CN1442500A - 可时效硬化的铜合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可时效硬化的铜合金，它含有1.2－2.7wt％的可部分由镍替代的钴，0.3－0.7wt％铍，0.01－0.5wt％锆，选择性的0.005－0.1wt％镁和/或铁和非必要的最多0.15％的至少一种选自铌，钽，钒，铪，铬，锰，钛和铈的元素，其余为铜，包括制备引起的杂质和常用的加工添加剂。这种铜合金用作制备带式浇铸设备的侧堤的模料块的材料。

Description

可时效硬化的铜合金

本发明涉及一种用于制备带式浇铸设备(Bandgiessanlagen)的侧堤的料块(Bloecken)的材料的可时效硬化的合金。

世界范围的目标，特别是钢和铜工业的目标，浇铸尽可能接近最终尺寸的半成品以节省热和/或冷变形步骤，在1970年以前已经引起了所谓的Hazelett带式浇铸设备的发展，其中金属熔体在两个平行运行的带的缝隙中凝固。侧堤在例如由美国专利说明书3 865 176中已知的带式浇铸设备中由带有T形槽的金属的模料块(Formbloecken)或侧堤料块(Seitendammbloecken)构成，其中料块排列成柔性的无端的例如由钢构成的带，沿纵向与浇铸带同步运行。在此，侧堤料块(堤料块)界定由浇铸带形成的铸模空腔。

此外，由EP 0 974 413 A1中已知由带有槽和弹簧(Feder)的料块构成的侧堤链用于带式浇铸设备。这种进一步发展的带有槽和弹簧的模料块的优点在于在浇铸工艺中料块的准确对齐和导向，从而改善浇铸带的表面质量。为防止由塑性形变和裂纹生成引起的对料块的侧棱过早的磨损，一种合适的材料必须具有高硬度和强度，细晶组织以及优良的耐长期软化强度。为了输出液态金属熔体产生的凝固热，还要求模料块材料有高的热导率。

最后具有决定性意义的是，材料最佳的疲劳性能，其要保证在离开浇铸段后料块的再冷却产生的热应力不会引起用于容纳钢带而开槽的T形槽的角落里的料块的开裂。这里特别高的热应力---由不利的几何形状和质量分布引起---预计会存在于带有槽和弹簧的结构的侧堤料块中。

如果产生了这种由热震(Thermoschock)引起的裂纹，在很短的时间后，相应的模料块就已经从带式浇铸机的侧堤链掉落下来，这样熔融液态的金属从铸模空腔中任意流出，可能损坏设备零件。为更换损坏的模料块，必须停止整个带式浇铸设备，浇铸过程中断。

为检测裂纹产生的倾向，一种试验方法已被证实是有效的，其中对模料块进行500℃下两小时的热处理，然后在20-25℃的水中淬火。即使对于多次重复的这种热震试验，合适的材料也不会在T形槽表面产生任何裂纹。

EP 0 346 645 B1中介绍了一种可时效硬化的铜基合金，其含有1.6-2.4％镍，0.5-0.8％硅，0.01-0.2％锆，选择性的最多0.4％铬和/或最多0.2％铁，其余为铜，包括制备引起的杂质。如果这种已知的铜合金用作制备带式浇铸设备的侧堤的标准模料块的材料，其原则上满足高寿命的前提条件。对于这种铜合金，给出了下列性能组合：

20℃的Rm：         635-660MPa

500℃的Rm：        286-372MPa

布氏硬度：         185-191HB(相当于约195-210HV)

电导率：           41.4-43.4％IACS

在热震试验中没有产生裂纹。相对于含有铍的铜基合金的优点是，可能手工干燥精磨模料块，因为在研磨屑中不含有铍。对所用的带有槽和弹簧的侧堤料块的后加工要昂贵得多，一般要求用机器(湿)清洗槽和浇铸面(例如在封闭腔内)，由此防止排放出研磨屑。在这样条件下，原则上可能使用含铍的合金。

但是，EP 0 346 645 B1中提到的CuNiSiZr合金构成的侧堤块料的缺点是，在带式浇铸设备的浇铸操作中的很高的机械和热应力下，侧棱和浇铸面容易过早磨损。这种磨损---如试验结果已经表明一归因于浇铸棱和面的材料软化至低于160HV的数值。而且，已知的CuNiSiZr合金在用作带槽和弹簧的侧堤料块时的抗热震性能不总是足以有效防止在浇铸应用中T形槽中裂纹的产生。

从现有技术出发，本发明的任务是基于，提供一种用于制备带式浇铸设备的侧堤料块，特别是槽和弹簧结构的侧堤料块的材料的可时效硬化的合金，其甚至在高浇铸速度下对于变换的温度应力也是不敏感的，且具有高的耐磨损性能或耐软化性能以及对T形槽中裂纹的产生具有很高的抵抗力。

