CN209502916U - 一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，属于金属材料加工技术领域。本实用新型的超声连铸设备包括真空罩、熔炼坩埚、加热炉、结晶器、引锭装置、超声振动装置和二次加料装置；所述的熔炼坩埚、加热炉、结晶器和二次加料装置置于真空罩内；所述的二次加料装置与熔炼坩埚相连接；所述的熔炼坩埚通过加热炉进行加热；所述的熔炼坩埚下端连接有导流管；所述的结晶器安装在导流管外侧；所述的引锭装置设置在结晶器的下端，连铸出连铸坯料；所述的超声振动装置安装在结晶器的出口处。本实用新型的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。

Description

一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备

技术领域

本实用新型涉及一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

高强度、高导电性铜合金微细丝材广泛应用于在大规模集成电路、尖端数字通讯设备、继电器、微特电机、电子变压器、电磁阀、航空航天和国防装备等电子元器件中，此类材料要求直径小于0.05mm，同时要求抗拉强度大于400MPa以承受绕制线圈的拉力和强洛仑兹力，又必须兼有80％IACS以上的相对电导率，以避免产生高的焦耳热，目前常用材料为添加1～4％银的铜合金，常规纯铜材料无法满足这种特殊场合的要求。

我国已经成为继电器、微特电机和电子变压器等电子元器件的最大生产国和使用国，2017年铜合金微细丝材用量超过4万吨，产值超300亿元。但是由于在材料制备核心技术方面与发达国家的差距，我国仅能生产附加值较低的纯铜微细丝，对于高强度、高导电性铜合金微细丝，我国大量厂家只能高价进口直径1mm左右的母材，然后再拉拔成直径0.05mm以下的微细丝，由此造成国外母材供应商赚取了大量的垄断利润，而留给我国厂家的只剩微薄的加工费。

出现上述问题的根本原因在于，国产的高强度、高导电性铜合金微细丝母材不能达到最佳的成分及显微结构要求。主要原因有两个：

(1)银在铜中的富集析出，在高温液态情况下，铜和银可以无限混溶，但是在常温状态下，银在铜中的溶解度小于0.5％，因此多余的银在铜在约600℃(Tc点)以上时容易富集析出形成富集相，富集相为脆性相，在微丝拉拔时极易造成断丝现象；

(2)液态铜银中的气体和夹杂物较多，在微丝拉拔时容易造成断丝。

目前，我国高强度、高导电性铜合金微细丝制备工艺是先进行真空熔炼，在真空环境下除去铜和银中的气体和夹杂物，铸成直径约为100mm的铸锭；再均匀化退火，消除银的偏析并固溶处理；然后经过挤压机在600℃以上的温度，挤成直径40mm左右的棒坯；在经过热轧和冷轧工序轧制成直径5mm的盘圆，拉拔到直径约1mm制备成母材；最后拉拔成直径0.05mm以下的高强度、高导电性铜合金微细丝。上述工艺总体而言工序繁琐，所需设备复杂，耗能较高，而且很难完全去除合金的中氧化物和夹杂物，在微细丝材拉拔时极易发生断线。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，首先在高纯石墨坩埚内将电解铜在真空条件下于1100～1200℃高温下熔化为液体，然后通过二次加料装置将银加入坩埚和铜一起熔化为铜银合金，液态合金熔炼均匀后，经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出小直径连铸坯料，在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时氧化物夹杂上浮、细化晶粒和避免银元素凝固时生成银富集脆性相的目的。

本实用新型的第一个目的是提供一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，包括真空罩、熔炼坩埚、加热炉、结晶器、引锭装置、超声振动装置和二次加料装置；所述的熔炼坩埚、加热炉、结晶器和二次加料装置置于真空罩内；所述的二次加料装置与熔炼坩埚相连接；所述的熔炼坩埚通过加热炉进行加热；所述的熔炼坩埚下端连接有导流管；所述的结晶器安装在导流管外侧；所述的引锭装置设置在结晶器的下端，连铸出连铸坯料；所述的超声振动装置安装在结晶器的出口处，用以对连铸坯料进行超声振动。

