專利名稱：連鑄銅合金的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連鑄銅合金的方法和系統(tǒng)。更具體地說，它涉及優(yōu)選用于對碳有高的親合力的合金的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常使用的連鑄可在垂直的、水平的和向下的方向鑄造。許多現(xiàn)有技術(shù)文件涉及該鑄造技術(shù)領(lǐng)域。這些現(xiàn)有技術(shù)文件例如是US2553921和WO 02/20194A1。在向上的鑄造方法中，通過保持水冷卻的管口(nozzle)沉浸到熔體中來接收和冷卻熔體，使得成形的金屬制品被連續(xù)地鑄造。管口要在熔體中浸得足夠深，這樣所接收的熔體的固化點低于在外部的熔體的表面，從而使已固化的熔體可被向上拉出同時被進一步冷卻。
連鑄對鑄模和鑄造環(huán)境的要求很高。由于有這些要求，不是所有的合金都適于使用現(xiàn)有技術(shù)的連鑄方法和系統(tǒng)。例如CuCr，CuCrZr，CuZr或CuTi合金的鑄造就主要在生產(chǎn)上限于鑄坯鑄造。為描述這些技術(shù)，術(shù)語“連鑄”被用來描述鑄造厚度/直徑最大為50毫米的帶或線，用于在工藝中進一步冷加工該材料。在一些情形中，CuCr的連鑄是可能的，但是是在低ppm濃度的Cr(＜2500ppm)的情形下。
連鑄這些合金(CuCr，CuCrZr和CuZr)的限制在于它們對碳的高親合力。用于對銅和銅合金連鑄的典型的模具由石墨制成，它和Cr以及Zr經(jīng)過還原反應(yīng)形成碳化物。熔融的石墨覆蓋物也是常見的，并且也象鑄造模具一樣經(jīng)受相同的反應(yīng)。在鑄造的過程中，Cr和Zr侵蝕模具表面直到因任何下述理由而停止鑄造表面缺陷，在液相(liquidius)界面處的棒的分離，由于和Cr以及Zr的反應(yīng)使得模具逐漸變細導(dǎo)致鑄造材料滯留在模具區(qū)域等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是克服先前所描述的問題，并提供能夠連鑄對碳具有高的親合力的銅合金的方法和系統(tǒng)。
通過時鑄造模具和保護熔體的材料進行選達到這些目標(biāo)。為了連鑄對碳具有高的親合力的銅合金，用陶瓷、特種陶瓷、穩(wěn)定的陶瓷、陶瓷復(fù)合材料或其它的非反應(yīng)性材料代替現(xiàn)有技術(shù)的模具材料，并改變現(xiàn)有技術(shù)類型的熔劑覆蓋層。
按照后面的獨立權(quán)利要求中所描述的方法和系統(tǒng)可以達到上述的這些目標(biāo)。在從屬的權(quán)利要求中介紹了本發(fā)明的其它的有益的實施方案。
所研制的用于連鑄對碳具有高的親合力的銅合金的新方法和系統(tǒng)可以用于垂直的，水平的和向下的鑄造。
具體實施例方式
在下面使用合適材料的一些例子更詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
為了連鑄對碳具有高的親合力的銅合金，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)需更用比石墨模具更不活潑的材料至少部分替換原來的模具材料。其它的可能性是在模上覆蓋足夠的材料。這樣的材料是陶瓷，特種陶瓷，穩(wěn)定的陶瓷，陶瓷復(fù)合材料或其它的非反應(yīng)性材料。對碳具有高的親合力的合金例如是CuCr，CuCrZr，CuZr或CuTi合金，但是本方法和系統(tǒng)不只局限于這些例子。本方法和系統(tǒng)可以用于對碳具有高的親合力的任何合金。現(xiàn)有技術(shù)使用石墨模，它們與Cr和Zr接觸導(dǎo)致模具的壽命縮短。模具并不是唯一的碳的來源，因此我們還不得不選擇其它熔劑覆蓋層。鉻通過碳化物反應(yīng)腐蝕石墨模，然后粗糙的模具表面機械地撕破棒材的薄的固化表層。這發(fā)生在鑄造模內(nèi)部冷卻的金屬熔體開始固化的地方。這個現(xiàn)象導(dǎo)致得到質(zhì)量差的產(chǎn)品。
