本發(fā)明涉及一種高性能銅合金的制備技術(shù)，屬于金屬材料制備加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金棒材的非真空熔煉水平連鑄生產(chǎn)工藝。
背景技術(shù)：
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Cu-Cr-Zr合金(0.1％～1.4％的Cr，0.02％～0.20％的Zr，雜質(zhì)<0.2％)具有高的強(qiáng)度和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，且抗軟化溫度高，耐磨性能好，廣泛應(yīng)用于電子元器件接插件、引線框架、高速鐵路接觸線、水冷結(jié)晶器等方面，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防軍工發(fā)展的關(guān)鍵材料。
目前國(guó)內(nèi)外Cu-Cr-Zr合金棒材的主要制備方法有：真空熔鑄冷軋法、真空立式半連鑄熱加工開坯法、真空熔鑄水封擠壓法等。1)真空熔鑄-冷軋法：該工藝裝備投資小，適合于小批量、小規(guī)模生產(chǎn)，難以實(shí)現(xiàn)大盤重、長(zhǎng)尺度Cu-Cr-Zr合金棒材連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)，且所制備鑄錠內(nèi)部易產(chǎn)生成分偏析、組織疏松等鑄造缺陷，難以在后續(xù)冷加工中徹底消除，導(dǎo)致產(chǎn)品性能較差[張進(jìn)東等，接觸線用Cu-Cr-Zr合金制備工藝，中國(guó)發(fā)明專利，CN 100587091 C，2010-02-03]。2)真空立式半連鑄-熱加工開坯法：真空半連續(xù)鑄造-熱加工開坯是生產(chǎn)高性能Cu-Cr-Zr合金棒材的有效方法之一[米緒軍等，一種銅鉻鋯系合金及其制備和加工方法，中國(guó)發(fā)明專利，CN 10171876 A，2010-06-02]。但在生產(chǎn)大盤重、長(zhǎng)尺度棒材時(shí)，該方法需要大型真空熔煉爐和大型熱加工設(shè)備，采用熱加工開坯能耗高、金屬燒損大，且熱加工開坯后需表面酸洗，工藝流程長(zhǎng)，環(huán)境負(fù)擔(dān)大。3)真空熔鑄-水封擠壓法：該方法的特點(diǎn)是將擠壓成形和固溶淬火兩道工序合二為一，可縮短Cu-Cr-Zr合金棒材的生產(chǎn)流程。但在生產(chǎn)大盤重、長(zhǎng)尺度棒材時(shí)，該方法同樣需要大型真空熔煉爐和大型水封擠壓設(shè)備，投資高，能耗大，工藝控制難度大[劉關(guān)強(qiáng).銅-鉻-鋯合金(C18150)棒材新工藝的研究，有色金屬加工，2011，40(2):8-9.]。
考慮產(chǎn)品性能(強(qiáng)度＞500MPa，導(dǎo)電率＞70％IACS)和超長(zhǎng)尺度線材(如高鐵接觸線要求＞1500m)連續(xù)化生產(chǎn)的要求，現(xiàn)有Cu-Cr-Zr合金棒材生產(chǎn)方法存在需要真空熔煉設(shè)備、鑄造質(zhì)量差、單根棒材長(zhǎng)度/重量受限制、工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高等問題，難以高效低成本連續(xù)生產(chǎn)高性能、長(zhǎng)尺度Cu-Cr-Zr合金棒材。上述制備方法存在問題的根源是Cu-Cr-Zr合金真空熔煉、普通鑄造或半連續(xù)鑄造質(zhì)量差、可加工棒材長(zhǎng)度受限等問題。因此，開發(fā)一種基于非真空熔煉的大盤重、長(zhǎng)尺度高質(zhì)量Cu-Cr-Zr合金高效連續(xù)鑄造工藝具有重要意義。
本專利申請(qǐng)人等前期針對(duì)白銅管材開發(fā)了一種熱冷組合鑄型水平連鑄技術(shù)[謝建新等，一種白銅管材熱冷組合鑄型水平連鑄工藝與設(shè)備，中國(guó)發(fā)明專利，CN101966564 A，2010-10-09]，其原理是在傳統(tǒng)水冷結(jié)晶器連鑄基礎(chǔ)上，發(fā)明了一種采用加熱段和冷卻段組成的二段式熱冷組合鑄型進(jìn)行連鑄的工藝，鑄型的加熱段采用感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行強(qiáng)制加熱，冷卻段采用水冷結(jié)晶器進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，由此在管坯凝固界面附近建立起超高的軸向溫度梯度，獲得高軸向取向的柱狀晶組織。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：(1)連鑄管坯組織致密且具有高軸向取向的柱狀晶組織，具有優(yōu)良的冷加工性能，有利于室溫軋制、拉拔等后續(xù)加工；(2)管坯內(nèi)外表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，無(wú)橘皮、褶皺、裂紋等缺陷，不需內(nèi)外表面銑面等處理可直接用于后續(xù)冷加工；(3)可獲得較大的拉鑄速度，可實(shí)現(xiàn)大直徑薄壁管坯的水平連鑄。該發(fā)明工藝為銅合金管材高效生產(chǎn)提供了嶄新的途徑。然而，上述發(fā)明工藝難以直接應(yīng)用于含有易氧化，易偏析合金元素的銅合金棒材的連鑄。