进一步地，所述的熔炼坩埚为石墨坩埚或粘土坩埚

进一步地，本实用新型优选石墨坩埚。

进一步地，所述的导流管由石墨制备而成。内径为1～20mm，壁厚为4～8mm。

进一步地，所述的熔炼坩埚内还设有液态金属测温仪。所述液态金属测温仪的热电偶为铂铑热电偶，外侧为刚玉管。

进一步地，所述的加热炉为线圈感应加热炉。

进一步地，所述的二次加料装置为翻转加料，安装在加热炉的上方。

进一步地，所述的真空罩还连接有抽气装置，所述的真空罩采用厚度大于5mm的不锈钢板制成，抽气装置的真空度低于0.01Pa。

进一步地，所述的结晶器内还设有结晶器测温仪，所述的结晶器测温仪的热电偶为镍铬-镍硅材料。

进一步地，所述的结晶器下端还安装有水冷套，所述水冷套置于真空罩内。

进一步地，所述的超声振动装置的工作杆部分采用TC4钛合金材质，可提升换能器电声转换效率，发热量低，功率稳定性高。超声振动装置用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为20～100kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.5～3A输出功率：30～200W，超声换能器内部过热保护小于65℃，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时细化晶粒和促进银元素均匀分布的目的。

进一步地，所述的连铸坯料外侧设有速度传感器，用于测试连铸速度。

进一步地，所述的超声连铸设备安装在机架上。

本实用新型的有益效果是：

(1)采用真空超声连铸工艺直接连铸出小直径的高强度、高导电性铜合金连铸坯，进而直接拉拔成直径1mm的微细丝母材，简化了生产工序，生产过程无污染，节能降耗，提高了产品质量和工作效率，所生产的铜银合金母材进过拉拔可直接最后拉拔成直径0.05mm以下的高强度、高导电性铜合金微细丝。

(2)本实用新型在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时氧化物夹杂上浮、细化晶粒和避免银元素凝固时生成银富集脆性相的目的。且本实用新型的超声振动装置安装在结晶器出口的下端，超声头易调整。

(3)本实用新型可以改善铸锭组织、成分和性能的不均匀现象，也可改善铸锭表面质量，提高力学性能，进而减小制备过程中的能耗，降低产品的成本，提高成材率。

(4)本实用新型通过二次加料装置，先将电解铜熔化后再加入银，先将铜中的氧去除，改善铸锭性能。

(5)本实用新型的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。

附图说明

图1是本实用新型超声连铸设备的示意图，其中1、真空罩；2、抽气装置；3、加热炉；4、熔炼坩埚；5、导流管；6、结晶器；7、水冷套；8、速度传感器；9、超声振动装置；10、引锭装置；11、导杆；12、机架；13、结晶器测温仪；14、液态金属测温仪；15、二次加料装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

实施例1：

结合附图1，本实用新型的铜银合金超声连铸坯设备，包括真空罩1、熔炼坩埚4、加热炉3、结晶器6、引锭装置10、超声震动装置9、和二次加料装置15；熔炼坩埚4、加热炉3、结晶器6和二次加料装置15置于真空罩内；二次加料装置15与熔炼坩埚4相连接；熔炼坩埚4通过加热炉3进行加热，本实用新型的加热炉3为线圈感应加热炉；熔炼坩埚4下端连接有导流管5，用于导流熔炼后的液态金属；结晶器6安装在导流管5外侧，熔炼后的液态金属经过导流管5在结晶器6的冷却作用下凝固；引锭装置10设置在结晶器6的下端，用于将经过结晶器6凝固作用后的合金连铸出连铸坯料；超声振动装置9安装在结晶器6的出口处下端，用以对连铸坯料进行超声振动。

本实用新型的真空罩1还连接有抽气装置2，真空罩采用厚度大于5mm的不锈钢板制成，抽气装置的真空度低于0.01Pa。

本实用新型的熔炼坩埚4优选石墨坩埚，直径大于100mm。石墨坩埚下端与导流管5连在一起，导流管5也是由高纯石墨制备而成，内径为1～20mm，壁厚为4～8mm。本实用新型的熔炼坩埚4内还设有液态金属测温仪14。液态金属测温仪14的热电偶为铂铑热电偶，外侧为刚玉管。