本發(fā)明的構(gòu)思是通過將模具和熔劑覆蓋層材料替換為更有耐受性的材料，從而防止上述的反應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些材料有益于該目的并且抗Cr的侵蝕，例如很多陶瓷(氮化物或氧化物)，陶瓷復(fù)合材料或穩(wěn)定的復(fù)合材料。特種陶瓷材料Mn+1+AXn也是合適的，其中M是靠前一些的過渡金屬，A是選自A族通常是IIIA或IVA族的元素，X是氮或碳和n是1，2或者3。這些被稱作是312(3one2)材料，并按照每個分子中M，A和X元素的原子數(shù)目被分成三個組。這些組就是已知的211，312和413材料。迄今為止已知超過50個所謂的MAX相。這些材料的少數(shù)幾個例子是Ti2AlN，Cr2GaN和Ti3SiC2?？梢允褂盟龅倪@些材料制成模具，或者只是用它們涂覆。例如可以使用PVD(物理汽相淀積涂覆)、CVD(化學(xué)氣相淀積涂覆)方法或任何其它已知的適合于涂覆的方法進行涂覆。
在大多數(shù)情況下石墨的熱傳導(dǎo)率比陶瓷、陶瓷復(fù)合材料、特種陶瓷或穩(wěn)定的陶瓷的熱傳導(dǎo)率大三至三十倍。這個事實使得能更精確地控制在鑄造模具的內(nèi)部熔體的固化點。這對最終產(chǎn)品的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的。
合適的陶瓷例如氮化硼(BN)，被氧化鋯摻雜的氮化硼(BN+ZrO2)，氧化鋯(ZrO2)，和摻雜的鋯氧化物(ZrO2Me，其中Me＝Ba，Ca或Sr)。現(xiàn)在可得到的這些材料被發(fā)現(xiàn)能提供本發(fā)明問題的最佳解決方案。由于氮化鋁具有與銅合金低的潤濕角，氮化鋁(AlN)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)也是另一種可選擇的模具材料。從Ellingham圖可以知道當(dāng)在Cr和/或Zr富集的環(huán)境中操作時，上述材料具有優(yōu)于石墨的性質(zhì)。可以使用其它的合適的陶瓷，穩(wěn)定的陶瓷(例如釔穩(wěn)定的氧化鋯或鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯)或陶瓷復(fù)合材料等，在這里就不一一提及了。
就垂直的或水平鑄造棒材而言，模具可以完全由經(jīng)選擇的陶瓷，穩(wěn)定的陶瓷，陶瓷復(fù)合材料或其它的合適的材料制成。在特殊的場合，模可以這樣構(gòu)造以致所選擇的材料僅僅是鑄造模具中的型芯(insert)。對向下或水平鑄造而言，也可以完全由所選擇的材料組成模具，并且在省些場合，模具可以是由所選擇的材料的薄片或堆疊的層疊體構(gòu)成。
至少適合于涂覆的陶瓷，其例子是氮化物或氧化物比如TiN，ZrN，Al2O3或Cr2O3。這些只是適合于該目的的例子，無論如何并不僅僅限于這些材料。主要目的是生產(chǎn)盡可能少地與熔體反應(yīng)的模具。
為了保護熔體，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)用于鑄造CuCr，CuCrZr和CuZr的最有效的熔體熔劑是基于氯化物的鹽。例如可以使用BaCl2，CaCl2和SrCl2。它們的熔點分別是962℃，772℃和874℃，并且在銅的熔點上下以液體存在。使用上述氯化物時，與熔點和化學(xué)反應(yīng)性一道也很重要的另一個特征是該氯化物分解的產(chǎn)物即BaO，CaO和SrO的相容性。二元的氯化物-氧化物系統(tǒng)的熔點必須低于鑄造溫度以便保證合金表面完全被熔融的熔劑覆蓋。
例如從相圖可以知道在1200℃所有的氯化物(MeCl2，其中Me＝Ba，Ca或Sr)可以溶解20-50摩爾％的相應(yīng)氧化物(MeO)。在所選擇的物質(zhì)之中CaCl2大概是最敏感的，因為它溶解氧化物的能力是最小的，但是仍然相當(dāng)可觀，大于20摩爾％。
在蒸氣壓估計的基礎(chǔ)上，BaCl2和SrCl2優(yōu)于CaCl2，因為它們的蒸氣壓較CaCl2的稍小些。在1200℃下BaCl2和SrCl2的蒸氣壓大約是10-3.4巴，然而CaCl2的大約是10-3巴。這樣BaCl2和SrCl2的蒸發(fā)損失將因此稍微弱一些。
雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以作各種改進和變化。這樣的改進和變化也落入附后的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.鑄造對碳具有高的親合力的銅合金的方法，包括步驟-選擇對要鑄造的銅合金有耐受性的模具材料；和-選擇對要鑄造的銅合金有耐受性的熔劑覆蓋層材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中至少部分用所述對要鑄造的銅合金有耐受性的材料進行對模具的涂覆。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中整個模具是用所述對要鑄造的銅合金有耐受性的材料進行對模具的涂覆。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中模至少部分是用對要鑄造的銅合金有耐受性的材料制成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中整個模是用對要鑄造的銅合金有耐受性的材料所制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5任何一項的方法，其中從陶瓷，例如氮化硼(BN)，氧化鋯摻雜的氮化硼(BN+ZrO2)，氧化鋯(ZrO2)和摻雜的氧化鋯(ZrO2Me)等中選擇模具材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到5任何一項的方法，其中從特種312陶瓷材料Mn+1+AXn中選擇模具材料，其中M是靠前一些的過渡金屬，A是選自A族通常是IIIA或IVA族的元素，X是氮或碳，和n是1，2或者3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到5任何一項的方法，其中從穩(wěn)定的陶瓷，比如釔穩(wěn)定的氧化鋯，鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯等中選擇模具材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項的方法，其中模具材料是氮化鋁(AlN)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5任何一項的方法，其中模具材料是陶瓷復(fù)合材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中從基于氯化物的鹽例如BaCl2，CaCl2SrCl2等中選擇熔劑覆蓋層材料。
12.一種用于連續(xù)鑄造對碳具有高的親合力的銅合金的系統(tǒng)，其中鑄造模具至少部分用對要鑄造的銅合金有耐受性的材料制成，或者鑄造模具至少部分被這樣的材料覆蓋，并且熔劑覆蓋層是由對要鑄造的銅合金有耐受性的材料制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中從陶瓷、特種312陶瓷，陶瓷復(fù)合材料，穩(wěn)定的復(fù)合材料或氮化鋁(AlN)中選擇鑄造模具材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中陶瓷是氮化硼(BN)，氧化鋯摻雜的氮化硼(BN+ZrO2)，氧化鋯(ZrO2)和摻雜的氧化鋯(ZrO2Me)等。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中特種312陶瓷是Mn+1+AXn材料，其中M是靠前一些的過渡金屬，A是選自A族通常是IIIA或IVA族的元素，X是氮或碳，和n是1，2或者3。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中穩(wěn)定的復(fù)合材料是釔穩(wěn)定的氧化鋯，鎂部分穩(wěn)定的氧化鋯等。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中熔劑覆蓋層材料是基于氯化物的鹽例如BaCl2，CaCl2，SrCl2等。
全文摘要
本發(fā)明涉及連續(xù)鑄造對碳具有高的親合力的銅合金的方法和系統(tǒng)，其中鑄造模具至少部分用對要鑄造的銅合金有耐受性的材料制成，或者鑄造模具至少部分被這樣的材料覆蓋，并且熔劑覆蓋層是由對要鑄造的銅合金有耐受性的材料制成的。
文檔編號B22D11/07GK1810409SQ20051012165
公開日2006年8月2日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月4日
發(fā)明者R·尼珀特, B·斯旺克, I·希耶卡寧, M·吉塔, I·科皮寧 申請人:奧托庫姆普銅產(chǎn)品公司