CN116213661A - 一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器以及水平连铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器以及水平连铸方法,该水平连铸方法包括如下步骤:步骤一,按照锡磷青铜棒材的组成配比投料,熔炼;步骤二,将步骤一得到的合格熔融液进行拉铸,其中,拉铸节距2‑6mm,牵引速度300‑550mm/s,停顿时间100‑300ms,结晶器冷却水进/出口温度30‑40℃/50‑60℃,冷却水压0.04‑0.08MPa,保温炉温度1140‑1200℃,石墨底座温度750‑900℃,拉铸频率100‑150次/min,铸坯出口温度300‑500℃,电磁搅拌频率30‑50HZ。本发明的结晶器以及水平连铸方法,对锡磷青铜棒材有较好的细化效果,锡的反偏析基本消除,拉丝开裂问题得到解决,锡磷青铜棒材的抗拉强度得到很大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及锡磷青铜棒材制备技术领域,尤其涉及一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器以及水平连铸方法。
背景技术
锡磷青铜棒材是一款高强度高弹性的材料,具有高的弹性、抗磁性和耐磨性,焊接和钎焊性良好,可切削性较好,在大气和淡水中抗蚀性较好,目前主要应用于电器和汽车接插件配合的插针、耐磨零件和抗磁元件等。
目前生产锡磷青铜合金棒线材,主要的工艺包括连铸工艺和挤压工艺,挤压工艺为:连铸铸锭-挤压-延伸-退火……矫直-定尺-精检-打包,而目前市场体量最大的依然是连铸棒材,即采用连铸工艺生产,大部分连铸棒材以及其他异型材的基本路线:连铸棒材-延伸-剥皮-(延伸-退火-延伸……)-矫直-定尺-精检-打包。而目前生产锡磷青铜棒材存在的主要问题集中在锡反偏析严重导致开裂,表面反偏析达2mm以上,同时材料强度无法稳定提升到500MPa以上。如何通过调整铸造工艺,和辅助铸造工装应用,提高生产拉铸速度和材料的强度,并同时兼顾锡的反偏析问题,是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足,提供一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器以及水平连铸方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案是:
本发明的第一方面是提供一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器,包括结晶管和冷却夹套,所述冷却夹套包括内管、中间管、外管和分水环,其中,所述结晶管内设有抽液机构,所述冷却夹套设置于所述结晶管的外侧,且所述冷却夹套为三层管结构,所述结晶管的长度为1.2-1.8m,所述外管与中间管之间形成进水腔,所述中间管与内管之间形成出水腔,所述出水腔的径向截面积小于所述进水腔的径向截面积;所述结晶管一端连接有石墨底座,所述石墨底座外壁设置有水冷套;位于所述冷却夹套与石墨底座之间的结晶管无冷却夹套段设置有电磁搅拌器。
本发明的第二方面是提供一种用于制备锡磷青铜棒材的水平连铸方法,采用上述的结晶器,包括如下步骤:
步骤一,按照锡磷青铜棒材的组成配比投料,熔炼;
步骤二,将步骤一得到的合格熔融液进行拉铸,其中,拉铸节距2-6mm,牵引速度300-550mm/s,停顿时间100-300ms,结晶器冷却水进/出口温度30-40℃/50-60℃,冷却水压0.04-0.08MPa,保温炉温度1140-1200℃,石墨底座温度750-900℃,拉铸频率100-150次/min,铸坯出口温度300-500℃,电磁搅拌频率30-50HZ。
进一步地,所述拉铸频率为100-130次/min。
进一步地,所述铸坯出口温度为350-470℃。
进一步地,所述牵引速度300-520mm/s。
进一步地,所述拉铸节距为3-5mm。
进一步地,所述熔炼的具体步骤为:
1)熔化炉内添加电解板、纯铁丝和回料,不用覆盖,待全部熔化完后,电压打到保温档,添加锡块、磷铜、锌块,5分钟后取样化验,添加除渣剂,进行除渣;
2)成分合格后转炉,转炉温度要求1200-1250℃,使用石墨鳞片覆盖,提升保温炉温度至1160-1180℃,取样化验成分,成分合格后,添加0.1kg磷铜作为脱氧剂。
