專利名稱：一種用于水平連鑄結晶器銅套的銅合金及其工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種用于水平連鑄結晶器銅套的新型銅合金，它是通過采用多元少量的合金化原則，對鋼合金成份的合理調整以及工藝方法的優化，從而使其達到良好的導電導熱性能，高溫抗磨性能和較高的抗熱變形能力的目的。
水平連鑄結晶器銅套是水平連鑄機的關鍵部件之一，因為它直接與鋼水接觸，工作時熱應力大，容易變形，其工作環境比較惡劣，故結晶器銅套除了應具有良好的導熱性能、高硬度、高溫抗磨性能之外，還要具有較高的抗熱變形性能。長期以來，鈹鈷銅合金材料在水平連鑄中得到廣泛應用，然而鈹不但是昂貴的稀有元素，而且它又是危害人體健康的有毒元素。實踐證明，鈹及其化合物的煙霧和粉塵將引起人體呼吸系統、皮膚及其他器官的病變，從而導致鈹肺病和皮膚病的產生。正是由于在冶煉及使用過程中鈹對人體健康危害極大，同時又嚴重污染環境，故國內外不少研究人員紛紛涉足該領域，進行研究。例如美國于1979年2月在US1658186號專利中公布了不含鈹的(COrSOn)銅合金，但從公布的三種COrSOn合金的性能來看，其導電率和硬度之間的矛盾較為突出，下面是這三種銅合金的性能參數表(表1)。
表1
<p>從表中所列的三種合金的導電率和硬度這兩個參數可以得知，其硬度高的合金則導電率就低。雖然這三種合金也能在需要一定硬度和一般導電率的情況下使用，但它不能同時滿足高硬度和中等導電率的要求，故不宜用來作為水平連鑄結晶器銅套材料。
日本于1984年9月8日的一專利(昭59-37340)公布了鎳硅鉻鋼合金，該合金采用了二次時效的方法，使其性能達到了美國接觸焊合金協會(RWMA)所規定的關于電阻焊電極用銅合金的A組III類硬度和導電率要求的最低值(硬度HRB大于90，導電率≥45％)。據日本該專利實施例1所述的合金成份，(重量百分比)為鎳2.62％、硅0.64％、鉻0.32％，其余為銅。所述的二次時效方法及效果為第一次時效(510℃×3小時)后合金的硬度為HRB97、導電率為38％，第二次時效(454℃×3小時)后金合的硬度為HRB97、導電率為47。但該專利尚未涉及到軟化溫度這個關鍵的參數，根據水平連鑄結晶器銅套的要求，其高溫化溫度應大于550℃，常溫硬度HRB應為95-100。根據美國RWMA的A組III類材料性能要求及國際銅類協會A3/1-ISO 5182/1978(E)的規定用作搭接電阻焊電極的銅合金的軟化溫度應大于475℃。該專利同樣也未涉及到熱膨脹系數、彈性模量、導熱率、電阻率這些重要性能參數，因此也不能滿足制作水平連鑄結晶器銅套材料的要求。
本發明的目的是提供一種用于水平連鑄結晶器銅套的新型銅合金，使該銅合金在具有良好的導電性能的同時，又較大地提高其室溫和高溫硬度；既要達到聯邦德國TG公司制造的鈹鈷合金性能指標參數水平，又不含有類似鈹那樣對人體有害的元素，使用這種銅合金來制作水平連鑄結晶器銅套。
本發明的目的是通過如下方法達到的，即首先通過在銅中加入鈷、鎳、硅、硼、鈮、鋯、稀土(鈰)，熔煉鑄錠，經熱鍛、固溶、冷變形，采用一次性時效。
本發明是按照多元少量的復雜合金化原則，即加入多種固溶強化效果良好的合金元素，而每種元素的量是較少或很少的，使固溶體的成分復雜化，以增大原子擴散的阻力，從而使再結晶溫度升高，但又不明顯降低合金熔點，并且具有較高擴散激活能的原則。并且采用多種強化途徑，使合金在具有較高硬度和強度的同時，仍使導電率保持較高的水平，這就是本發明所要研究的關鍵技術難題。為此，要實現這一目的，關鍵問題是應選擇哪些添加元素及它們的重量配比和工藝參數的調整。
人們在長期對銅合金的研究實驗過程中，普遍以常溫硬度、導電率和軟化溫度等作為結晶器銅套材料的主要性能指標。實驗、研究證明，其硬度和導電率確實又是一對相互制約的矛盾，即硬度高則導電率降低，而導電率高則硬度又降低。通常為了保證高硬度，往往以降低導電率為代價，為了實現高導電率往往又以犧牲硬度來補償。如何使得合金在具有高硬度和強度的同時，仍然使其導電率保持相當高的水平，這就是本發明首先必須解決的問題之一。
