CN115852201A - 一种铜镍锡合金铸锭的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种铜镍锡合金铸锭的生产方法。采用本发明方法生产出大尺寸铸锭，等轴晶区大、枝晶间距小、组织致密、成分均匀，提高铸锭冶金质量，获得能够进行热、冷加工的铸锭，提高钢锭利用率，保证成品材的性能一致性。

Description

一种铜镍锡合金铸锭的生产方法

技术领域

本发明实施例涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种铜镍锡合金铸锭的生产方法。

背景技术

铜镍锡合金是一种高强度弹性导电铜合金，具有强度高、导电稳定性好、抗应力松弛、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、变形小等优势，可在200～250℃稳定使用，是替代铍青铜合金的一种理想的高性能、环保型材料，广泛应用于航空航天、石油天然气、重型机械、电力电子等领域。铜镍锡合金中的Cu、Ni和Sn的熔点差异极大，Sn在凝固冷却过程中极容易发生宏观偏析和微观偏析，在枝晶间形成大量富Sn的脆性相，铸锭的内应力大，容易产生裂纹，使合金难以热加工和冷加工成型，性能一致性差；该合金热膨胀系数大，浇注凝固过程中易产生缩孔和疏松缺陷。而且钢锭的尺寸越大，偏析和铸造缺陷的控制难度越大。因此，要实现铜镍锡合金的工业化生产，必须要解决铸锭的冶金质量问题。

为解决这一问题，国内外一些科研单位采用快速凝固、粉末冶金、喷射成型、3D打印等工艺抑制Sn的偏析获得了成分和组织相对均匀的铜镍锡合金样品，但上述工艺成本高、工艺复杂，不利于实现工业化生产。现有技术中较少涉及改善大尺寸规格铸锭冶金质量的技术。目前，真空感应熔炼是实现铜镍锡合金工业化生产的一种重要工艺，具有成分控制准确、钢质纯净度高、有利于控制Sn偏析等优势。为了改善真空感应熔炼铸锭的质量，现有技术如下：

CN111020285A公开了一种真空熔炼生产高强铜合金大规格铸锭的方法，在铜镍锡合金基础上添加了铌和锰元素，增加了合金的弥散强化效果，有利于提高合金的强度，对模具和铸锭采用了上半部保温下半部冷却的工艺，即避免了或减少了缩松和缩孔缺陷，又保证加快铸锭冷却速度，从而减少了偏析缺陷。其存在如下缺陷：对于大尺寸规格的铸锭，采用轴流风机冷却速度不够，不均匀；锭模保温虽然有利于补缩，但是容易产生分散性的疏松缺陷。不能有效解决缩孔、疏松和偏析问题。

CN114381622A公开了一种真空感应熔炼高强高弹耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，经过配料、装炉、抽真空、熔炼、浇铸、出炉等步骤生产出料组分合理、组织均匀，合金化程度高、无明显组织缺陷、无杂质的CuNiSn合金，通过向合金液添加负热膨胀材料，可降低CuNiSn金材料的膨胀系数，浇铸时不易产生缩松和缩孔缺陷。该技术方案主要针对低Ni、低Sn的铜镍锡合金，对高Ni、高Sn合金和大尺寸规格铸锭的效果未知。

现有技术中，一般都是在实验室条件下进行铸锭冶炼，锭型尺寸小，与工业化生产有很大差距。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，采用本发明方法可生产出大尺寸铸锭，等轴晶区大、枝晶间距小、组织致密、成分均匀，提高铸锭冶金质量，获得能够进行热、冷加工的铸锭，提高钢锭利用率，保证成品材的性能一致性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，本发明提供一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，包括如下质量百分含量的组分：Ni7.50～22.50％，Sn4.00～9.50％，C0.005～0.015％，Mn0.10～0.50％，微合金化元素M≤0.50％，M选自Co、Nb、Zr、Si、Ti、Al、B、V、Fe、Ce、Y、P中的一种或几种，余为Cu及不可避免的杂质，其生产方法包括：配料、装料、熔炼、浇铸和脱模；其中，所述浇铸包括：模具采用扁锭模，帽容比≥20％，出钢温度1200～1300℃，浇铸速度50～250kg·min^-1，浇铸结束后，将钢锭模和铸锭放置在匀速旋转的振动台上进行将振动铸造，振动频率100～400Hz，振幅0.5～2.5mm，同时对钢锭模四周均匀喷吹液氮冷却，使铸锭在一定频率振动和快速冷却的条件下凝固。

进一步地，所述装料包括：将铜板长短搭配放入坩埚，随后放入铜镍中间合金板，随炉C碳放在坩埚中下部，Co、Nb、Fe、Ni-B、V中的一种或几种金属原材料放在坩埚中部，其他易氧化烧损元素Sn、Mn、Zr、Si、Ti、Al、Ce、Y、Cu-P中的一种或几种金属原材料放在二次加料仓中。上述装料方式一方面有利于充分熔化不同熔点的金属原材料，均匀合金成分，提高熔炼效率，另一方面在熔池充分脱氧的条件下，添加易氧化烧损元素，有利于成分的准确控制。

