CN1229857A - 高导耐热铸造铜合金及生产方法 - Google Patents

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徐玉松
张化龙
雷竹芳
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Abstract

本发明公开了一种高导耐热铸造铜合金及生产方法。该合金的化学成分为(wt):Cr:0.41.2,Zr∶0.010.09,Mg:0.01 0.04,Ce∶0.005 0.05。该合金的生产方法是通过选择不同的覆盖剂,采用普通感应炉在大气条件下熔铸。本发明涉及的铸造铜合金具有良好的导电性能、常温力学性能、高温强度和抗氧化性能,生产成本低,可铸造高炉风口套、电机导电环、电力金具及导电颚板等导热、导电零部件。

Description

高导耐热铸造铜合金及生产方法
本发明属于铜合金技术领域，特别是一种高导、耐热铸造铜合金及生产方法。
铜及部分高铜合金具有很高的导电和传热性能，在工程上具有广泛的应用背景，但多数产品的实际使用情况却不尽人意，其主要原因是自身发热或长期受热而引起的蠕变断裂或氧化剥蚀穿孔。解决这一问题的技术关键在于克服合金的导电、传热性和耐热性之间的矛盾。目前已有的美国M2C高导电耐热铜合金及中国专利申请号为92115222.1的铜合金，其化学成分如下表：
代号                                       合金元素(wt％)
    Zr     Cr     Mg     Al RE(Ce+La)   Cu
  M2C 0.1～0.3  0.1～0.3 0.05～0.3   余
92115222.1  0.3～1.1 0.05～1.15 0.02～0.11 0.04～0.2   余
表中，M2C合金是变形铜合金，其铸造性能极差，不适于铸造各类高导电性耐热零部件。92115222.1所述的合金是利用其中的Mg、Al元素在高温条件下形成氧化物保护层，虽然在一定程度上提高了合金的耐热性，，但却严重降低了合金的导电性能，因此不能有效解决合金的导电性和耐热性之间的矛盾，不适于做高导电性耐热铸件。此外，Cu-Cr-Zr合金已往只能在真空或惰性气体保护下熔铸，并经过热处理和冷加工强化后才具备使用性能，一般只能作为变形材料使用，使应用领域受到限制。
Cu-Cr合金是铸造导电、传热零部件的重要材料，该合金的力学性能和工艺性能比铸造紫铜优越，是常温和中低温条件下使用的理想高导材料。但是当使用温度超过200℃时，合金的强度和塑性会急剧降低，故不宜在高温条件下使用。在Cu-Cr合金中添加少量的Al、Mg、Sn、Zr、Ti、Ni、Zn、Mg、Hf均可提高合金的耐热性，除Ag和Hf外，都不同程度地降低Cu-Cr合金导电性能，相比之下Zr可以提高Cu-Cr合金的强度、硬度和耐热性，且对合金导电性能影响较小，是一种理想的添加元素。Cu-Cr-Zr合金中，Zr含量可达0.3％，但大气条件下浇铸时，当Zr含量＞0.1％时，合金有明显偏析现象，拉棒呈缺陷断裂，当合金Zr含量降到0.1％以下时偏析现象消失，合金有稳定的力学性能，因此合金中Zr的含量应控制在0.1％以内。
由Cu-Cr和Cu-Zr二元合金相图可知，Cr、Zr在1000℃铜中的固溶度分别为0.04％和0.02％，因此砂型铸造Cu-Cr-Zr合金在凝固过程中Cr、Zr元素的析出量，会随凝固等温线的不同而在合金界面上表现出不均匀性，导致合金偏析，这种偏析可能使Cr、Zr元素沿晶界富集使晶界不连续，引起铸件热裂。试验表明，在Cr-Cr-Zr合金中加入适量的Mg和Ce可抑制析出相在晶界上沉淀，并细化晶粒，提高合金强度。此外，Mg在合金表面能形成氧化物保护层，增强了合金的高温抗氧化性和耐热性，Ce能与合金中的有害杂质Pb、Bi形成难熔化合物，并具有脱硫、脱氧的作用，使合金的基体得到净化，进一步提高合金的导电性能。因此在Cu-Cr-Zr合金中加入Mg和Ce有利于提高合金的综合性能，但Mg和Ce的加入量应加以控制，否则会给合金带来不利影响。
本发明的目的在于提出一种高导耐热铸造铜合金及生产方法，该合金可以在大气条件下进行铸造生产，并具有良好的导电性、常温力学性能、高温强度和抗氧化性，适用于铸造高炉风口套、电机导电环、电力金具及导电鄂板等导热、导电零部件。
本发明所述的合金成分如下：
    Cu     Cr     Zr     Mg     Ce   杂质总和
  余量   0.4～1.2  0.01～0.09  0.01～0.04  0.005～0.05     ＜0.03
本发明所述的合金的生产方法是：
第一步：熔炼纯铜，在熔炼过程中分批加入覆盖剂，每次加入量以保证铜液与空气能有效隔离为原则，纯铜完全熔化后，在其溶液温度达到1180℃～1280℃时，扒去炉渣和覆盖剂，加入粒度为3～5mm的金属Cr。
第二步：加入Cr后，重新加入覆盖剂，其厚度为30～50mm，保温10～30min。
