本發明涉及一種高性能銅合金的制備技術，屬于金屬材料制備加工技術領域，特別是提供了一種高強高導Cu-Cr-Zr合金棒材的非真空熔煉水平連鑄生產工藝。
背景技術：
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Cu-Cr-Zr合金(0.1％～1.4％的Cr，0.02％～0.20％的Zr，雜質<0.2％)具有高的強度和優良的導電、導熱性能，且抗軟化溫度高，耐磨性能好，廣泛應用于電子元器件接插件、引線框架、高速鐵路接觸線、水冷結晶器等方面，是國民經濟建設和國防軍工發展的關鍵材料。
目前國內外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、小規模生產，難以實現大盤重、長尺度Cu-Cr-Zr合金棒材連續大規模生產，且所制備鑄錠內部易產生成分偏析、組織疏松等鑄造缺陷，難以在后續冷加工中徹底消除，導致產品性能較差[張進東等，接觸線用Cu-Cr-Zr合金制備工藝，中國發明專利，CN 100587091 C，2010-02-03]。2)真空立式半連鑄-熱加工開坯法：真空半連續鑄造-熱加工開坯是生產高性能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，中國發明專利，CN 10171876 A，2010-06-02]。但在生產大盤重、長尺度棒材時，該方法需要大型真空熔煉爐和大型熱加工設備，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，環境負擔大。3)真空熔鑄-水封擠壓法：該方法的特點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合金棒材的生產流程。但在生產大盤重、長尺度棒材時，該方法同樣需要大型真空熔煉爐和大型水封擠壓設備，投資高，能耗大，工藝控制難度大[劉關強.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.]。
考慮產品性能(強度＞500MPa，導電率＞70％IACS)和超長尺度線材(如高鐵接觸線要求＞1500m)連續化生產的要求，現有Cu-Cr-Zr合金棒材生產方法存在需要真空熔煉設備、鑄造質量差、單根棒材長度/重量受限制、工藝流程長、生產成本高等問題，難以高效低成本連續生產高性能、長尺度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、普通鑄造或半連續鑄造質量差、可加工棒材長度受限等問題。因此，開發一種基于非真空熔煉的大盤重、長尺度高質量Cu-Cr-Zr合金高效連續鑄造工藝具有重要意義。
本專利申請人等前期針對白銅管材開發了一種熱冷組合鑄型水平連鑄技術[謝建新等，一種白銅管材熱冷組合鑄型水平連鑄工藝與設備，中國發明專利，CN101966564 A，2010-10-09]，其原理是在傳統水冷結晶器連鑄基礎上，發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行連鑄的工藝，鑄型的加熱段采用感應加熱裝置進行強制加熱，冷卻段采用水冷結晶器進行強制冷卻，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。該工藝的優點是：(1)連鑄管坯組織致密且具有高軸向取向的柱狀晶組織，具有優良的冷加工性能，有利于室溫軋制、拉拔等后續加工；(2)管坯內外表面質量優良，無橘皮、褶皺、裂紋等缺陷，不需內外表面銑面等處理可直接用于后續冷加工；(3)可獲得較大的拉鑄速度，可實現大直徑薄壁管坯的水平連鑄。該發明工藝為銅合金管材高效生產提供了嶄新的途徑。然而，上述發明工藝難以直接應用于含有易氧化，易偏析合金元素的銅合金棒材的連鑄。
為此，本發明開發了一種適合于含有易氧化、易偏析元素的高強高導Cu-Cr-Zr合金大盤重、長尺度棒材的非真空熔煉水平連鑄生產工藝。
技術實現要素：
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本發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工藝，用于含有易氧化、易偏析元素的高性能Cu-Cr-Zr合金，進而實現大盤重、長尺度高強高導Cu-Cr-Zr合金棒材的高質量連鑄。
本發明的技術方案為：
用于Cu-Cr-Zr合金的連鑄裝置包括熔化金屬的熔煉系統(非真空)，金屬液保溫系統，水平連鑄系統和輔助系統構成。其中，所述水平連鑄系統包括石墨鑄型、加熱裝置(感應加熱)、冷卻裝置(循環水冷結晶器)、水平牽引機構(含引錠桿)、噴水二次冷卻裝置等，其特點為：(1)所述石墨鑄型內部添加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的合金棒材與石墨發生反應；(2)所述石墨鑄型裝配在加熱裝置和循環水冷結晶器內，一端與保溫系統出口處連接。
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<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔煉爐中，加熱至1200～1450℃熔化，根據需要，可在熔煉系統內通氬氣保護、添加覆蓋劑和精煉劑；
(2)對石墨鑄型內表面施加BN或Al2O3涂層；
(3)啟動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流管轉入保溫爐中，關閉塞棒，熔化系統繼續熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設定為1200～1400℃，靜置0.1～1h；
(6)啟動水平牽引機構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進行連鑄，獲得大盤重、長尺度、具有強軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