进一步地，所述熔炼采用真空感应炉进行熔炼，精炼温度1250～1350℃，真空度≤0.5Pa，精炼时间不小于40分钟，精炼结束后依次加入所述二次加料仓中的金属原材料。

进一步地，所述脱模获得扁锭的平均尺寸规格为厚度50～100mm×宽度200～350mm×高度600～1500mm。

根据本发明实施例的第二方面，本发明提供一种铜镍锡合金铸锭，其由如上任一项所述的生产方法获得。

本发明实施例具有如下优点：

1)添加微量合金化元素：细化了铸态结晶组织，抑制Sn的微观偏析和宏观偏析，有利于提高合金铸态组织的均匀性和合金的强度。

2)本发明采用合理的出钢温度和浇铸速度，配合采用扁锭浇铸、振动铸造和铸锭的快速冷却，形成逐层向上凝固的效果，一方面有利于破碎枝晶，增加等轴晶区的比例，使Sn的宏观偏析和微观偏析得到有效抑制，另一方面有利于减少缩孔和疏松缺陷，使缩孔、疏松主要集中于帽口附近，提高了钢锭利用率。

3)采用本发明方法制造的铜镍锡合金铸锭较非真空冶炼或连铸工艺冶炼的铸锭成分均匀准确，纯净度更高。采用扁锭熔铸方式，省去了锻造开坯环节，可直接热轧和冷轧加工，提高了成材率水平。

4)本发明铜镍锡合金铸锭横截面不同部位的Sn元素浓度偏差小于0.5％，铸锭不同方向硬度偏差小于10HV。优于普通熔铸工艺铸造铜镍锡铸锭的控制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为扁铸锭在宽度方向上Sn成分分布对比图；

图2为扁铸锭在厚度方向上Sn成分分布对比图；

图3为扁铸锭在宽度方向上硬度对比图；

图4为扁铸锭在厚度方向上硬度对比图；

图5为扁铸锭的横截面低倍铸态组织对比照片，a比较例，b实施例3；

图6为扁铸锭的铸态显微组织对比照片，a比较例，b实施例3。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，包括以下步骤：

(1)配料：按质量百分比计，各元素的百分含量为：Ni14.00％，Sn7.50％，C0.01％，Mn0.20％，Co0.10％，Nb0.10％，Zr0.01％，Ce0.01％，Y0.10％，Co、Nb、Zr、Ce、Y的总含量0.32％，余量为Cu及不可避免的杂质。

(2)装料：将电解铜板长短搭配放入坩埚，随后放入铜镍中间合金板，随炉C放在坩埚中下部，Co、Nb原材料放在坩埚中部，其他易氧化烧损元素Sn、Zr、Ce、Y用于微合金化的原材料放在二次加料仓中。

(3)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，利用C、O反应使钢液沸腾充分脱氧，精炼温度1320℃，真空度0.2Pa，精炼时间45分钟；精炼结束后，充入氩气，依次加入二次加料仓中的Sn、Zr、Ce、Y原材料，提高功率，充分搅拌熔液，使成分均匀化。

(4)浇铸：模具采用扁锭模，帽容比20％，出钢温度1250℃，浇铸速度120kg·min^-1，浇铸结束后，将钢锭模和铸锭放在振动台上施加频率为250Hz、振幅为1.0mm的振动，同时对钢锭模四周从下至上均匀喷吹液氮冷却，使铸锭在振动和快速冷却的条件下凝固。

(5)脱模：获得尺寸规格为50mm×200mm×600mm的扁铸锭。

实施例2

一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，包括以下步骤：

(1)配料：按质量百分比计，各元素的百分含量为：Ni7.5％，Sn4.0％，C0.015％，Mn0.25％，Fe0.20％，Si0.20％，Al0.10％，Fe、Si、Al总含量0.50％，余量为Cu及不可避免的杂质。

(2)将电解铜板长短搭配放入坩埚，随后放入铜镍中间合金板，随炉碳放在坩埚中下部，Fe原材料放在坩埚中部，其他易氧化烧损元素Si、Al于微合金化的原材料放在二次加料仓中。

(3)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，利用C、O反应使钢液沸腾充分脱氧，精炼温度1250℃，真空度0.1Pa，精炼时间40分钟；精炼结束后，充入氩气，依次加入二次加料仓中的Sn、Si、Al原材料，提高功率，充分搅拌熔液，使成分均匀化。

(4)浇铸：模具采用扁锭模，帽容比25％，出钢温度1200℃，浇铸速度250kg·min^-1，浇铸结束后，将钢锭模和铸锭放在振动台上施加频率为200Hz、振幅为0.5mm的振动，同时对钢锭模四周从下至上均匀喷吹液氮冷却，使铸锭在振动和快速冷却的条件下凝固。

(5)脱模：获得尺寸规格为80mm×350mm×1500mm的扁铸锭。

实施例3

一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，包括以下步骤：

(1)配料：按质量百分比计，各元素的百分含量为：Ni22.5％，Sn9.5％，C0.005％，Mn0.25％，V0.30％，B0.01％，Ti0.10％，P0.05％，V、B、Ti、Fe的总含量0.46％，余为Cu及不可避免的杂质。