本实用新型的二次加料装置15为翻转加料装置，安装在加热炉3的上方。

本实用新型的结晶器6内还设有结晶器测温仪13，结晶器测温仪13的热电偶为镍铬-镍硅材料。结晶器6下端还安装有水冷套7，水冷套7也置于真空罩1内。

本实用新型的超声振动装置9的工作杆部分采用TC4钛合金材质，可提升换能器电声转换效率，发热量低，功率稳定性高。超声振动装置9用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为20～100kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.5～3A输出功率：30～200W，超声换能器内部过热保护小于65℃，超声振动的能量通过连铸坯向上传递，使铜银合金的熔体接受超声振动的能量，达到连铸时细化晶粒和促进银元素均匀分布的目的。

本实用新型的连铸坯料外侧设有速度传感器8，用于测试连铸速度。

本实用新型的超声连铸设备安装在机架12上。

(1)采用本实用新型的设备制备直径为8mm的，含银量为1.5％的铜银合金连铸坯：

首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1100℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量1.5％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1100℃高温下保温10分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为8mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为30kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.6A，输出功率40W，超声换能器内部过热保护60℃，超声振幅10微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为40mm/min。

(2)采用本实用新型的设备制备直径为10mm的，含银量为2.5％的铜银合金连铸坯：

首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1150℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量2.5％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1150℃高温下保温15分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为10mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为50kHz，电源输入为交流220V±10％，电流0.8A，输出功率60W，超声换能器内部过热保护62℃，超声振幅20微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为50mm/min。

(3)采用本实用新型的设备制备直径为12mm的，含银量为4％的铜银合金连铸坯：

首先将电解铜放入石墨坩埚，在真空条件下于1200℃高温下熔化为液体，然后用二次加料装置放入占电解铜质量4％的纯银，银和铜一起熔化为铜银合金，经感应线圈加热后将液态合金熔炼均匀，液态金属在1200℃高温下保温20分钟；熔炼均匀的后铜银合金经过导流管在结晶器的冷却作用下凝固，通过引锭装置连铸出直径为2mm的坯料；在结晶器出口的下端装有超声振动装置，用以对连铸坯料进行超声振动，超声频率为100kHz，电源输入为交流220V±10％，电流1.5A，输出功率100W，超声换能器内部过热保护63℃，超声振幅30微米；在结晶器出口的下端装有速度传感器，用于测量坯料连铸的速度，坯料连铸速度为60mm/min。

本实用新型的连铸坯料经过拉拔测试，可以直接拉拔到直径小于0.05mm的微细丝不断裂，同时微细丝抗拉强度大于400MPa，完全达到了高强高导铜银合金微细丝的要求。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，包括真空罩、熔炼坩埚、加热炉、结晶器、引锭装置、超声振动装置和二次加料装置；所述的熔炼坩埚、加热炉、结晶器和二次加料装置置于真空罩内；所述的二次加料装置与熔炼坩埚相连接；所述的熔炼坩埚通过加热炉进行加热；所述的熔炼坩埚下端连接有导流管；所述的结晶器安装在导流管外侧；所述的引锭装置设置在结晶器的下端，连铸出连铸坯料；所述的超声振动装置安装在结晶器的出口处。

2.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的熔炼坩埚为石墨坩埚或粘土坩埚。

3.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的导流管由石墨制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的熔炼坩埚内还设有液态金属测温仪。

5.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的加热炉为线圈感应加热炉。

6.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的二次加料装置为翻转加料装置，安装在加热炉的上方。

7.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的真空罩还连接有抽气装置。

8.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的结晶器内还设有结晶器测温仪。

9.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的结晶器下端还安装有水冷套，所述水冷套置于真空罩内。

10.根据权利要求1所述的一种制备小直径铜银合金的超声连铸设备，其特征在于，所述的连铸坯料外侧设有速度传感器。