兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材及其生產(chǎn)方法，產(chǎn)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(lián)系鑄造工序。本發(fā)明產(chǎn)品具有綜合性能優(yōu)且加工成本低的特點(diǎn)。采用連續(xù)式生產(chǎn)方式，可生產(chǎn)任意長度的連鑄管材，適用于現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備高速作業(yè)對管材直度和長度有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁青銅連續(xù)鑄造管材及其生產(chǎn)方法.【背景技術(shù)】
[0002]鋁青銅由于具有很高的強(qiáng)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(jī)械以及要求強(qiáng)度較高的耐壓，耐磨零件，如軸套、軸承、法蘭、襯套、閥體、泵體、導(dǎo)
向套管等。
[0003]青銅管的連續(xù)鑄造難度要比黃銅大得多，尤其是大規(guī)格的水平連續(xù)鑄造管材，其加工藝更加難以掌握。一直以來該項(xiàng)制造工藝與技術(shù)被國外壟斷，國內(nèi)只有為數(shù)很少幾家企業(yè)按照傳統(tǒng)砂型或離心澆鑄的生產(chǎn)工藝從事生產(chǎn)。
[0004]近年來，為了滿足各種行業(yè)對耐磨鋁青銅的不同要求，相繼開發(fā)了多種新型鋁青銅，其強(qiáng)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(jù)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(yīng)用于汽車同步器齒環(huán)領(lǐng)域，具有高耐磨性和高摩擦系數(shù)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(jīng)淬火時效等熱處理工藝后才能達(dá)到相應(yīng)的機(jī)械性能要求；專利CN1936049公開了一種應(yīng)用在電梯上的高強(qiáng)耐磨鋁青銅，采用砂型鑄造方式生產(chǎn)，該鑄件的強(qiáng)度較高，但鋁含量處于塑性較差的β相區(qū)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(qiáng)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(fù)雜及合金成本很高的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材及其生產(chǎn)方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0009]一種兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)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(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材的生產(chǎn)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(nèi)，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(jié)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(qiáng)度為一次冷卻強(qiáng)度的40%。
[0013]拉鑄時采用石墨模內(nèi)腔，石墨模內(nèi)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(bǔ)加鋁。
[0015]本發(fā)明依據(jù)以下原理確定管材成分及加工工藝:
[0016](I) 一種高強(qiáng)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(xué)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(qiáng)度的主要元素，根據(jù)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(qiáng)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(qiáng)度的途徑，但β相過度的增多，進(jìn)入全β相區(qū)，會導(dǎo)至材料的塑性值迅速下降。因此尋求一種恰當(dāng)?shù)匿X含量，獲得高強(qiáng)度的同時，保有相對較高的塑性值是本發(fā)明的研究課題。
[0018]通過大量的生產(chǎn)實(shí)踐，發(fā)明人確定鋁含量在10~10.8%之間時，材料的強(qiáng)度值最高達(dá)700~900MPa，并能保持12%以上的延性值。
[0019]已經(jīng)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(dá)到強(qiáng)化合金的目的，但熱處理工序是高耗能工藝，本發(fā)明旨在通過限定成分獲得足夠的強(qiáng)度并保證材料的塑性。
[0020]在銅鋁合金中加適當(dāng)?shù)蔫F元素，F(xiàn)e在Cu-Al固溶體中的溶解度可達(dá)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(fā)核心使合金晶粒細(xì)化，使硬度和強(qiáng)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(zhuǎn)變，這既提高鋁青銅的強(qiáng)度，同時對保持較高的韌性很有好處。
[0021]經(jīng)過理論研究及生產(chǎn)實(shí)踐，確定本發(fā)明連續(xù)鑄造管材的鐵含量控制在4~5%。
[0022]在大量的生產(chǎn)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)，鋁元素在熔鑄過程中，有一定的揮發(fā)熔損量，加之水平連續(xù)鑄造的連續(xù)規(guī)模化生產(chǎn)的特點(diǎn)，即鑄造過程要在一個較長的時間內(nèi)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(nèi)(10~10.8%)，是一個要攻克的課題。
[0023]合金熔 煉工藝的關(guān)鍵在于如保保證熔體化學(xué)成分的均勻、穩(wěn)定，有芯工頻感應(yīng)爐具有熔體攪拌功能強(qiáng)、功率因數(shù)高的特點(diǎn)，故本發(fā)明連鑄管采用工頻有芯感應(yīng)電爐熔煉。
[0024]合金元素中兼有有高熔點(diǎn)合金元素和低熔點(diǎn)合金元素，與合金基體的熔點(diǎn)相差較多，因此熔煉過程中高低熔點(diǎn)合金元素的加入問題，如何保證高熔點(diǎn)合金元素的快速充分熔化及控制低熔點(diǎn)元素的熔損，是高鋁鐵青銅熔煉的關(guān)鍵技術(shù)。