(2)将电解铜板长短搭配放入坩埚，随后放入铜镍中间合金板，随炉C放在坩埚中下部，Ni-B、V原材料放在坩埚中部，其他易氧化烧损元素Sn、Ti、Cu-P用于微合金化的原材料放在二次加料仓中。

(3)熔炼：采用真空感应炉进行熔炼，利用C、O反应使钢液沸腾充分脱氧，精炼温度1350℃，真空度0.5Pa，精炼时间42分钟；精炼结束后，充入氩气，依次加入二次加料仓中的Sn、Ti、Cu-P原材料，提高功率，充分搅拌熔液，使成分均匀化。

(4)浇铸：模具采用扁锭模，帽容比30％，出钢温度1300℃，浇铸速度250kg·min^-1，浇铸结束后，将钢锭模和铸锭放在振动台上施加频率为400Hz、振幅为2.0mm的振动，同时对钢锭模四周从下至上均匀喷吹液氮冷却，使铸锭在振动和快速冷却的条件下凝固。

(5)脱模：获得尺寸规格为100mm×300mm×1000mm的扁铸锭。

比较例

采用传统的真空感应熔炼工艺制备铜镍锡合金扁铸锭(未采取振动铸造和快速冷却措施)，合金成分：Ni14.80％，Sn7.80％，Mn0.20％，余为Cu及不可避免的杂质，精炼温度1320℃，真空度＜1pa，精炼时间40分钟，出钢温度1270℃，浇注速度300kg·min^-1，获得扁铸锭尺寸规格为100mm×300mm×1000mm。

测试例

对实施例3和比较例制备的扁铸锭的横截面Sn成分分布(均为在扁锭高度方向中部截取)进行测定，结果见图1和图2。

结果表明：实施例3的扁锭横截面宽度方向不同部位Sn元素的浓度偏差为0.36％，低于比较例扁锭横截面宽度方向的Sn元素浓度偏差2.02％，实施例3的扁锭横截面宽度方向不同部位Sn元素的浓度偏差为0.18％，，低于比较例扁锭横截面宽度方向的Sn元素浓度偏差1.83％。

对实施例3和比较例制备的扁铸锭的横截面不同部位的硬度进行测定，结果见图3和图4。

结果表明：实施例3的扁锭横截面宽度方向和厚度方向不同部位的维氏硬度偏差分别为8HV和9HV，低于比较例扁锭横截面宽度方向和厚度方面的维氏硬度偏差38HV和34HV。

观察实施例3和比较例制备的扁铸锭的横截面低倍铸态组织和铸态显微组织进行观察，结果见图5和图6。

结果表明：实施例3铸态组织致密，无缩孔和疏松缺陷，主要为等轴晶区，枝晶较为细小，二次枝晶间距为25微米，而比较例铸态组织稀疏，缩孔和疏松缺陷严重，枝晶粗大，柱状晶十分发达，二次枝晶间距达111微米。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种铜镍锡合金铸锭的生产方法，其特征在于，包括如下质量百分含量的组分：Ni7.50～22.50％，Sn4.00～9.50％，C0.005～0.015％，Mn0.10～0.50％，微合金化元素M≤0.50％，M选自Co、Nb、Zr、Si、Ti、Al、B、V、Fe、Ce、Y、P中的一种或几种，余为Cu及不可避免的杂质，其生产方法包括：配料、装料、熔炼、浇铸和脱模；其中，所述浇铸包括：模具采用扁锭模，帽容比≥20％，出钢温度1200～1300℃，浇铸速度50～250kg·min^-1，浇铸结束后，将钢锭模和铸锭放置在匀速旋转的振动台上进行振动铸造，振动频率100～400Hz，振幅0.5～2.5mm，同时对钢锭模四周均匀喷吹液氮冷却，使铸锭在一定频率振动和快速冷却的条件下凝固。

2.根据权利要求1所述的铜镍锡合金铸锭的生产方法，其特征在于，

所述装料包括：将铜板长短搭配放入坩埚，随后放入铜镍中间合金板，随炉C放在坩埚中下部，Co、Nb、Fe、Ni-B、V中的一种或几种金属原材料放在坩埚中部，其他易氧化烧损元素Sn、Mn、Zr、Si、Ti、Al、Ce、Y、Cu-P中的一种或几种金属原材料放在二次加料仓中。

3.根据权利要求2所述的铜镍锡合金铸锭的生产方法，其特征在于，

所述熔炼采用真空感应炉进行熔炼，精炼温度1250～1350℃，真空度≤0.5Pa，精炼时间不小于40分钟，精炼结束后加入所述二次加料仓中的金属原材料。

4.根据权利要求1所述的铜镍锡合金铸锭的生产方法，其特征在于，

所述脱模获得扁锭的平均尺寸规格为厚度50～100mm×宽度200～350mm×高度600～1500mm。

5.一种铜镍锡合金铸锭，其特征在于，其由权利要求1-4中任一项所述的生产方法获得。

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