專利名稱：能時(shí)效硬化的銅合金的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能時(shí)效硬化的銅合金在制造鑄輥和鑄輪方面的應(yīng)用，所述鑄輥和鑄輪在近似最終尺寸鑄造時(shí)經(jīng)受變化著的溫度負(fù)荷。
世界性的、尤其是鋼鐵工業(yè)的目標(biāo)是，盡可能將所生產(chǎn)的坯件鑄造到接近最終尺寸，以節(jié)省熱加工及/或冷加工步驟。約從1980年起，此目標(biāo)導(dǎo)致了一系列發(fā)展，例如單輥連注法和雙輥連注法。
就這些鑄造方法來(lái)說(shuō)，在澆注合金鋼、鎳、銅，以及在熔體澆注區(qū)只能困難地進(jìn)行熱軋的合金時(shí)，水冷式軋輥或輥?zhàn)由袭a(chǎn)生很高的表面溫度。例如在對(duì)合金鋼進(jìn)行近似最終尺寸鑄造，而且鑄輥由電導(dǎo)率為48m/Ωmm2、熱導(dǎo)率約為320W/mK的CuCrZr材料制成時(shí)，這種高表面溫度為350-450℃。CuCrZr基材料，迄今主要用于經(jīng)受高熱負(fù)荷的連鑄結(jié)晶器和鑄輪。通過(guò)在每次快轉(zhuǎn)到澆注區(qū)之前對(duì)鑄輥進(jìn)行循環(huán)冷卻，可使這種材料的表面溫度降到150至200℃。然而在旋轉(zhuǎn)時(shí)，在鑄輥被冷卻的背面，溫度在很大程度上恒定在大約30℃至40℃。表背兩面之間的溫度梯度與鑄輥表面溫度周期變化相結(jié)合，在鑄輥材料表面區(qū)造成很大的熱應(yīng)力。
根據(jù)對(duì)迄今所用CuCrZr材料在不同溫度下，以±0.3%伸長(zhǎng)率和0.5Hz的頻率(這些參數(shù)相當(dāng)于大約30轉(zhuǎn)/分的鑄輥轉(zhuǎn)速)進(jìn)行的疲勞性能試驗(yàn)，例如在最大表面溫度為400℃(相當(dāng)于水冷之上25mm的壁厚)時(shí)，可以期望在最有利的情況下，至產(chǎn)生裂紋的壽命為3000周期。因此，在約100分鐘的較短使用時(shí)間后，必須修整鑄輥，以除去表面裂紋。為了更換鑄輥，必須停下鑄機(jī)，中斷鑄造過(guò)程。
良好的結(jié)晶器材料CuCrZr還有一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)這種應(yīng)用情況來(lái)說(shuō)，約110-130HB的硬度是較小的。在單輥或雙輥連鑄法中，當(dāng)然不可避免的是，飛濺的鋼液在澆注區(qū)之前就已抵達(dá)鑄輥表面。此后凝固的鋼顆粒就被壓入比較軟的鑄輥表面，所鑄的厚度約1.5-4mm帶材的表面質(zhì)量因此而明顯下低。
添加最多1%Nb的已知CuNiBe合金，盡管電導(dǎo)率也較小，但表面溫度卻比CuCrZr合金高。由于電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率成反比關(guān)系，所以用CuNiBe合金制造的鑄輥，同用CuCrZr合金制造的、表面最高溫度為400℃、背面最高溫度為30℃的鑄輥相比，其表面溫度被提高到約540℃。
雖然CuNiBe或CuCoBe三元合金的布氏硬度原則上超過(guò)200HB，但用這些合金制造的標(biāo)準(zhǔn)半成品如制造電阻焊電極用的棒材或制造彈簧或引線架的板材和帶材，其電導(dǎo)率至多達(dá)到26至約32m/Ωmm2范圍內(nèi)的值。在最佳條件下，用這些標(biāo)準(zhǔn)材料，鑄輥的表面溫度只能達(dá)到約585℃。
最后，即使對(duì)于由US 4 179 314基本已知的CuCoBeZr或CuNiBeZr合金也沒(méi)有指明，在有目的地選擇合金成分時(shí)，可以達(dá)到導(dǎo)電率值＞38m/Ωmm2與最低硬度值為200HB的結(jié)合。
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種用來(lái)制造鑄輥、鑄輥套和鑄輪的材料，這種材料即使在澆注速度大于3.5m/min時(shí)，也對(duì)變化的溫度應(yīng)力不敏感，或者這種材料在鑄輥工作溫度下具有高的疲勞強(qiáng)度。
特別適合這種應(yīng)用場(chǎng)合的，有一種能時(shí)效硬化銅合金，它由1.0-2.6%Ni、0.1-0.45%Be、余量為Cu和制造條件下的雜質(zhì)及一般處理添加元素組成，其布氏硬度至少為200HB，電導(dǎo)率大于38m/Ωmm2。
