2-0.4wt％，Cr：0.2-0.3wt％，Hf：0.1-0.15wt％，Mg：0.1-0.15wt％，Ag：0.05-0.1wt％，余量为Cu。
优选的，由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.65wt％，Ti：0.4wt％，Co：0.3wt％，Cr：0.3wt％，Hf：0.15wt％，Mg：0.15wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
优选的，由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.45wt％，Ti：0.35wt％，Co：0.2wt％，Cr：0.2wt％，Hf：0.1wt％，Mg：0.1wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，其中，包括如下步骤：
步骤1，将各原料预处理后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气，Ar≥99.99％，在纯氩气保护下进行熔炼，随后通入电流升温至350-370℃保温2-3min，然后继续升温至780-800℃保温2-3min，随后继续升温至1350-1450℃保温15-20min，通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭。
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为3-4h，然后随炉冷却至室温。
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至850-900℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为70-80％，然后空冷却至室温。
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为950-1050℃，保温时间为0.5-3h，随后迅速水淬至室温。
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为80-90％。在此温度区间固溶处理1-2小时，可以使各种元素充分固溶进基体，而又不使晶粒异常长大，有利于减小后续时效析出相的尺寸，进而提高力学性能。
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为450-550℃，时效时间为0.1-6h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
优选的，所述步骤4中，固溶处理的温度为980-1000℃，时间为1-2h。在此温度区间固溶处理1-2小时，可以使各种元素充分固溶进基体，而又不使晶粒异常长大，有利于减小后续时效析出相的尺寸，进而提高力学性能。
优选的，所述步骤6中，时效处理的温度为480-500℃，时间为2-3h。在此温度区间内时效2-3小时，可以使各类析出相充分析出而又不显著粗化，有利于提高材料的导热性能及力学性能。
在上述步骤1中，将各原料预处理后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气，Ar≥99.99％，随后通入电流升温至350-370℃保温2-3min，低温预热，有利于减小温度应力保证熔炼安全；继续升温至780-800℃保温2-3min，使原料充分受热，Mg、Ag等低熔点金属元素优先熔化并开始扩散，有助于改善元素偏析；随后继续升温至1350-1450℃保温15-20min，高温保持一段时间使Fe、Ti等熔点较高的金属元素充分熔化的同时又能让各类元素充分扩散，进一步改善偏析并使组织均匀。三段式升温的熔炼方式可以减少元素偏析并使组织均匀，同时降低Mg等低熔点元素的烧损率，有助于改善力学性能并获得综合性能优异的高质量产品；最后通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭。
本发明的有益效果是：
本发明通过在铜基中加入了多种微量金属元素，保证了材料强度与导热的良好配合，其中，添加的Fe元素能与Ti元素形成弥散分布的纳米级Fe2Ti和FeTi相，显著提高合金沉淀强化作用。添加的Co元素可与Ti元素结合形成纳米级的CoTi相，在一定程度上减少Ti元素在铜基中的固溶，有助于提高合金的强度与导热性能；Co元素还可以阻碍铜合金在加热过程中的晶粒长大、延缓固溶体分解、抑制晶界反应、避免晶界附近由于过时效反应而形成的组织不均匀性，从而进一步提高合金的沉淀硬化效果。添加的Cr元素可以在时效过程形成细小弥散的富Cr相，提高合金强度；另外，Cr元素在铜中的固溶度很小，所以添加微量的Cr并不显著降低合金的导热性能。Hf元素的添加可以阻碍晶粒长大，有效提高合金的耐热性能，同时也可在时效过程形成Cu5Hf，进一步强化基体。Mg、Ag等元素可以抑制时效过程中Cr相、FeTi以及CoTi相的长大，延缓合金过时效，并使析出相均匀弥散分布，显著提高合金的抗应力松弛性能；此外，Ag元素可以在不恶化导热性能的前提下，通过固溶强化提高合金的力学性能。
本发明通过优化合金成分、形变热处理等工艺，获得了强度高，导热性好，耐热性能优异的铜基合金材料。本发明设计的合金材料不含Be等有毒元素，对人体和环境危害小，且所得铜合金具有优良的综合力学性能和导热性能，硬度为202-232HV，屈服强度为578-682Mpa，拉伸强度643-747Mpa，热导率245-288W/m K，延伸率为11-16％。
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：
本实例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其组分含量为：Fe：0.65wt％，Ti：0.4wt％，Co：0.3wt％，Cr：0.3wt％，Hf：0.15wt％，Mg：0.15wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
本实施例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：步骤1，将各原料预处理后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气，Ar≥99.99％，随后通入电流升温至350℃保温2min，低温预热，有利于减小温度应力保证熔炼安全；继续升温至800℃保温3min，使原料充分受热，Mg、Ag等低熔点金属元素优先熔化并开始扩散，有助于改善元素偏析；随后继续升温至1450℃保温15min，高温保持一段时间使Fe、Ti等熔点较高的金属元素充分熔化的同时又能让各类元素充分扩散，进一步改善偏析并使组织均匀。
该方法中，采用三段式升温的熔炼方式可以减少元素偏析并使组织均匀，同时降低Mg等低熔点元素的烧损率，有助于改善力学性能并获得综合性能优异的高质量产品；最后通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭。
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为4h，然后随炉冷却至室温。
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至850℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为80％，然后空冷却至室温。
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为1000℃，保温时间为3h，随后迅速水淬至室温。
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为90％。
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为2h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
本实施例1中所得铜合金材料硬度232HV，屈服强度为682Mpa，拉伸强度747Mpa，热导率245W/m K，延伸率为11％。
实施例2：
本实例提供的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其组分含量为：Fe：0.45wt％，Ti：0.35wt％，Co：0.2wt％，Cr：0.2wt％，Hf：0.1wt％，Mg：0.1wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
