兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材及其生產方法
【專利摘要】本發明公開了一種兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材及其生產方法，產品由以下重量百分比的組分組成：10～11.5%的鋁，3～5%的鐵，≤1.5%鎳，≤0.5%的錳，余量為銅。粗水平聯系鑄造工序。本發明產品具有綜合性能優且加工成本低的特點。采用連續式生產方式，可生產任意長度的連鑄管材，適用于現代數控設備高速作業對管材直度和長度有較高要求的應用領域。
【專利說明】兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材及其生產方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋁青銅連續鑄造管材及其生產方法.【背景技術】
[0002]鋁青銅由于具有很高的強度、硬度，良好的耐磨性能，合金的組織致密，適用于制造重型機械以及要求強度較高的耐壓，耐磨零件，如軸套、軸承、法蘭、襯套、閥體、泵體、導
向套管等。
[0003]青銅管的連續鑄造難度要比黃銅大得多，尤其是大規格的水平連續鑄造管材，其加工藝更加難以掌握。一直以來該項制造工藝與技術被國外壟斷，國內只有為數很少幾家企業按照傳統砂型或離心澆鑄的生產工藝從事生產。
[0004]近年來，為了滿足各種行業對耐磨鋁青銅的不同要求，相繼開發了多種新型鋁青銅，其強化的方式多是采用增加鋁含量，或添加多元合金化元素。
[0005]根據銅鋁合金相圖，隨著鋁含量的增加，合金的基體中的β相增加，由于β相硬脆的特性，材料的塑性較差。而具有較高鋁含量的材料在低溫下會形成硬脆的Y相，惡化合金的綜合性能。
[0006]德國專利CN1400326公開了一種應用于汽車同步器齒環領域，具有高耐磨性和高摩擦系數的鍛造鋁青銅，該合金為添加鐵鎳硅的鋁青銅，以鍛造方式加工成形，須經淬火時效等熱處理工藝后才能達到相應的機械性能要求；專利CN1936049公開了一種應用在電梯上的高強耐磨鋁青銅，采用砂型鑄造方式生產，該鑄件的強度較高，但鋁含量處于塑性較差的β相區域，材料的塑性值較低。專利CN1629350A公開了一種模具材料用鋁青銅，由于添加的合金元素總量較大，其塑性值較低；專利CN1061441A提供了一種多元合金元素錳鐵鎳鈦鋁青銅合金鑄件，同樣是 采用砂型或金屬型鑄造，雖強度和塑性值較高，但由于合金化程度高而具有熔鑄工藝操作復雜及合金成本很高的不足。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材及其生產方法。
[0008]本發明的技術解決方案是:
[0009]一種兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材，其特征是:由以下重量百分比的組分組成:10~11.5%的鋁，3~5%的鐵，≤1.5%鎳，≤0.5%的錳，余量為銅。
[0010]鋁為10~10.8%,鐵為4~5%。
[0011]一種兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材的生產方法，其特征是:包括下列步驟:按照鋁10~11.5%、鐵3~5%、余量為銅的配料方案；總的銅用量的2/3的銅、總的鋁用量的1/3的鋁、鐵于爐內，按投料量的0.1%冰晶石覆蓋，銅熔化后將爐溫提升至1300°C，全部熔化后加總的銅用量1/3的銅和加總的鋁用量2/3的鋁，再次熔化后加冰晶石清渣，升溫至1100~1200°C拉鑄。[0012]所述拉鑄拉鑄溫度1100~1200°C，牽引長度8~15mm，拉鑄頻率6~15次/分鐘，停歇時間3~8秒。冷卻采用一次冷卻和二次冷卻相結合的方式，一次冷卻水壓0.03~
0.06MPa, 二次冷卻水采用冷卻水管供水，冷卻強度為一次冷卻強度的40%。
[0013]拉鑄時采用石墨模內腔，石墨模內腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度為
I ~2°。
[0014]拉鑄過程中每隔一小時按總的投料重量的0.5%補加鋁。
[0015]本發明依據以下原理確定管材成分及加工工藝:
[0016](I) 一種高強度高延性的鋁青銅管材，通過限定Cu-Al合金中鋁的含量，并綜合添加適量的鐵、鎳、錳等合金元素，最終提高合金的綜合力學性能、耐磨性能，同時保證其還具有良好的塑性。