本發明的優點：
(1)采用本發明提出的水平連鑄生產工藝，在非真空熔化爐中采用氣氛保護、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，又可突破常規真空熔煉帶來的設備造價高、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定性和均勻性；
(3)采用本發明提出的在石墨鑄型內表面涂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的合金棒材與石墨鑄型發生反應的問題；
(4)采用本發明提出的水平連鑄工藝生產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；有利于獲得強軸向取向柱狀晶組織提高合金棒材后續冷加工性能；
(5)采用本發明提出的水平連鑄工藝制備Cu-Cr-Zr合金棒材可以通過調節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凝殼長度和凝殼與鑄型之間的摩擦力，改善棒材的表面質量，且可實現大盤重、長尺度Cu-Cr-Zr合金棒材的高效制備。
附圖說明：
圖1為本發明提出的高強高導Cu-Cr-Zr合金棒材的水平連鑄設備的結構示意圖。
圖1中的標記說明：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-導流管；8-感應加熱裝置；10-循環水冷結晶器；11-Cu-Cr-Zr合金棒坯；12-水平牽引機構；13-Cu-Cr-Zr合金液；14-帶內涂層的石墨鑄型；15-噴水二次冷卻裝置；I-加熱段；II-冷卻段
具體實施方式：
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
本發明提出的水平連鑄設備由熔煉系統(1、3、4)、保溫系統(6)和水平連鑄系統(8、10、12、14、15)和輔助系統(2、5、9)等構成。熔煉系統的功能是將滿足成分配比要求的合金快速熔化，并為保溫系統提供合金熔體；保溫系統的功能是將熔煉系統提供的合金熔體進行防氧化、靜置、除氣、除渣，并為水平連鑄系統提供要求溫度的熔體；水平連鑄系統的功能是將保溫爐內金屬液通過控制凝固鑄造成形所需尺寸的棒材，并實現連續鑄造；輔助系統為整個系統參數檢測和保存相關數據。
本發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)后經導流管(7)進入保溫爐(6)中保溫；當保溫爐的溫度與加熱段的溫度達到設定值后，開啟水平牽引機構(12)進行棒材連鑄成形。實驗時，可通過調整熔體溫度、加熱段溫度、冷卻段冷卻水流量和拉鑄速度等，控制棒材的表面質量與組織性能。
實施例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<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔煉爐中，加熱至1350℃熔化，在熔煉系統內通氬氣保護；
(2)對石墨鑄型內表面施加Al2O3涂層；
(3)啟動鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1300℃，水冷結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流管轉入保溫爐中，關閉塞棒，熔煉系統繼續熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設定為1300℃，靜置0.6h；
(6)啟動水平牽引機構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進行連鑄，獲得直徑30mm、長尺度、具有強軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
實施例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<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)對石墨鑄型內表面施加Al2O3涂層；
(3)啟動鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1250℃，水冷結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流管轉入保溫爐中，關閉塞棒，熔煉系統繼續熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設定為1250℃，靜置0.4h；
(6)啟動水平牽引機構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進行連鑄，獲得直徑50mm、長尺度、具有強軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
實施例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<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)對石墨鑄型內表面施加BN涂層；
(3)啟動鑄型加熱裝置和冷卻裝置，將鑄型加熱段加熱到1200℃，水冷結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流管轉入保溫爐中，關閉塞棒，熔煉系統繼續熔煉Cu-Cr-Zr合金；
(5)保溫爐的溫度設定為1200℃，靜置0.5h；
(6)啟動水平牽引機構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進行連鑄，獲得直徑80mm、長尺度、具有強軸向取向柱狀晶組織的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。