一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法
【专利摘要】本发明公开一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其包括步骤：a)根据成分配比要求配比铍铜母合金锭和高纯电解铜锭，然后在熔炼炉熔炼；b)静置及破真空，使用管状石墨模具，直接得到管状铍铜铸锭等步骤；本发明采用管坯铸锭直接轧制工艺技术，精确控制加工工艺以及工序间的热处理工艺，同时结合使用特殊的结晶器、铸造模具以及热处理工装夹具，控制铍铜产品微观组织结构的均匀性且晶粒细小(可达9级)。
【专利说明】一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料铸造【技术领域】，具体涉及一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法。
【背景技术】
[0002]铍铜合金是一种析出硬化型合金，它是机械性能、物理性能、化学性能及抗蚀性能良好结合的唯一有色合金，经固溶和时效热处理后，具有与特殊钢相当的高强度极限、弹性极限、屈服极限和疲劳极限，同时又具备高的导电率、导热率、高硬度和耐磨性、高的蠕蚀性能，还具有良好的铸造性能、非磁性和冲击时无火花导电性能。
[0003]由于铍铜合金具备许多优异性能，它的使用越来越广泛，已经成为国民经济建设中不可缺少的重要工业材料。国外铍铜合金主要应用于汽车电器制造、计算机和电讯行业。此外，铍铜合金在航空航天、家用电器、电子仪器、机械、海底电缆、石油、煤炭等行业也有着广泛的应用
[0004]在铜中加入少量铍后，与常规铜合金(如紫铜、黄铜等)性质发生巨大改变，具体表现为硬态效应明显，非常难以轧制或挤压加工。铍铜管材的制备方法主要是典型的铸坯挤压法和轧制法，同时结合淬火和时效热处理工艺。通过此工艺可以获得各种性能和尺寸的铍铜管材，如《铍铜管的制造方法》(CN200410084660.9)、《一种轧制法制造铍铜管》(CN201010267690.2)但这些专 利基本上都是制备一些典型性能(抗拉强度500MPa)和常规尺寸(长度在I米以下)的铍铜管材。
[0005]铍铜的显微组织均匀性和晶粒度大小是决定铍铜管材性能和尺寸精度的重要参数。平均晶粒度越细小均匀，越有利于提高铍铜产品的机械性能和表面耐磨性能，同时可以保证铍铜管材尤其是大尺寸管材的变形均匀性，最终可以获得高性能、大尺寸和高精度的管材产品。如果铍的加入量控制稍微不当，就会造成加工或热处理过程中的管材严重变形，这样只有通过加大壁厚尺寸，最后通过机械加工的办法车削至最终尺寸，以保证精度要求。但是这种加工工艺难于保证大尺寸高精度的铍铜管材加工。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明人经过长期试验和研究，提出一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，该铸管坯轧制法采用管坯铸锭直接轧制工艺技术，精确控制加工工艺以及工序间的热处理工艺，用途非常广泛。
[0007]依据本发明的技术方案，提供一种高性能大尺寸铍铜管材的制备方法，其包括以下步骤:
[0008]a)根据成分配比要求，配比铍铜母合金锭和高纯电解铜锭，然后将混合料加入熔炼炉中，关闭炉门抽真空，升温加热，在熔化铍铜母合金锭过程中附加磁力搅拌程序，使溶液充分脱气并合金预均匀化；
[0009]b)静置溶液，破真空，开始非真空炉外浇注，使用管状石墨模具，直接得到管状铍铜铸锭；
[0010]c)对得到的管状铍铜铸锭进行冷却，然后冷却后的管状铍铜铸锭进行二次加热并均匀化热处理；
[0011]d)对在步骤c)处理后的管状铍铜铸锭开始挤压开坯；
[0012]e)对挤压坯进行水冷淬火热处理，得到后续轧制所要求的组织坯锭；
[0013]f)对挤压坯进行表面往复修复处理，然后再用超声清洗清洁坯锭表面；
[0014]g)使用四辊轧机，对在步骤f)得到的坯料进行冷轧，直接轧制到铍铜管材要求的尺寸；
[0015]h)轧制完毕后，使用矫直机对铍铜管材进行矫直，满足弯曲度的要求；
[0016]i)对铍铜管材进行时效热处理；