[0017]鋁是決定鋁青銅合金強度的主要元素，根據銅鋁合金相圖，含鋁量在10%以上的鋁青銅，隨著鋁含量的增加，合金中的β相增加，α相減少，為兩相(α+β )合金。隨著β相的增多，合金的強度提高，塑性值下降，此時，合金的性能主要取決于合金中α與β的相對量。通過增加合金中的鋁含量，繼而增加合金中β相的相對量，是一種非常有效的提高合金強度的途徑，但β相過度的增多，進入全β相區，會導至材料的塑性值迅速下降。因此尋求一種恰當的鋁含量，獲得高強度的同時，保有相對較高的塑性值是本發明的研究課題。
[0018]通過大量的生產實踐，發明人確定鋁含量在10~10.8%之間時，材料的強度值最高達700~900MPa，并能保持12%以上的延性值。
[0019]已經公布的研究表明，通過合理的熱處理可以提高合金中的β相的含量，以達到強化合金的目的，但熱處理工序是高耗能工藝，本發明旨在通過限定成分獲得足夠的強度并保證材料的塑性。
[0020]在銅鋁合金中加適當的鐵元素，Fe在Cu-Al固溶體中的溶解度可達2%~3%，含4% Fe時，呈含鐵相(即FeA13)微粒從熔體中析出，作為非自發核心使合金晶粒細化，使硬度和強度大大提高。但鐵含量大于5時，則會影響合金的耐蝕性。含約4% Fe的Cu-Al合金，對Al在合金中的溶解度影響不大，并能延遲共析轉變，這既提高鋁青銅的強度，同時對保持較高的韌性很有好處。
[0021]經過理論研究及生產實踐，確定本發明連續鑄造管材的鐵含量控制在4~5%。
[0022]在大量的生產實踐中，我們發現，鋁元素在熔鑄過程中，有一定的揮發熔損量，加之水平連續鑄造的連續規模化生產的特點，即鑄造過程要在一個較長的時間內完成，如何保證銅鋁合金中的鋁含量在一個相對較窄的范圍內(10~10.8%)，是一個要攻克的課題。
[0023]合金熔 煉工藝的關鍵在于如保保證熔體化學成分的均勻、穩定，有芯工頻感應爐具有熔體攪拌功能強、功率因數高的特點，故本發明連鑄管采用工頻有芯感應電爐熔煉。
[0024]合金元素中兼有有高熔點合金元素和低熔點合金元素，與合金基體的熔點相差較多，因此熔煉過程中高低熔點合金元素的加入問題，如何保證高熔點合金元素的快速充分熔化及控制低熔點元素的熔損，是高鋁鐵青銅熔煉的關鍵技術。
[0025]實踐證明，采用特定的加料順序及各種不同合金元素的熔化溫度，是解決問題的關鍵。高熔點合金元素鐵必須在加鋁之前加入，升溫熔化，否則很難加入。而鋁由于熔點低，溶解時會放出大量熱量，在較高溫度加入，會造成合金大量熔損，因此加入時，必須同時加入降溫料以防熔體過熱而引起鋁的大量熔損。[0026]鋁可在熔體表面形成保護膜，對熔體起保護作用，溶解時放出大量熱量，在加入高熔點合金元素熔化的同時宜加入少量鋁。溶劑與合金料一起人爐，既起到了覆蓋保護的作用，也起到了精煉的作用，有效地防止了吸氣氧化。
[0027]新料熔煉時宜一次性加入銅、鐵及少量鋁并加入溶劑使熔化的合金液得到覆蓋和精煉。爐溫上升后，銅先熔化，溶解鐵使其合金化，從而降低了熔點，加速鐵的熔化。當爐溫繼續升高到1300°C并適當保溫后至鐵熔化，再加入余量銅降溫，后再加鋁熔化，這樣的加料順序達到了快速熔煉、減少氧化熔損的作用。本發明根據高鋁鐵青銅熔煉特性制定如下熔煉加料順序，并據此確定合金元素的燒損補償量:
[0028]加料順序:冰晶石+2/3銅+1/3鋁+鐵一熔化一升溫(1300°C )—熔化一加入1/3銅降溫+2/3鋁一熔化一加冰晶石一攪拌撈渣一升溫一取樣一測溫一拉鑄。
[0029]本發明提供的鋁青銅管材，其鋁含量為10~10.8%，根據銅鋁合金相圖，合金在高溫(850°C)以上時為全β固溶體，隨溫度降落進入(α+β)兩相區。也就是說在隨后的冷卻過程中，會從β相區析出次生α相。
[0030]冷卻速度不僅影響原始β相晶粒，而且對冷卻進入(α + β )兩相區時析出的α晶粒形態也有影響，冷卻速度也會影響β相分解，較快的冷卻速度會抑制β相的共析分解，減少硬脆的Y相對合金塑性的影響。在高溫下產生的β相在較高的冷卻強度下冷卻，可使合金獲得在以β相為基體的組織上分布著細密的次生α相的顯微組織，具有該種組織的合金兼有較高的強度及延性。
[0031]與傳統的砂型鑄造及離心鑄造相比，水平連續鑄造采用水冷銅套加石墨結晶器造型，可實現一次冷卻水與二次冷卻水相結合的冷卻方式進行鑄造，冷卻強度較高，二次冷卻水環可起亞淬火效果，對于提高管材的綜合力學性能有很顯著的作用，不會產生砂型鑄造鋁青銅常見的由于緩慢冷卻而產生的合金脆性。
[0032]本發明水平連鑄管材拉鑄冷卻水壓控制0.03~0.06MPa，二次冷卻水采用專用的冷卻水管供水，冷卻強度為一次冷卻強`度的40%。鑄管最終顯微組織為以β相為基體的組織上分布著細密的次生α相。
[0033]水平連續鑄造中結晶器的設計及制造水平直接影響著連鑄管質量。連鑄管的凝固過程在結晶器中進行，結晶器和石墨芯結構設計及冷卻系統是連鑄的核心技術。
[0034]本發明其中石墨模內腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度I~2°。