由于純銅的強度不高，其抗拉強度為23-24kg/mm2、布氏硬度(HB)為40-50，延伸率為50％，采用冷作硬化的方法，雖然可使抗拉強度提高到40-50kg/mm2、布氏硬度(HB)提高到100-120，但是延伸率卻急劇下降到2％，而且在高溫情況下使用時，其冷作硬化效果又必然消失、使強度下降。
為了進一步提高銅的強度，并使其保持良好的塑性，就必須加入某些在銅中的固溶度隨溫度的降低而急劇減少的元素，使其合金化，但這些元素的加入將降低合金的導電率。例如在純銅中分別加入約0.02％的鋁，0.01％的鎳或鋅，假設以純銅的導電率為100％，則加入元素后的導電率將分別下降至95％、94％；若加入0.1％的硅或磷，則分別下降至50％以下，在這種情況下，由于導電率降低，對于在特殊環境條件下使用的，如用作水平連鑄結晶器銅套材料的這種銅合金，盡管硬度和強度有所增加，但仍不適宜。
如何按照多元少量的合金化原則，使添加元素在保證合金具有高導電率、高耐熱強度的同時又提高合金的室溫硬度。因為在銅中，當合金元素形成化合物時，其對導電率的損害比分別加入相等含量的單個相應元素對導電率的降低要小，所以必須使合金元素基本上是以化合物的形式存在于銅基體中，當把合金加熱到低于熔點的某一溫度時，這些化合物便溶解，并固溶到基體中去，然后將其投入到介質中急劇冷卻使化合物來不及析出，使合金在室溫下保持過飽和狀態，再使過飽和固溶體在一定溫度下發生脫溶分解(即沉淀分解)，則大量脫溶質點高度彌散分布在基體中，故這種合金不但具有較高的硬度和強度，同時還具有良好的導電率性能。
為實現本發明的目的，經理論分析和實驗驗證，采用一種合鈷、鎳、鉻、鋯、硅、硼、鈮、稀土(鈰)，其余為銅的水平連鑄結晶器銅套合金材料，其中各種成分元素的重量百分比分別為鈷1.5-2.0％、鎳0.5-1.0％、鉻0.51-1.0％、鋯0.08-0.23％、硅0.25-0.395％、硼0.03-0.15％、鈮0.02-0.08％、稀土(鈰)0.02-0.06％，其余為銅。把該合金加熱到900±10℃，在此溫度下保溫2小時后，反復墩撥三次，再加熱到950-1000℃，再保溫2小時后，置入介質中急冷，對經過上述固溶處理后的合金進行45-55％的冷變形，然后再加熱到450-500℃，在此溫度下進行保溫4小時的一次性時效處理，之后便放置到空氣中自然冷卻。
從上述的發明的合金中各成分元素的重量百分比及工藝方法均與日本專利(昭59-37340)所公布的是完全不同的1.硅的添加量明顯地低于后者，而鉻的添加量又明顯地高于后者。2.本發明添加了少量的硼、鋯、鈮和稀土(鈰)。3.本發明僅需對合金進行一次性時效處理，而日本專利公布的合金則采用兩次時效處理。
在本發明中的銅合金添加微量的硼、鋯、主要是為了提高常溫硬度、強度和高溫軟化溫度；而添加微量的鈮和稀土(鈰)，是為了促使澆鑄狀態晶粒細小、提高晶粒細化溫度，從而使高溫性能和抗熔粘性得到改善，同時也改善了澆注，鍛造的加工性能，尤其是大大避免了在冷變形和高溫狀況下起皮的現象；將合金加熱到950-1000℃時再保溫2小時后置入溫度低于3℃的冰鹽水(含鹽15％)中激冷，這樣可避免固溶體的分解，以獲得理想的過飽和固溶體；將固溶處理后的合金進行45-55％的冷變形，其目的在于增加其過飽和固溶體的晶體缺陷(如提高位錯密度等)，形成更多的非自發晶核成為脫溶核心，以加快時效處理時固溶體的分解速度，使時效強化效果更為顯著；本發明采用的時效溫度為450-500℃。在此溫度下保溫4小時后出爐空冷，由于隨著時效溫度的升高和時間的延長，固溶于基體中的化合物相析出，這些脫溶相大量地極其彌散地分布在基體中，從而使基體產生大量的晶格畸變(析出相周圍形成應變場)使位錯線難以切割或繞過，極大地阻礙了位錯線的移動，從而使銅合金的綜合性能顯著提高(沉淀強化)，由于析出相的熔點很高，原子同結合能力很強，從而大大提高了原子的擴散激活能，減緩了合金在高溫下的擴散速度，故改善了合金的高溫性能。