為此，本發(fā)明開發(fā)了一種適合于含有易氧化、易偏析元素的高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金大盤重、長(zhǎng)尺度棒材的非真空熔煉水平連鑄生產(chǎn)工藝。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種基于非真空熔煉和熱冷組合鑄型水平連鑄的生產(chǎn)工藝，用于含有易氧化、易偏析元素的高性能Cu-Cr-Zr合金，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大盤重、長(zhǎng)尺度高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金棒材的高質(zhì)量連鑄。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
用于Cu-Cr-Zr合金的連鑄裝置包括熔化金屬的熔煉系統(tǒng)(非真空)，金屬液保溫系統(tǒng)，水平連鑄系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其中，所述水平連鑄系統(tǒng)包括石墨鑄型、加熱裝置(感應(yīng)加熱)、冷卻裝置(循環(huán)水冷結(jié)晶器)、水平牽引機(jī)構(gòu)(含引錠桿)、噴水二次冷卻裝置等，其特點(diǎn)為：(1)所述石墨鑄型內(nèi)部添加BN或Al2O3涂層，以防止Cu-Cr-Zr合金熔體或凝固后仍處于高溫狀態(tài)的合金棒材與石墨發(fā)生反應(yīng)；(2)所述石墨鑄型裝配在加熱裝置和循環(huán)水冷結(jié)晶器內(nèi)，一端與保溫系統(tǒng)出口處連接。
一種Cu-Cr-Zr合金的短流程水平連鑄工藝具體包括以下步驟：
(1)將含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.02wt％～0.20wt％Zr，雜質(zhì)<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔煉爐中，加熱至1200～1450℃熔化，根據(jù)需要，可在熔煉系統(tǒng)內(nèi)通氬氣保護(hù)、添加覆蓋劑和精煉劑；
(2)對(duì)石墨鑄型內(nèi)表面施加BN或Al2O3涂層；
(3)啟動(dòng)鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1150～1300℃，水冷結(jié)晶器的冷卻水流量為200～2000L/h；
(4)提起塞棒，將熔化的金屬液通過導(dǎo)流管轉(zhuǎn)入保溫爐中，關(guān)閉塞棒，熔化系統(tǒng)繼續(xù)熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設(shè)定為1200～1400℃，靜置0.1～1h；
(6)啟動(dòng)水平牽引機(jī)構(gòu)和鑄型出口處的噴水二次冷卻裝置(水流量：100～1000L/h)，以拉鑄速度為20～500mm/min進(jìn)行連鑄，獲得大盤重、長(zhǎng)尺度、具有強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
(1)采用本發(fā)明提出的水平連鑄生產(chǎn)工藝，在非真空熔化爐中采用氣氛保護(hù)、添加覆蓋劑和精煉劑等措施既可有效地解決Cu-Cr-Zr熔體易氧化的問題，又可突破常規(guī)真空熔煉帶來(lái)的設(shè)備造價(jià)高、熔煉能力受限問題；
(2)采用熱冷組合鑄型連鑄方式，可在凝固界面附近建立超高溫度梯度和較高的冷卻速率，有效解決Cu-Cr-Zr合金凝固過程成分偏析問題，提高了Cu-Cr-Zr合金連鑄棒材的成分穩(wěn)定性和均勻性；
(3)采用本發(fā)明提出的在石墨鑄型內(nèi)表面涂BN或Al2O3的方式，解決了Cu-Cr-Zr合金熔體或凝固后仍處于高溫狀態(tài)的合金棒材與石墨鑄型發(fā)生反應(yīng)的問題；
(4)采用本發(fā)明提出的水平連鑄工藝生產(chǎn)Cu-Cr-Zr合金棒材，有利于合金熔體中的夾雜物和凝固析出氣體排入液相，提高棒材組織致密性；有利于獲得強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織提高合金棒材后續(xù)冷加工性能；
(5)采用本發(fā)明提出的水平連鑄工藝制備Cu-Cr-Zr合金棒材可以通過調(diào)節(jié)拉鑄速度控制合金凝固固液界面位于加熱段和冷卻段之間的過渡段中，有效減少合金凝固時(shí)凝殼長(zhǎng)度和凝殼與鑄型之間的摩擦力，改善棒材的表面質(zhì)量，且可實(shí)現(xiàn)大盤重、長(zhǎng)尺度Cu-Cr-Zr合金棒材的高效制備。
附圖說明：
圖1為本發(fā)明提出的高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr合金棒材的水平連鑄設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中的標(biāo)記說明：1-熔煉爐；2、5、9-為熱電偶；3-塞棒；4-覆蓋劑和精煉劑；6-保溫爐；7-導(dǎo)流管；8-感應(yīng)加熱裝置；10-循環(huán)水冷結(jié)晶器；11-Cu-Cr-Zr合金棒坯；12-水平牽引機(jī)構(gòu)；13-Cu-Cr-Zr合金液；14-帶內(nèi)涂層的石墨鑄型；15-噴水二次冷卻裝置；I-加熱段；II-冷卻段
具體實(shí)施方式：