进一步地,所述锡磷青铜棒材包括如下质量百分比的组分:Sn 6.0~7.0%,P 0.1~0.25%,Fe 0.03~0.05%,Zn 0.15~0.2%,Pb<0.01%,Ni<0.2%,余量为Cu和不可避免的杂质。
本发明采用以上技术方案,与现有技术相比,具有如下技术效果:
本发明的结晶器以及水平连铸方法,对锡磷青铜棒材有较好的细化效果,锡的反偏析基本消除,拉丝开裂问题得到解决,锡磷青铜棒材的抗拉强度得到很大的提升。
附图说明
图1为本发明用于制备锡磷青铜棒材的结晶器的结构示意图;
图2为图1中A处的放大图;
图3为本发明实施例1制备的锡磷青铜棒材的金相图;
图4为本发明实施例2制备的锡磷青铜棒材的金相图;
图5为本发明实施例3制备的锡磷青铜棒材的金相图;
图6为本发明对比例1制备的锡磷青铜棒材的金相图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,但不作为本发明的限定。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1-2,本发明提供一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器,包括结晶管1和冷却夹套,冷却夹套包括内管2、中间管3、外管4和分水环5,其中,结晶管1内设有抽液机构,冷却夹套设置于结晶管1的外侧,且冷却夹套为三层管结构,需要说明的是,上述均为现有技术,在此不作赘述,上述结晶管1的长度为1.2-1.8m,本发明采用长结晶器,可以从径向和轴向进行冷却棒材,由于在径向和轴向都有较大的温度梯度,促进均匀形核,更多的形核中心,从而获得晶粒细小均匀的棒材,避免的锡的偏析,同时提高材料的强度;上述外管4与中间管3之间形成进水腔,中间管3与内管2之间形成出水腔,出水腔的径向截面积小于进水腔的径向截面积,冷却水由分水环5均匀进入冷却区域,实现棒材的均匀换热,避免区域混晶问题,材料性能一致性提高,进入窄水缝(出水腔的径向截面积小于进水腔的径向截面积),流量得到快速提升,带走更多的热量达到强化冷却的目的,锡的偏析进一步弱化;结晶管1一端连接有石墨底座6,石墨底座6外壁设置有水冷套7,以便进行温度控制;位于冷却夹套与石墨底座6之间的结晶管无冷却夹套段设置有电磁搅拌器8,在结晶器凝固前沿安装电磁搅拌工装,实现更多的晶粒核心,细化结晶器组织,从而弱化锡的反偏析问题。
本发明还提供一种用于制备锡磷青铜棒材的水平连铸方法,包括如下步骤:
步骤一,按照锡磷青铜棒材的组成配比投料,熔炼;
步骤二,将步骤一得到的合格熔融液进行拉铸,其中,拉铸节距2-6mm,牵引速度300-550mm/s,停顿时间100-300ms,结晶器冷却水进/出口温度20-40℃/50-60℃,冷却水压0.04-0.08MPa,保温炉温度1140-1200℃,石墨底座温度750-900℃,拉铸频率100-150次/min,铸坯出口温度300-500℃,电磁搅拌频率30-50HZ。
进一步优选地,上述拉铸频率为100-130次/min。
拉铸频率在100次/分钟以下,锡磷青铜表层反偏析比较明显,当拉铸频率在100次/分钟以上时锡磷青铜表层反偏析减弱,说明高频拉铸能有效的减弱锡磷青铜的表层反偏析现象,拉铸频率高于150次/min铸坯结晶质量变差,表面质量恶化。提高拉铸频率,增加结晶时的振动,可以有效的增加形核量,达到细化晶粒,减弱青铜的区域偏析。当频率高于某一值时,虽然其晶粒比较细小,但高的频率反而会恶化铸坯的质量,降低铸坯的冷加工性能,主要原因可能是当频率高到一定程度时,虽然还可以细化晶粒,但其将影响到结晶情况,如高频率将导致结晶补缩不充分,从而降低了铸坯的致密度,铸坯的冷加工性能也随之降低。当拉铸频率在稳定在100~130次/分钟,铸坯的延伸率能稳定在40%左右。
进一步优选地,上述铸坯出口温度为350-470℃。
水平连铸铸坯出口温度在500℃以上时,易导致表层偏析相进一步聚集,形成大片状(如梅花状),甚至富集相互连接成片,进一步恶化铸坯的加工性能。低于300℃,容易导致铸造过程断线问题,主要是结晶线后移,导致拉铸阻力增大,凝固不充分而拉断。考虑到青铜水冷实验是空冷至某温再水冷,与水平连铸结晶器冷却再二次水冷相比,其空冷阶段冷却强度低,因此其富锡相温度可能偏低。当出口温度在350~470℃左右,铸坯的延伸率较好。