这个任务通过权利要求1中提到的特征来得以实现。

通过使用由1.2-2.7wt％钴，0.3-0.7wt％铍，0.01-0.5wt％锆，选择性的0.005-0.2wt％镁和/或铁和余量的铜，还包括制备引起的杂质和常用的加工添加剂构成的铜基合金，一方面可以保证材料具有足够的可时效硬化性以达到高强度、硬度和电导率。另一方面，只要求相对小的，最高40％的冷变形，以调节具有足够塑性的细晶组织。通过有针对性的分阶的锆含量，既可以改善耐疲劳性能，也可以改善耐热性能。

进一步改善侧堤料块的机械性能，特别是提高抗拉强度，可以按权利要求2有利地通过含有1.8-2.4wt％钴，0.45-0.65wt％铍，0.15-0.3wt％锆，最高0.05wt％镁和/或最高0.1％铁的铜合金来实现。

本发明允许，相应于权利要求3的特征，铜合金中最高80％含量的钴可以由镍替代。

如果铜合金含有最多0.15wt％的至少一种选自铌，钽，钒，铪，铬，锰，钛和铈的元素，可以进一步改善侧堤料块的机械性能。同样可以添加最多0.03wt％的常用脱氧剂，例如硼，锂，钙，铝和磷，不会对本发明的铜合金的机械性能有负面影响。

按照进一步的实施方案(权利要求4)，一部分锆含量可以由最多0.15wt％的至少一种选自铈，铪，铌，钽，钒，铬，锰和钛的元素替代。

有利地，按本发明的铜合金构成的用于双带式浇铸设备的侧堤的料块，按权利要求5通过工艺步骤：浇铸，热变形，冷变形至多40％，在850-970℃范围内某一温度下固溶退火以及在400-550℃下时效硬化处理0.5-16小时来制备。

特别有利的是，这种铜合金可以按照权利要求6在热变形后冷变形5-30％。这里特别优选在上述范围内的10-15％的冷变形度。

如果在已时效硬化状态下的侧堤料块按照权利要求8或9具有至少650MPa，特别是700-900MPa的抗拉强度，至少210HV，特别是230-280HV的维氏硬度，至少40％IACS，特别是45-60％IACS的电导率，在500℃下至少400MPa，特别是至少450 MPa的高温抗张强度，在500℃下搁置500小时后最低硬度为160HV，按照ASTM E 112的最大粒度为0.5mm。

特别优选的是，按权利要求10，按本发明的铜合金的侧堤料块在已时效硬化状态下按ASTM E 112计算的粒度在30-90μm之间。

按照权利要求5中给出的工艺步骤的顺序，此外以特别简单的方式成功地消除了在已知的CuCoBe合金中观察到的很差的在热变形和固溶退火处理中的重结晶行为。很差的重结晶行为在制备由CuCoBe合金构成的模料块时，在热变形，固溶退火和时效硬化状态下导致对于使用目的不可接受的粒度直至高于1mm的粗晶组织结构。但是，如果材料在热变形和固溶退火处理之间进行冷变形至最多40％，优选至最多15％，则该附加的加工步骤导致明显更细晶的组织结构。相应的试验系列已经证实，用于带式浇铸机的侧堤的模料块的，在重结晶温度之下冷变形和随后固溶退火的材料具有粒度小于0.5mm的明显更细的组织结构，而高于约40％的较高冷变形度在随后的固溶退火中由于二次重结晶导致晶粒粗化，粒度高于1mm。

下面根据实施例对本发明进一步阐述。用三个按本发明的合金(A，B和C)和三个比较实施例(D，E和F)说明了按本发明的铜合金的优点。下表1给出了重量百分比表述的铜合金的组成：

                                             表1

合金	Co(％)	Ni(％)	Be(％)	Zr(％)	Si(％)	Cr(％)	Cu(％)
								A	2.1	-	0.54	0.18	-	-	余量
B	2.2	-	0.56	0.24	-	-	余量
								C	1.3	1.0	0.48	0.15	-	-	余量
D	-	2.0	-	0.16	0.62	0.34	余量
								E	2.1	-	0.55	-	-	-	余量
F	1.0	1.1	0.62	-	-	-	余量

合金D的组成是指已知的CuNiSi基合金，而E和F是标准化的CuCo2Be或CuCoNiBe材料。

所有的铜合金在感应坩埚炉中熔化，在连续浇铸工艺中浇铸成直径为280mm的圆形料块。实施例合金A，B和C的圆形料块在挤压机中，高于900℃的温度下，挤压成尺寸为79×59mm的扁棒，然后以截面减少12％拉伸为75×55mm的尺寸，对比例合金D、E和F的料块在相同温度下直接挤压成75×55mm的尺寸且不再进行额外的冷变形。然后，CuCoBe或CuCoNiBe材料在900-950℃下固溶退火，且在450-550℃之间的温度范围内时效硬化0.5-16小时。