[0025]實(shí)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(guān)鍵。高熔點(diǎn)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(diǎn)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(hù)膜，對熔體起保護(hù)作用，溶解時放出大量熱量，在加入高熔點(diǎn)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(hù)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(diǎn)，加速鐵的熔化。當(dāng)爐溫繼續(xù)升高到1300°C并適當(dāng)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(dá)到了快速熔煉、減少氧化熔損的作用。本發(fā)明根據(jù)高鋁鐵青銅熔煉特性制定如下熔煉加料順序，并據(jù)此確定合金元素的燒損補(bǔ)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(fā)明提供的鋁青銅管材，其鋁含量為10~10.8%，根據(jù)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(jìn)入(α+β)兩相區(qū)。也就是說在隨后的冷卻過程中，會從β相區(qū)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(jìn)入(α + β )兩相區(qū)時析出的α晶粒形態(tài)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(chǎn)生的β相在較高的冷卻強(qiáng)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(xì)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(qiáng)度及延性。
[0031]與傳統(tǒng)的砂型鑄造及離心鑄造相比，水平連續(xù)鑄造采用水冷銅套加石墨結(jié)晶器造型，可實(shí)現(xiàn)一次冷卻水與二次冷卻水相結(jié)合的冷卻方式進(jìn)行鑄造，冷卻強(qiáng)度較高，二次冷卻水環(huán)可起亞淬火效果，對于提高管材的綜合力學(xué)性能有很顯著的作用，不會產(chǎn)生砂型鑄造鋁青銅常見的由于緩慢冷卻而產(chǎn)生的合金脆性。
[0032]本發(fā)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(qiáng)度為一次冷卻強(qiáng)`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(xì)密的次生α相。
[0033]水平連續(xù)鑄造中結(jié)晶器的設(shè)計及制造水平直接影響著連鑄管質(zhì)量。連鑄管的凝固過程在結(jié)晶器中進(jìn)行，結(jié)晶器和石墨芯結(jié)構(gòu)設(shè)計及冷卻系統(tǒng)是連鑄的核心技術(shù)。
[0034]本發(fā)明其中石墨模內(nèi)腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度I~2°。
[0035]本發(fā)明產(chǎn)品具有綜合性能優(yōu)且加工成本低的特點(diǎn)。采用連續(xù)式生產(chǎn)方式，可生產(chǎn)任意長度的連鑄管材，適用于現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備高速作業(yè)對管材直度和長度有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。由于離心澆鑄和砂型鑄造等傳統(tǒng)加工方法生產(chǎn)的產(chǎn)品直度和長度都無法滿足要求，我國數(shù)控設(shè)備很大程度上由于原材料加工水平不高而不能發(fā)揮其作用。
[0036]水平連鑄技術(shù)被公認(rèn)為是提高鑄坯質(zhì)量的高、精、尖的鑄造新技術(shù)。采用合理的工藝參數(shù)，通過對連鑄管材表面質(zhì)量及凝固組織的控制，能制備出內(nèi)外表面光整，內(nèi)部組織致密的水平連鑄管材。
[0037]傳統(tǒng)的銅合金熔煉與鑄造、熱加工、冷加工三段式生產(chǎn)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(jìn)技術(shù)，使有色金屬合金生產(chǎn)達(dá)到節(jié)能、節(jié)材、縮短工藝流程、降低制造成本。
[0038]采用水平連續(xù)鑄造方式生產(chǎn)鋁青銅管，由于其短流程、低成本近終形的生產(chǎn)技術(shù)，使得連鑄管生產(chǎn)過程高效節(jié)能，符合國家節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，更由于其較低的生產(chǎn)成本具有較強(qiáng)的市場競爭優(yōu)勢。采用新工藝生產(chǎn)的大管徑青銅連續(xù)鑄造管將填補(bǔ)國內(nèi)空白。
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【具體實(shí)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(yīng)爐按爐體容量配料。首先加2/3銅+1/3鋁+鐵于爐內(nèi)，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(bǔ)加鋁，以彌補(bǔ)在拉鑄過程中鋁的流失(當(dāng)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(jié)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(qiáng)度為一次冷卻強(qiáng)度的40%。拉鑄時采用石墨模內(nèi)腔，石墨模內(nèi)腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度為I~2°。由于雜質(zhì)存在，產(chǎn)品中含有≤1.5%鎳和(0.5%的錳。
[0041]通過上述實(shí)施例，性能及成分測試結(jié)果見說明書附表。
[0042]說明書 附表
[0043]
【權(quán)利要求】
1.一種兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)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(jù)權(quán)利要求1所述的兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材，其特征是:鋁為10~10.8%，鐵為4~5%。
3.—種權(quán)利要求1所述的兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材的生產(chǎn)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(nèi)，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(jù)權(quán)利要求3所述的兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材的生產(chǎn)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(jié)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(qiáng)度為一次冷卻強(qiáng)度的40%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材的生產(chǎn)方法，其特征是:拉鑄時采用石墨模內(nèi)腔，石墨模內(nèi)腔為正錐形，錐度1:75，模芯為倒錐形，錐度為I ~2°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的兼具高強(qiáng)度、高延性的鋁青銅連續(xù)鑄造管材的生產(chǎn)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(bǔ)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(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】王艷杰, 張戍 申請人:海門市江濱永久銅管有限公司