第三步：当熔液达到1250℃～1300℃时，将Zr(或Cu-Zr中间合金)、Mg、Ce一起加入炉内，再保温2～6min后搅拌扒渣出炉。
第四步：采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温冒口，浇注合格产品。
第五步：铸件在960℃～990℃下保温50min出炉水淬，在460℃～485℃下保温2hr空冷，即可获得使用性能。
本发明所述的覆盖剂的构成可以有以下几种：
A.C和Na3FAl6，
B.CaC和Na2B4O7，
C.LicO3、C、Na2B4O7，
D.NaF、NaCl、Al2O3、CaF和Na3FAl6。
本发明涉及的铸造铜合金具有良好的导电性、常温力学性能、高温强度和抗氧化性，其主要性能指标如下：
                       25℃             427℃
   σbMPa   σ0.2MPa δ％5 HRB ％IACS     σbMPa   σ0.2MPa δ5
    340     260     15     75     70     240    220     15
本发明提供的工艺方法实现了用普通感应炉在大气条件下熔铸，在满足性能要求的情况下，简化了生产工序，降低了生产成本，提高了合金的实用性；与现有技术相比，在相同的生产条件下，合金的常温力学性能有大幅度提高，从而使产品使用寿命得到提高；该合金的比重为8.85g/cm3，熔点为1078℃，线收缩率为1.8％，具有良好的铸造工艺性能，适合浇铸不同类型的铸件，可作为铸造紫铜和铬铜的升级换代材料。
下面将通过实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1.
采用普通感应电炉熔炼纯铜，选用覆盖剂的成分为C 94％+Na3FAl6 6％，其加入量为合金熔量的3％；纯铜熔液在1200℃时扒渣，加Cr，并覆盖保温，其覆盖层为30mm，保温10min；在1250℃时加入Zr、Mg、Ce，保温2min出炉；铸件采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温帽口的方法，浇铸合格的铸件；在980℃下保温50min，水淬，并在460℃下时效2hr。
合金成分：Cr：0.44％，Zr：0.029％，Mg：0.026％，Ce：0.017％，Cu余量。
性能指标：σb：380MPa，σ0.2：300MPa，％δ5：16，HRB：79，％IACS：77。
实施例2.
采用普通感应电炉熔炼纯铜，选用覆盖剂的成分为CaC 90％+Na2B4O7 10％，其加入量为合金熔量的10％；纯铜熔液在1250℃时扒渣，加Cr，并覆盖保温，其覆盖层为35mm，保温15min；在1260℃时加入Cu-Zr中间合金，保温5min出炉；Mg、Ce放入浇包底部出炉浇注；铸件采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温帽口的方法，浇铸合格的铸件；在970℃下保温50min，水淬，并在470℃下时效2hr。
合金成分：Cr：0.67％，Zr：0.076％，Mg：0.013％，Ce：0.01％，Cu余量。
性能指标：σb：400MPa，σ0.2：305MPa，％δ5：15，HRB：83，％IACS：75.1。
实施例3.
采用普通感应电炉熔炼纯铜，选用覆盖剂的成分为LiCO3 10％+C70％+Na2B4O720％，其加入量为合金熔量的20％；纯铜熔液在1260℃时扒渣，加Cr，并覆盖保温，其覆盖层为40mm，保温20min；在1300℃时加入Zr，保温2min出炉；Mg、Ce放入浇包底部出炉浇注；铸件采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温帽口的方法，浇铸合格的铸件；在990℃下保温50min，水淬，并在480℃下时效2hr。
合金成分：Cr：0.64％，Zr：0.034％，Mg：0.017％，Ce：0.01％，Cu余量。
性能指标：σb：380MPa，σ0.2：265MPa，％δ5：20，HRB：75，％IACS：76。
实施例4.
采用普通感应电炉熔炼纯铜，选用覆盖剂的成分为NaF 18％+NaCl 10％+Al2O50％+CaF 10％+NaFAl6 12％，其加入量为合金熔量的15％；纯铜熔液在1290℃时扒渣，加Cr，并覆盖保温，其覆盖层为40mm，保温12min；在1300℃时加入Cu-Zr中间合金和Mg、Ce，保温3min出炉；铸件采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温帽口的方法，浇铸合格的铸件；在985℃下保温50min，水淬，并在480℃下时效2hr。
合金成分：Cr：0.64％，Zr：0.034％，Mg：0.017％，Ce：0.01％。
性能指标：σb：375MPa，σ0.2：295MPa，％δ5：18，HRB：80，％IACS：75.1。