进一步优选地,上述牵引速度300-520mm/s。
铸坯的牵引速度高于550mm/s时,容易导致锡的偏析严重,同时存在漏铜的风险;当牵引速度低于300mm/s时,容易出现拉断和拉不动问题,棒材直接冻结在结晶器内;当牵引速度300-520mm/s时,铸坯的延伸率比较稳定,铸坯质量较好。
进一步优选地,上述拉铸节距为3-5mm。
拉铸节距高于7mm的时候,铸坯质量恶化,结晶纹深入铸坯,直接导致棒材报废;拉铸节距低于2mm的时候,效率低;另外拉铸节距低于2mm或高于7mm都会引起锡的反偏析问题;当拉铸节距为3-5mm时,铸坯的延伸率能稳定在40%左右。
在本发明中,停顿时间100-300ms,停顿时间低于100ms会引起铸坯表面质量差,结晶补充;停顿时间高于300ms存在断线问题。结晶器冷却水进/出口温度30-40℃/50-60℃,对于进水温度设置在30-40℃主要是该温度处于稳定的自然气温,不会出现明显的金属离子结垢沉积,同时也不会出现高温导致冷却强度降低等问题。保温炉温度1140-1200℃,炉温低于1140℃会发生无法引拉问题,高于1200℃会引起锡偏析,同时棒坯气孔问题也会出现。
在本发明中,石墨底座温度750-900℃,当低于750℃,拉铸过程无法顺利进行,直接导致拉铸断线问题。高于900℃会直接导致漏铜,熔体合金元素也会发生严重的氧化烧损,同时组织晶粒枝晶化发展严重,凝固液穴过深也引起锡的反偏析更加严重,需要通过在结晶器底座安装水冷套,进行温度控制。
在本发明中,电磁搅拌频率在30HZ-50HZ,在结晶器凝固前沿安装电磁搅拌工装,实现更多的晶粒核心,细化结晶器组织,从而弱化锡的反偏析问题,低于30HZ细化补充,搅拌作用力不足,大于50HZ会引起棒材表面开裂,结疤,打乱顺序结晶过程。
作为优选例,上述熔炼的具体步骤为:
1)熔化炉内添加电解板、纯铁丝和回料,不用覆盖,待全部熔化完后,电压打到保温档,添加锡块、磷铜、锌块,5分钟后取样化验,添加除渣剂,进行除渣;
2)成分合格后转炉,转炉温度要求1200-1250℃,使用石墨鳞片覆盖,提升保温炉温度至1160-1180℃,取样化验成分,成分合格后,添加0.1kg磷铜作为脱氧剂。
实施例
本发明提供7个实施例和1个对比例,其中的锡磷青铜棒材均包括如下质量百分比的组分:Sn 6.5%,P 0.12%,Fe 0.031%,Zn 0.15%,Pb<0.01%,Ni<0.2%,余量为Cu和不可避免的杂质。实施例1-7以及对比例1采用的水平连铸方法的工艺参数如表1所示,其中结晶器冷却水进口温度均为35℃、电磁搅拌频率均为30HZ,不在表1中重复列出:
表1
将实施例1-7以及对比例1制备的锡磷青铜棒材进行性能测试,抗拉延伸测试标准:GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法;硬度测试标准:GB/T4340.1-1999《金属维氏硬度试验第1部分:试验方法》;晶粒度测试标准:GB/T36165-2018金属平均晶粒度的测定;金相偏析测试标准:GB/T 224-2008,结果如图3-6、表2所示。
图3为实施例1制备的锡磷青铜棒材的金相图(左:横-边晶粒度0.015mm;右:横-心晶粒度0.015mm),由以上结果可知,锡磷青铜棒材的晶粒细小均匀,α相为基体相,其中存在少量的Pb相,CuSn相,未见局部相组织生长异常,第二相Pb相+CuSn相分布均匀,区域偏析问题未发生。
图4为实施例2制备的锡磷青铜棒材的金相图(左:横-边晶粒度0.015mm;右:横-心晶粒度0.015mm),由以上结果可知,锡磷青铜棒材的晶粒细小均匀,α相为基体相,其中存在少量的Pb相,CuSn相,未见局部相组织生长异常,第二相Pb相+CuSn相分布均匀,区域偏析问题未发生,存在微弱的枝晶,熔炼细化过程不充分和铸造冷却过冷度不够导致异质形核和自发形核数量不够,同时过热导致晶粒数量小,而且枝晶发达,又长大的趋势。
图5为实施例3制备的锡磷青铜棒材的金相图(左:横晶粒度0.015mm;右:纵晶粒度0.015mm),由以上结果可知,锡磷青铜棒材的晶粒细小均匀,α相为基体相,其中存在少量的Pb相,CuSn相,未见局部相组织生长异常,第二相Pb相+CuSn相分布均匀,区域偏析问题未发生。
图6为本发明对比例1制备的锡磷青铜棒材的金相图(左:横晶粒度0.05mm;右:纵晶粒度0.05mm),由以上金相可知,对比例1制备的锡磷青铜棒材组织晶粒粗大,而且存在组织均匀性差,相组织局部粗大,铸态组织存在,锡的固溶不充分,存在于晶界和晶内,第二相Pb和CuSn相存在局部聚集现象。