機(jī)械性能的另一個(gè)改進(jìn)，尤其是提高抗拉強(qiáng)度可有利地通過(guò)添加0.005-0.25%Zr來(lái)達(dá)到。
本發(fā)明銅合金，在鎳含量大于1.2%時(shí)，合金組成中鎳與鈹?shù)谋壤齼?yōu)先選擇至少為5∶1。
也能實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能的其它改進(jìn)，只要向本發(fā)明所采用的合金中添加至少一種選自Nb、Ta、V、Ti、Cr、Ce、及Hf的元素，其總添加量最多為0.15%。
在研究例如符合ASTM及DIN標(biāo)準(zhǔn)的合金時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)，鎳含量在1.1-2.6%時(shí)，當(dāng)鎳含量與鈹含量之比在某個(gè)確定范圍之內(nèi)，并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理或形變熱處理，就有可能使對(duì)于近似最終尺寸鑄造的鑄輥達(dá)到所需的性能，也即布氏硬度＞200HB，電導(dǎo)率至少38m/Ωmm2，并因而也獲得高抗疲勞性能。
下面借助一些實(shí)施例來(lái)詳細(xì)闡述本發(fā)明。四種本發(fā)明所用合金(合金F至K)和四種對(duì)比合金(合金A至D)表明，為要獲得所力求的綜合性能，成分是多么至關(guān)重要。作為例子所列舉的合金成分各以%(重量)列于表1。相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果概括于表2。
表1合金NiBeCuA1.430.54余量B1.480.40余量C1.830.42余量
D2.120.53余量F1.480.29余量G1.860.33余量H1.950.30余量K2.260.35余量表2合金Ni/BeHB電導(dǎo)率(2.5/187.5) m/Ωmm2A2.619330.9B3.722436.1C4.423537.0D4.022933.9F5.124939.4G5.624738.5H6.524939.8K6.524939.8表2列出不同鎳、鈹含量(相應(yīng)于不同Ni/Be比例)合金的硬度值和導(dǎo)電率值。全部合金都在真空爐中熔煉、熱變形，并在925℃下經(jīng)至少1小時(shí)固溶退火并隨后在水中驟冷4至32小時(shí)后，在350-550℃溫度范圍內(nèi)的某個(gè)溫度下時(shí)效硬化。
正如在本發(fā)明可用的合金F、G、H和K的情況下可以看到的那樣，當(dāng)鎳與鈹?shù)闹亓勘戎辽贋?∶1時(shí)，可以獲得所力求的綜合性能。
當(dāng)鑄輥或鑄輥套在固溶退火之后補(bǔ)充進(jìn)行約25%的冷變形時(shí)，還可進(jìn)一步改善導(dǎo)電率。
如此舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一種合金含有1.48%Ni且Ni/Be之比至少為5.1時(shí)，經(jīng)480℃下32小時(shí)時(shí)效硬化處理后，獲得43m/Ωmm2的電導(dǎo)率和225HB的布氏硬度。隨著鎳含量的提高，有可能通過(guò)提高Ni/Be之比使這些性能進(jìn)一步最佳化。一種含2.26%Ni和Ni/Be比為6.5的銅合金，在經(jīng)480℃、32小時(shí)時(shí)效硬化處理后，具有230HB的布氏硬度和40.5m/Ωmm2的電導(dǎo)率。為了獲得所力求的性能，例如對(duì)于2.3%的鎳含量來(lái)說(shuō)，Ni/Be之比的上限可為7.5。
本發(fā)明可用的另外7種合金的成分及技術(shù)性能列于表3和表4。所有這些合金均經(jīng)925℃固溶退火，然后進(jìn)行25%冷變形，接著進(jìn)行480℃、16小時(shí)時(shí)效硬化處理。
表3合金NiBeZrCu%%%L1.490.24余量M2.260.35余量N2.070.320.18余量O1.510.280.19余量P1.510.210.17余量R1.400.210.21余量S1.780.280.21余量表4合金Ni/Be屈服點(diǎn)Rm延伸率硬度電導(dǎo)率HBN/mm2N/mm2% 2.5/187.5 m/Ωmm2L6.26817261924440.2M6.57117561825540.1N6.56827921822038.6O5.423439.0P7.221140.9R6.36266801521741.1S6.36627121322340.8由這些試驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)一步斷定，在添加Zr的CuNiBe合金中，在遵循Ni/Be之比為5至7.5時(shí)，也能獲得高電導(dǎo)率值和布氏硬度值的結(jié)合。隨著Zr添加量達(dá)到0.25%，電導(dǎo)率較之不含Zr的CuNiBe合金出乎意料地只有很小的降低，而且能保證最小值為38m/Ωmm2。另一方面，鋯的添加提供了加工上的優(yōu)點(diǎn)，并改進(jìn)了熱塑性。