CuNiSi基合金在800-850℃下固溶退火，且在同样的条件下时效硬化。在已时效硬化状态下，测定抗拉强度Rm，维氏硬度HV10，电导率(热导率的替代参数)，按照ASTM E 112的粒子尺寸，在500℃下的耐热性Rm和在500℃下搁置500小时后的通过维氏硬度(HV10)测量的耐软化性。

最后测试尺寸为70×50×40mm的模料块(1)和尺寸为70×50×47mm的带有槽和弹簧的模料块(2)的热震行为。为此，模料块首先在500℃下退火2小时，然后在20-25℃的水中淬火。然后，料块的T形槽用裸眼和10倍显微镜检查裂纹的增大情况。

在下表2中总结了所有的试验结果。

                           表2：

合金	RmMPa	HV 10	电导率％IACS	粒度μm	Rm(500℃)Mpa	在500℃搁置500小时后的硬度HV10	热震试验后的性能
									料块(1)料块(2)
							A	801			254	50	30-90	523	173	无裂纹	无裂纹
B	804	245	51.5	45-90	464	175			无裂纹	无裂纹
							C	812			255	49.5	45-90	485	167	无裂纹	无裂纹
D	652	205	43	45-90	387	118			无裂纹	有裂纹
							E	786			260	50.5	最高5000	423	150	有裂纹	有裂纹
F	807	248	48.5	最高3000	434	152			有裂纹	有裂纹

所确定的T形槽中的裂纹的延伸对于归类为有裂纹的模料块是2-5mm，在个别情况下裂纹长度最大为10mm。由对比可以看出，与材料E和F相比，按本发明以附加的小的冷变形制备的铜合金A，B和C在具有优化性能的同时具有令人惊奇的特别均匀和细晶的组织结构，在用作带有槽和弹簧的模料块时具有必要的对裂纹产生的抵抗力。在作为通常的模料块使用时，本发明的铜合金还具有相对于已知的CuNiSi合金D的明显改善的耐软化性能和相对于合金E和F具有改善一些的耐软化性能。

因此，按本发明的铜合金很突出地适合于用作制备所有在浇铸过程中经受典型的变化的温度应力的用于带式浇铸设备的侧堤的模料块的材料。这不仅有目前使用的模料块，还有按照EP 0 974 413 A1的带槽和弹簧的结构的模料块。

Claims (10)

1.一种用作制备带式浇铸设备的侧堤的料块的材料的可时效硬化的合金，其含有1.2-2.7wt％钴，0.3-0.7wt％铍，0.01-0.5wt％锆，选择性的0.005-0.2wt％镁和/或0.005-0.2％铁和非必要的最多0.15％的至少一种选自铌，钽，钒，铪，铬，锰，钛和铈的元素，其余为铜，包括制备引起的杂质和常用的加工添加剂。

2.权利要求1的铜合金，其含有1.8-2.4wt％钴，0.45-0.65wt％铍，0.15-0.3wt％锆，最高0.05wt％镁，最高0.1％铁，其余为铜，包括制备引起的杂质和常用的加工添加剂。

3.权利要求1或2的铜合金，其中最高80％含量的钴可以由镍替代。

4.权利要求1至3之一的铜合金，其中一部分锆含量可以由最多0.15％的至少一种选自铈，铪，铌，钽，铬，锰，钛和钒的元素替代。

5.权利要求1至4之一的铜合金，其在浇铸的毛坯的热变形后，冷变形最多40％，然后在850-970℃范围内某一温度下固溶退火，再在400-550℃下的时效硬化处理0.5-16小时。

6.权利要求5的铜合金，其在热变形的工艺步骤后冷变形5-30％。

7.权利要求5或6的铜合金，其在热变形的工艺步骤后冷变形10-15％。

8.权利要求1至7之一的铜合金，其在已时效硬化状态下具有至少650MPa的抗拉强度，至少210HV的维氏硬度，至少40％IACS的电导率，在500℃下至少400MPa的高温抗张强度，在500℃下搁置500小时后最低硬度为160HV，按照ASTM E 112的最大粒度为0.5mm。

9.权利要求1至8之一的铜合金，其在已时效硬化状态下具有700-900MPa的抗拉强度，230-280HV的维氏硬度，45-60％IACS的电导率，在500℃下至少450MPa的高温抗张强度，在500℃下搁置500小时后最低硬度为160HV。

10.权利要求1至9之一的铜合金，其按ASTM E 112计算的粒度在30-90μm之间。