[0017]j)对在步骤i)得到的铍铜管材冷却，冷却后需要对铍铜管材表面做钝化处理，以防止表面氧化；[0018]k)最后对得到的铍铜管材进行无损探伤检测，观察内部是否存在缺陷，同时进行壁厚检测，得到最终产品。
[0019]优选地，所述步骤a)中，熔化过程中附加磁力搅拌程序，以使溶液充分脱气并合金预均匀化；并且熔化温度保持在1000~1100°C之间。进一步地，熔化温度为1050°C。
[0020]优选地，所述步骤b)中，炉外浇注速度保持在10~15公斤/分钟；所述步骤c)中，冷却速率为20~40°C /分钟。更优选地，，冷却速率30°C /分钟。
[0021]优选地，所述步骤c)中，在400~440°C热处理管状铍铜铸锭，保温时间为2小时；最佳温度420°C。
[0022]优选地，所述步骤d)中，挤压速度为0.3~0.4米/分钟；所述步骤e)中，在760~800°C水淬热处理热管状铍铜铸锭管还,保温2小时,然后将管状铍铜铸锭管还置入水箱中，水温保持在30~50°C之间，冷却速率为20~40°C /分钟；最佳工艺条件:热处理温度780°C，冷却水温40°C。
[0023]优选地，使用四辊轧机对在步骤f)得到的坯料进行冷轧中，轧制进料量4~6毫米/次(优选5毫米/次)，第一次冷轧的道次加工率为20%~25% (优选20% )、第二次冷轧的道次加工率为16%~18% (优选16% )，两次淬火间道次加工率不超过50%。
[0024]进一步地，时效温度保持在300~340°C之间，保温2~4小时；最佳工艺条件:340 0C / 2h。
[0025]此外，所述步骤j)中，钝化处理使用75%重铬酸钠+25%水溶液，浸泡时间4~6分钟。
[0026]本发明采用管坯铸锭直接轧制工艺技术，精确控制加工工艺以及工序间的热处理工艺，同时结合使用特殊的结晶器、铸造模具以及热处理工装夹具，控制铍铜产品微观组织结构的均匀性且晶粒细小(可达9级)，从而可以直接轧制得到最终产品尺寸，且不需要附加的机械加工，这样不但节省了加工工序，而且大大提高了成材率和材料利用率，降低了制造成本。最终获得了高性能(抗拉强度大于1000MPa)、大尺寸(管长至4000毫米)和高精度(尺寸公差达±0.2毫米/米)的铍铜管材产品。
【专利附图】
【附图说明】[0027]图1为本发明的工艺流程示意图。
[0028]图2为本发明所采用的熔炼装置示意图。
[0029]图2中所示附图标记为:1、合金加料口 ；2、测温装置；3、上盖；4、感应线圈加热体；5、炉体；6、锭模。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。 [0031]本发明的一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法包括以下步骤:
[0032]a)根据成分配比要求，配比铍铜母合金锭和高纯电解铜锭，然后将混合料加入熔炼炉中，具体为首先将混合料放入石墨坩埚中，然后将盛混合料的坩埚置于熔炼炉中，关闭炉门抽真空，缓慢升温加热，直至熔化，升温过程中防止液体飞溅现象。熔化过程中附加磁力搅拌程序，使溶液充分脱气并合金预均匀化。
[0033]b)保温、静置溶液，开始破真空，进行非真空炉外浇注。浇注采用倾斜顶浇注方式，这样可使浇注速度均匀可控。使用管状石墨模具直接得到管状铍铜铸造管坯。浇注完成后，使铸锭冷却至室温，从模具中取出铸锭，对铸锭表面进行洁净化处理。
[0034]c)对冷却后的管状铍铜铸锭，进行二次加热和均匀化热处理。加热在带机械泵的真空炉中进行，缓慢加热至高温，保温一段时间后，断电冷却至室温即可。加热前，先抽空炉膛，充入少量氮气，以防止铸锭表面氧化。经均匀化热处理后的铸锭内部组织均匀。
[0035]d)对铸锭表面进行适当处理，通过简单铣切加工，使铸锭表面规整。然后将管坯铸锭夹持于挤压机上，使用前面描述的挤压比和挤压速度等工艺参数，完成挤压开坯。
[0036]e)对挤压管坯进行热处理，加热保温完毕，将管坯放置于一个恒温水槽中，通过水冷淬火，得到后续轧制所要求的组织坯锭。
[0037]f)采用常规各种方法(如切削、打磨等)对挤压坯表面进行修复处理，这种修复科重复进行，确保管坯的表面质量。然后再用超声清洗清洁坯锭表面。