為了對(duì)疲勞性能進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，選擇了實(shí)例合金N，因?yàn)樗哂休^小的導(dǎo)電率。就合金N而言，可使鑄輥的最高表面溫度達(dá)到約490℃。照此，在澆注鋼時(shí)鑄輥所受的迄今已知負(fù)荷條件下，本發(fā)明可用的合金N比CuCrZr合金壽命提高2-3倍。鑒于布氏硬度高，也不存在鑄輥表面壓入熔融飛濺物而受損壞的危險(xiǎn)。
在用已知Southwire鑄輥裝置和Properzi鑄輥裝置連鑄線材坯時(shí)類似至關(guān)重要的熱交變應(yīng)力也發(fā)生在鑄輪上。對(duì)于這些工藝方法，從現(xiàn)在開始，本發(fā)明可用的CuNiBe(Zr)合金可作為特別適宜的材料供制造鑄輪之用。這些工藝方法，由于所用的材料不符合鑄輪要求而迄今不能實(shí)現(xiàn)鋼的澆注。
終于在最近三年中已發(fā)展了用來(lái)對(duì)鋼進(jìn)行接近最終尺寸鑄造的其它方法，其中銅結(jié)晶器由于3.5m/min至約7/min的極高澆注速度而達(dá)到高至500℃的極高表面溫度。為使結(jié)晶器與鋼鑄坯之間的摩擦盡可能小，另外還要求，在結(jié)晶器上調(diào)節(jié)400行程/分鐘和更高的高振動(dòng)頻率。因此，周期振動(dòng)的熔池液面同樣也使彎月形區(qū)域中的結(jié)晶器受到很大的疲勞負(fù)荷，結(jié)果使這種結(jié)晶器的壽命不令人滿意。使用本發(fā)明的具有抗疲勞性能的CuNiBe(Zr)合金時(shí)，對(duì)于這方面的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，也能達(dá)到大大提高的壽命。
權(quán)利要求
1.由1.0-2.6%Ni、0.1-0.45%Be、余量為Cu和制造條件下的雜質(zhì)及一般處理添加元素組成的，布氏硬度至少為200HB，且電導(dǎo)率大于38m/Ωmm2的能時(shí)效硬化的銅合金，作為制造鑄輥和鑄輪材料的應(yīng)用，該鑄輥和鑄輪在近似最終尺寸鑄造時(shí)經(jīng)受改變著的溫度負(fù)荷。
2.權(quán)利要求1所述的能時(shí)效硬化的銅合金的應(yīng)用，該合金此外還含有0.05-0.25%Zr，以達(dá)到權(quán)利要求1所述的目的。
3.權(quán)利要求1及2所述的能時(shí)效硬化的銅合金的應(yīng)用，為達(dá)到權(quán)利要求1所述的目的，該合金含有1.4-2.2%Ni、0.2-0.35%Be、0.15-0.2%Zr、余量為Cu和制造條件下的雜質(zhì)及一般處理添加元素。
4.權(quán)利要求1或3中任一項(xiàng)所述的能時(shí)效硬化的銅合金應(yīng)用，其中，為達(dá)到權(quán)利要求1所述的目的，鎳與鈹之比(Ni/Be)在鎳含量高于1.2%時(shí)，至少為5。
5.權(quán)利要求4所述的能時(shí)效硬化的銅合金應(yīng)用，其中，為達(dá)到權(quán)利要求1所述目的，鎳與鈹之比在5.5至7.5的范圍內(nèi)。
6.權(quán)利要求1至5中至少一項(xiàng)所述的能時(shí)效硬化的銅合金應(yīng)用，其中，為達(dá)到權(quán)利要求1所述目的，鎳含量完全或部分為鈷所取代。
全文摘要
公開了一種能時(shí)效硬化的銅合金，由1.0—2.6％Ni，0.1—0.45％Bc、余量為Cu和制備條件下的雜質(zhì)及一般處理添加元素組成，布氏硬度至少為200HB，且電導(dǎo)率大于38m/Ωmm
文檔編號(hào)B22D11/06GK1075755SQ9211307
公開日1993年9月1日 申請(qǐng)日期1992年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月24日
發(fā)明者H·格拉夫曼, T·何曼卡普 申請(qǐng)人:Km-電纜金屬股份公司