[0035]本發明產品具有綜合性能優且加工成本低的特點。采用連續式生產方式，可生產任意長度的連鑄管材，適用于現代數控設備高速作業對管材直度和長度有較高要求的應用領域。由于離心澆鑄和砂型鑄造等傳統加工方法生產的產品直度和長度都無法滿足要求，我國數控設備很大程度上由于原材料加工水平不高而不能發揮其作用。
[0036]水平連鑄技術被公認為是提高鑄坯質量的高、精、尖的鑄造新技術。采用合理的工藝參數，通過對連鑄管材表面質量及凝固組織的控制，能制備出內外表面光整，內部組織致密的水平連鑄管材。
[0037]傳統的銅合金熔煉與鑄造、熱加工、冷加工三段式生產方式正在被打破，各國都在紛紛尋求有色金屬熔煉、加工、熱處理先進技術，使有色金屬合金生產達到節能、節材、縮短工藝流程、降低制造成本。
[0038]采用水平連續鑄造方式生產鋁青銅管，由于其短流程、低成本近終形的生產技術，使得連鑄管生產過程高效節能，符合國家節能減排的發展戰略，更由于其較低的生產成本具有較強的市場競爭優勢。采用新工藝生產的大管徑青銅連續鑄造管將填補國內空白。
[0039]下面結合實施例對本發明作進一步說明。
【具體實施方式】
[0040]按照鋁10-11.5% (重量)、鐵4-5% (重量)、余量為銅的投料方案，采用有芯工頻感應爐按爐體容量配料。首先加2/3銅+1/3鋁+鐵于爐內，按投料量的0.1%冰晶石覆蓋，銅熔化后將爐溫提升至1300°C，全部熔化后加1/3銅降溫后加2/3鋁，再次熔化后加冰晶石清渣，升溫至1100~1200°C拉鑄。拉鑄過程中每隔一小時按投料總重量的0.5%補加鋁，以彌補在拉鑄過程中鋁的流失(當然這種流失也可忽略，而不不加鋁)。拉鑄溫度1100~1200°C，牽引長度8~15mm，拉鑄頻率6~15次/分鐘，停歇時間3~8秒。冷卻采用一次冷卻和二次冷卻相結合的方式，一次冷卻水壓0.03~0.06MPa, 二次冷卻水采用專用的冷卻水管供水，冷卻強度為一次冷卻強度的40%。拉鑄時采用石墨模內腔，石墨模內腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度為I~2°。由于雜質存在，產品中含有≤1.5%鎳和(0.5%的錳。
[0041]通過上述實施例，性能及成分測試結果見說明書附表。
[0042]說明書 附表
[0043]
【權利要求】
1.一種兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材，其特征是:由以下重量百分比的組分組成:10~11.5%的鋁，3~5%的鐵，≤1.5%鎳，≤0.5%的錳，余量為銅。
2.根據權利要求1所述的兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材，其特征是:鋁為10~10.8%，鐵為4~5%。
3.—種權利要求1所述的兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材的生產方法，其特征是:包括下列步驟:按照鋁10~11.5%、鐵3~5%、余量為銅的配料方案；總的銅用量的2/3的銅、總的鋁用量的1/3的鋁、鐵于爐內，按投料量的0.1%冰晶石覆蓋，銅熔化后將爐溫提升至1300°C，全部熔化后加總的銅用量1/3的銅和加總的鋁用量2/3的鋁，再次熔化后加冰晶石清渣，升溫至1100~1200°C拉鑄。
4.根據權利要求3所述的兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材的生產方法，其特征是:所述拉鑄拉鑄溫度1100~120(TC，牽引長度8~15mm，拉鑄頻率6~15次/分鐘，停歇時間3~8秒。冷卻采用一次冷卻和二次冷卻相結合的方式，一次冷卻水壓0.03~0.06MPa, 二次冷卻水采用冷卻水管供水，冷卻強度為一次冷卻強度的40%。
5.根據權利要求4所述的兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材的生產方法，其特征是:拉鑄時采用石墨模內腔，石墨模內腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度為I ~2°。
6.根據權利要求4所述的兼具高強度、高延性的鋁青銅連續鑄造管材的生產方法，其特征是:拉鑄過程中每隔一小時按總的投料重量的0.5%補加鋁。
【文檔編號】C22C9/01GK103882254SQ201410149313
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月14日 優先權日:2014年4月14日
【發明者】王艷杰, 張戍 申請人:海門市江濱永久銅管有限公司