Claims (6)

1.一种高导耐热铸造铜合金，其持征是合金成分为(Wt％)：Cr0.4～1.2，Zr：0.01～0.09，Mg：0.01～0.04，Ce：0.005～0.05，Cu余量，杂质总和＜0.03；
2.一种高导耐热铸造铜合金的生产工艺方法：
第一步：熔炼纯铜，在熔炼过程中分批加入覆盖剂，每次加入量以保证铜液与空气能有效隔离为原则，其覆盖剂总加入量为合金熔量的1～2％，纯铜完全熔化后，在其溶液温度达到1180℃～1280℃时，扒去炉渣和覆盖剂，加入金属Cr；
第二步：加入Cr后，重新加入覆盖剂，其厚度为30～50mm，保温10～30min；
第三步：当熔液达到1250℃～1300℃时，将Zr(或Cu-Zr中间合金)、Mg、Ce一起加入炉内(Mg、Ce亦可放入浇包底部)，再保温2～6min后搅拌扒渣出炉。
第四步：采用底注半开放式浇注系统，在铸件热节部位采用附加冷铁和保温冒口，浇注合格产品。
第五步：铸件在960℃～990C下保温50min出炉水淬，在460℃～485℃下保温2hr空冷，即可获得使用性能。
3.根据根据权利要求2所述的方法，其特种是所述的覆盖剂有以下几种：
A.C(6095％)+Na3FAl6(5+40)％，
B.CaC(6095)％+Na2B4O7(540)％，
C.LiCO3(515)％+C(590)％+Na2B4O7(525)％，
D.NaF520)％+CaCl(5+15)％+Al2O3(4070)％+CaF(520)％+Na3FAl6(525)％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征是金属Cr的粒度为3～5mm。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征是覆盖剂的加入量为熔炼合金总量的1～20％。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征是Mg、Ce可放入浇包的底部。
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