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明提出的水平連鑄設(shè)備由熔煉系統(tǒng)(1、3、4)、保溫系統(tǒng)(6)和水平連鑄系統(tǒng)(8、10、12、14、15)和輔助系統(tǒng)(2、5、9)等構(gòu)成。熔煉系統(tǒng)的功能是將滿足成分配比要求的合金快速熔化，并為保溫系統(tǒng)提供合金熔體；保溫系統(tǒng)的功能是將熔煉系統(tǒng)提供的合金熔體進(jìn)行防氧化、靜置、除氣、除渣，并為水平連鑄系統(tǒng)提供要求溫度的熔體；水平連鑄系統(tǒng)的功能是將保溫爐內(nèi)金屬液通過控制凝固鑄造成形所需尺寸的棒材，并實(shí)現(xiàn)連續(xù)鑄造；輔助系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)和保存相關(guān)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明提出的水平連鑄基本原理如下：合金在熔煉爐(1)中熔化并靜置后，拔出塞棒(3)后經(jīng)導(dǎo)流管(7)進(jìn)入保溫爐(6)中保溫；當(dāng)保溫爐的溫度與加熱段的溫度達(dá)到設(shè)定值后，開啟水平牽引機(jī)構(gòu)(12)進(jìn)行棒材連鑄成形。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過調(diào)整熔體溫度、加熱段溫度、冷卻段冷卻水流量和拉鑄速度等，控制棒材的表面質(zhì)量與組織性能。
實(shí)施例1：直徑Φ30mm Cu-1.0％Cr-0.16％Zr合金棒材的連鑄成形
(1)將含1.0wt％Cr，0.16％Zr，雜質(zhì)<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔煉爐中，加熱至1350℃熔化，在熔煉系統(tǒng)內(nèi)通氬氣保護(hù)；
(2)對(duì)石墨鑄型內(nèi)表面施加Al2O3涂層；
(3)啟動(dòng)鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1300℃，水冷結(jié)晶器的冷卻水流量為600L/h；
(4)提起塞棒，將熔化的金屬液通過導(dǎo)流管轉(zhuǎn)入保溫爐中，關(guān)閉塞棒，熔煉系統(tǒng)繼續(xù)熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設(shè)定為1300℃，靜置0.6h；
(6)啟動(dòng)水平牽引機(jī)構(gòu)和鑄型出口處的噴水二次冷卻裝置(水流量300L/h)，以拉鑄速度為200mm/min進(jìn)行連鑄，獲得直徑30mm、長(zhǎng)尺度、具有強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
實(shí)施例2：直徑Φ50mm Cu-0.5％Cr-0.08％Zr合金棒材的連鑄成形
(1)將含0.5wt％的Cr，0.08wt％的Zr，雜質(zhì)<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔煉爐中，加熱至1300℃熔化，添加覆蓋劑和精煉劑；
(2)對(duì)石墨鑄型內(nèi)表面施加Al2O3涂層；
(3)啟動(dòng)鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1250℃，水冷結(jié)晶器的冷卻水流量為800L/h；
(4)提起塞棒，將熔化的金屬液通過導(dǎo)流管轉(zhuǎn)入保溫爐中，關(guān)閉塞棒，熔煉系統(tǒng)繼續(xù)熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設(shè)定為1250℃，靜置0.4h；
(6)啟動(dòng)水平牽引機(jī)構(gòu)和鑄型出口處的噴水二次冷卻裝置(水流量：500L/h)，以拉鑄速度為80mm/min進(jìn)行連鑄，獲得直徑50mm、長(zhǎng)尺度、具有強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
實(shí)施例3：直徑Φ80mm Cu-0.2％Cr-0.04％Zr合金棒材的連鑄成形
(1)將含0.2wt％Cr，0.04wt％Zr，雜質(zhì)<0.2％的Cu-Cr-Zr合金放入熔煉爐中，加熱至1250℃熔化，添加覆蓋劑和精煉劑；
(2)對(duì)石墨鑄型內(nèi)表面施加BN涂層；
(3)啟動(dòng)鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1200℃，水冷結(jié)晶器的冷卻水流量為1000L/h；
(4)提起塞棒，將熔化的金屬液通過導(dǎo)流管轉(zhuǎn)入保溫爐中，關(guān)閉塞棒，熔煉系統(tǒng)繼續(xù)熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設(shè)定為1200℃，靜置0.5h；
(6)啟動(dòng)水平牽引機(jī)構(gòu)和鑄型出口處的噴水二次冷卻裝置(水流量：800L/h)，以拉鑄速度為50mm/min進(jìn)行連鑄，獲得直徑80mm、長(zhǎng)尺度、具有強(qiáng)軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。