實踐證明，按本發明的提供的銅合金的組成成分、重量百分比及其工藝要求而制造的銅合金，其主要性能較以往用于制作水平連鑄結晶器銅套的合金材料有明顯的提高，取得了比較理想的效果，主要包括一、主要性能參數1.常溫硬度為HRB95-102.2.導電率為26-30MS/m，3.高溫軟化溫度為620-650℃，4.熱膨脹系數為(200℃)17.07×10-6/℃，5.彈性模量為136000N/mm2，6.電阻率0.036Ωmm2/m，7.導熱率為210.2W/m.k。二、由于該銅合金不含鈹，故避免了對人體的危害和對環境的污染。三、由本發明所提供的銅合金，特別適合于用來制造冶金行業使用的水平連鑄結晶器銅套材料，且使用壽命、噸鋼生產成本、安全可靠性優于并完全能取代過去國內外生產的鈹鈷銅結晶器銅套材料。下面是本發明所提供的結晶器銅套合金材料與聯邦德國TG公司制造的鈹鈷銅結晶器材料的性能比較表。(表2)
表2
<p>以下是本發明的二個實施例實施例I合金的各成分元素的重量百分配比分別為鈷1.95％、鎳0.51％、鉻0.67％、鋯0.15％、硅0.31％、硼0.08％、鈮0.04％、鈰0.02％，其余為銅。
實施例II合金的各成分元素的重量百分配比分別為鈷1.58％、鎳1.0％、鉻0.53％、鋯0.23％、硅0.395％、硼0.11％、鈮0.07％、鈰0.05％，其余為銅。
將上述二種不同重量配比的合金加熱到900℃±10℃，在此溫度下保溫2小時后反復墩撥三次，然后再將其加熱到950-1000℃，在此溫度下保溫2小時后置入溫度低于3℃的冰鹽水(含鹽15％)中激冷，對經過上述固溶處理后的合金進行50％的冷變形之后，再將其加熱到450-500℃，在此溫度保溫4小時進行時效處理，最后置于空氣中冷卻即可。
經上述工藝處理后，按實施例I制造的銅合金，其主要性能參數為硬度BRB96.5、導電率29.5MS/m、軟化溫度620℃；按實施例II制造的銅合金，其主要性能參數為硬度HRB102，導電率26.2MS/m、軟化溫度647℃。上述兩個實施例中的性能參數除硬度、導電率和軟化溫度之外的其余性能參數與表2相同。
權利要求
1.一種用于水平連鑄結晶器銅套的銅合金，其特征在于所含各元素的重量百分比分別為鈷1.5-2.0％、鎳0.5-1.0％、鉻0.51-1.0％、鋯0.08-0.23％、硅0.25-0.395％、硼0.03-0.15％、鈮0.02-0.08％、稀土(鈰)0.02-0.06％，其余為銅。
2.據權利要求1所述的飼合金，其特征在于將該合金加熱到900℃±10℃，在此溫度下保溫2小時后，進行反復墩撥三次，然后再加熱到950-1000℃，在此溫度下保溫2小時后置入到溫度低于3℃的冰鹽水(含鹽15％)中激冷，然后再進行45-55％的冷變形，再加熱到450℃-500℃，在此溫度下進行保溫4小時之后便放置到空氣中自然冷卻。
3.據權利要求1所述的銅合金，其特征在于所含各元素的重量百分比分別為鈷1.95％、鎳0.51％、鉻0.67％、鋯0.15％、硅0.31％、硼0.08％、鈮0.04％、鈰0.02％，其余為銅。
4.據權利要求1所述的銅合金，其特征在于所含各元素的重量百分比分別為鈷1.58％、鎳1.0％、鉻0.53％、鋯0.23％、硅0.395％、硼0.11％、鈮0.07％、鈰0.05％，其余為銅。
全文摘要
一種水平連鑄結晶器銅套的銅合金及其工藝,其成分重量百分比為鈷1.5—2.0%、鎳0.5—1.0%、鉻0.51—1.0%、鋯0.08—0.23%、硅0.25—0.395%、硼0.03—0.15%、鈮0.02—0.08%,稀土(鈰)0.02—0.06,其余為銅;經本發明的工藝處理后,其合金的主要性能為:常溫硬度HRB95—102、導電率≥26MS/m、高溫軟化溫度≥620℃、熱膨脹系數(200℃)17.07×10
文檔編號B22D11/04GK1260403SQ9911521
公開日2000年7月19日 申請日期1999年1月13日 優先權日1999年1月13日
發明者陳丕文 申請人:陳丕文