本实施例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将各原料仔细打磨去除氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气(Ar≥99.99％)，在纯氩气保护下进行熔炼，随后通入电流升温至350℃保温2min，然后继续升温至800℃保温3min，随后继续升温至1450℃保温15min，通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭；
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为4h，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至900℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为80％，然后空冷却至室温；
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为1000℃，保温时间为2h，随后迅速水淬至室温；
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为80％；
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为480℃，时效时间为1.5h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
本实施例中所得铜合金材料硬度202HV，屈服强度为578Mpa，拉伸强度643Mpa，热导率288W/m K，延伸率为16％。
实施例3：
本实例提供一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其组分含量为：Fe：0.55wt％，Ti：0.35wt％，Co：0.3wt％，Cr：0.3wt％，Hf：0.15wt％，Mg：0.1wt％，Ag：0.1wt％，杂质元素总量≤0.2wt％，余量为Cu。
本实施例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将各原料仔细打磨去除氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气(Ar≥99.99％)，在纯氩气保护下进行熔炼，随后通入电流升温至350℃保温2min，然后继续升温至800℃保温3min，随后继续升温至1350℃保温15min，通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭；
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为4h，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至900℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为70％，然后空冷却至室温；
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为1050℃，保温时间为1h，随后迅速水淬至室温；
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为90％；
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为480℃，时效时间为2h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
本实施例中所得铜合金材料硬度215HV，屈服强度为629Mpa，拉伸强度688Mpa，热导率271W/m K，延伸率为11.4％。
实施例4：
本实例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其组分含量为：Fe：0.65wt％，Ti：0.35wt％，Co：0.25wt％，Cr：0.2wt％，Hf:0.1wt％，Mg：0.1wt％，Ag：0.05wt％，余量为Cu。
本实施例的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将各原料仔细打磨去除氧化皮后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气(Ar≥99.99％)，在纯氩气保护下进行熔炼，随后通入电流升温至350℃保温2min，然后继续升温至800℃保温2min，随后继续升温至1350℃保温15min，通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭；
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为4h，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至900℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为70％，然后空冷却至室温；
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为1020℃，保温时间为3h，随后迅速水淬至室温；
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为90％；
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为2.5h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
本实施例中所得铜合金材料硬度227HV，屈服强度为656Mpa，拉伸强度720Mpa，热导率258W/m K，延伸率为13.4％。
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 (6)
1.一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.45-0.65wt％，Ti：0.35-0.4wt％，Co：0.2-0.4wt％，Cr：0.2-0.3wt％，Hf：0.1-0.15wt％，Mg：0.1-0.15wt％，Ag：0.05-0.1wt％，余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.65wt％，Ti：0.4wt％，Co：0.3wt％，Cr：0.3wt％，Hf：0.15wt％，Mg：0.15wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
3.根据权利要求1所述的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料，其特征在于：由以下质量百分比的组分组成：Fe：0.45wt％，Ti：0.35wt％，Co：0.2wt％，Cr：0.2wt％，Hf：0.1wt％，Mg：0.1wt％，Ag：0.1wt％，余量为Cu。
4.根据权利要求1所述的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，将各原料预处理后按各组分的质量百分比配备，将配备好的Fe、Ti、Co、Cu-10Cr中间合金、Cu-10Hf中间合金、Cu-15Mg中间合金、Ag及Cu加入真空感应炉的坩埚中，抽真空至10-3pa以下，然后向炉内通入1.1×105pa的氩气，Ar≥99.99％，随后通入电流升温至350-370℃保温2-3min；继续升温至780-800℃保温2-3min；随后继续升温至1350-1450℃保温15-20min；最后通过电磁搅拌将各原料熔化均匀，并浇铸到模具中得到合金铸锭；
步骤2：对铸锭表面进行铣面，然后放入到热处理炉，在氩气保护下进行均匀化处理，均匀化温度为960℃，控制时间为3-4h，然后随炉冷却至室温；
步骤3：将均匀化后的铸锭加热至850-900℃，保温15分钟后进行热轧，热轧总变形量为70-80％，然后空冷却至室温；
步骤4：将热轧后的合金材料去除表面氧化皮后放入热处理炉中进行固溶处理，固溶处理温度为950-1050℃，保温时间为0.5-3h，随后迅速水淬至室温；
步骤5：将固溶处理过的合金材料铣面后，在室温下进行轧制，轧制总变形量为80-90％；
步骤6：将室温轧制后的合金材料放入热处理炉，在氩气保护下进行时效处理，时效温度为450-550℃，时效时间为0.1-6h，然后以空冷方式冷却至室温，得到所述铜合金材料。
5.根据权利要求4所述的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，固溶处理的温度为980-1000℃，时间为1-2h。
6.根据权利要求4所述的一种铸轧辊套用高性能铜基合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，时效处理的温度为480-500℃，时间为2-3h。
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