表2
抗拉强度MPa | 硬度Hv | 延伸率% | 晶粒度um | 反偏析层厚度 | |
实施例1 | 500 | 150/139/142 | 30 | 0.025 | 0.1 |
实施例2 | 520 | 150/141/142 | 35 | 0.015 | 0.12 |
实施例3 | 525 | 140/150/145 | 36 | 0.02 | 0.15 |
实施例4 | 515 | 140/146/143 | 40 | 0.015 | 0.11 |
实施例5 | 510 | 151/147/139 | 35 | 0.02 | 0.14 |
实施例6 | 520 | 147/145/147 | 42 | 0.03 | 0.13 |
实施例7 | 524 | 146/148/146 | 38 | 0.02 | 0.17 |
对比例1 | 465 | 130/148/155 | 18 | 0.06 | 0.5 |
上所述仅为本发明较佳的实施例,并非因此限制本发明的实施方式及保护范围,对于本领域技术人员而言,应当能够意识到凡运用本发明说明书内容及图示所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案,均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于制备锡磷青铜棒材的结晶器,包括结晶管和冷却夹套,所述冷却夹套包括内管、中间管、外管和分水环,其中,所述结晶管内设有抽液机构,所述冷却夹套设置于所述结晶管的外侧,且所述冷却夹套为三层管结构,其特征在于,所述结晶管的长度为1.2-1.8m,所述外管与中间管之间形成进水腔,所述中间管与内管之间形成出水腔,所述出水腔的径向截面积小于所述进水腔的径向截面积;所述结晶管一端连接有石墨底座,所述石墨底座外壁设置有水冷套;位于所述冷却夹套与石墨底座之间的结晶管无冷却夹套段设置有电磁搅拌器。
2.一种用于制备锡磷青铜棒材的水平连铸方法,采用如权利要求1所述的结晶器,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一,按照锡磷青铜棒材的组成配比投料,熔炼;
步骤二,将步骤一得到的合格熔融液进行拉铸,其中,拉铸节距2-6mm,牵引速度300-550mm/s,停顿时间100-300ms,结晶器冷却水进/出口温度30-40℃/50-60℃,冷却水压0.04-0.08MPa,保温炉温度1140-1200℃,石墨底座温度750-900℃,拉铸频率100-150次/min,铸坯出口温度300-500℃,电磁搅拌频率30-50HZ。
3.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述拉铸频率为100-130次/min。
4.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述铸坯出口温度为350-470℃。
5.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述牵引速度300-520mm/s。
6.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述拉铸节距为3-5mm。
7.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述熔炼的具体步骤为:
1)熔化炉内添加电解板、纯铁丝和回料,不用覆盖,待全部熔化完后,电压打到保温档,添加锡块、磷铜、锌块,5分钟后取样化验,添加除渣剂,进行除渣;
2)成分合格后转炉,转炉温度要求1200-1250℃,使用石墨鳞片覆盖,提升保温炉温度至1160-1180℃,取样化验成分,成分合格后,添加0.1kg磷铜作为脱氧剂。
8.根据权利要求1所述的水平连铸方法,其特征在于,所述锡磷青铜棒材包括如下质量百分比的组分:Sn6.0~7.0%,P0.1~0.25%,Fe0.03~0.05%,Zn0.15~0.2%,Pb<0.01%,Ni<0.2%,余量为Cu和不可避免的杂质。
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