[0038]g)开始坯料的冷态轧制，轧制使用四辊轧机，以保证轧制的精度。经过以上各工序的工艺控制，通过连续轧制，最终可以直接轧制到铍铜管材产品要求的尺寸。
[0039]h)轧制完毕后，根据需要，使用矫直机对管坯进一步矫直，以满足弯曲度的要求。
[0040]i)对成品管材进行终时效热处理。热处理在特制时效热处理炉中进行。缓慢升温至时效温度，保温两个小时，然后再断电降至室温。时效热处理过程也可使用氮气气氛进行保护。
[0041]j)冷却后，管材进行表面钝化处理，以防止表面氧化。将成品管材放置于盛有75 %重铬酸钠+25 %水溶液的池中，浸泡数分钟，取出后用酒精擦拭干净。
[0042]k)最后对铍铜管材产品进行无损探伤检测，观察内部是否存在缺陷，同时进行壁厚检测，得到最终产品。[0043]在上述方法中的步骤a)中，熔炼装炉时，铍铜母合金锭和电解铜锭在石墨坩埚中放置的位置非常重要，应将铍铜母合金锭置于中心位置，四周以及底、顶部均放置电解铜锭，这样升温后先熔化纯铜锭，然后再由铜溶液逐渐侵蚀铍铜母合金，这样可以保证合金锭熔化的稳定性和成分的均匀性。通过优选熔化温度在1000~1100°C之间(最佳温度1050°C )，使合金熔化、过热度以及溶液的流动性保持最好，完全避免飞溅现象的发生。合金熔化过程中采用磁力搅拌装置，定时进行液体搅拌，不但可以使合金成分更均匀，而且有利于将液体中的气体快速排除和造渣，更好解决了铸锭内部气孔和夹杂现象，同时辅助磁力搅拌能够提高熔炼效率，节约能源。熔炼结束，在炉外完成浇注，使用管状石墨模具以及控制好浇注工艺参数，最终获得高质量的铍铜管坯锭。[0044]在上述方法中的步骤e)中，对挤压铍铜毛坯进行淬火热处理。采用精确的热处理工艺制度，将热处理温度设置在780°C，同时对随后的水淬过程中的水温控制也非常严格，最佳冷却水温应保持在40°C左右。最终获得完全和充分的淬火组织。此工序为本发明的核心工艺技术。
[0045]在上述方法中的步骤g)中，使用四辊轧机，对坯料进行冷轧。因为相比较纯铜，铍铜的轧制非常困难。通过精确控制轧制进料量3~7毫米/次，道次加工率不超过25%(第一次)和18% (第二次)，两次淬火间道次加工率不超过50%，能够保证轧制顺利进行，提高了管材轧制成材率，同时延长了轧辊的使用寿命。轧制过程中通过随时的机头压盘调整，保证了管材轧制精度，从而能够实现直接轧制出最终尺寸和高精度的管材产品，省略了后续的机械加工工序，因此大大提高了铍铜管材的成品率。此工序为本发明另一核心工艺技术。
[0046]按照本发明，最终得到的高性能大尺寸高精度铍铜管材的抗拉强度在1140~1480MPa之间，延伸率在3%~4%之间，表面硬度在HRC42~48之间，晶粒度在7~10 μ m之间；管材长度尺寸可达4000毫米，尺寸精度(尺寸公差)可达±0.2毫米/米。
[0047]更进一步地，得到的高性能大尺寸高精度铍铜管材的抗拉强度为1140_1310MPa、表面硬度为HRC38-42，延伸率为4% _5%，晶粒度为7_9um。而一般应用的铍铜管材仅强调单一性能，如高强度或高延性或高导电性，且国家标准对铍铜管材的弯曲度要求为小于等于±0.5_)。本发明得到的铍铜管材远远高于国家标准。
[0048]更具体优选的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，包括下列更详细的步骤:
[0049]a)将准确配比(重量比)98%铜锭和2%铍铜母合金锭置于熔炼炉内的坩埚中，关闭炉门抽真空，升温加热，升温制度为:室温至900°C，升温速度300°C / h，900°C保温I小时，900°C至最高温度(1150)，升温速度100°C / h，待真空度达到I X 10_3Pa时，加热至最高温度并保温I小时，使铍铜合金完全熔化，在保温熔化过程中附加磁力搅拌程序，使溶液充分脱气并合金预均匀化。
[0050]b)静置熔液10分钟时间后，断开真空阀，自然破除真空，然后开启炉盖，使用机械装置将坩埚吊出炉外，开始非真空炉外浇注，将熔体均匀倒至管状模具中，冷凝直接得到铍铜管还。
[0051]c)将冷却后的铸造管坯锭，放置于箱式电阻炉中进行二次加热，加热速度升温速度50°C/ h，至最高温度480°C后保温2小时，然后断电自然冷却到室温。经均匀化热处理后的管坯，内部组织均匀。
[0052]d)开始冷态挤压开坯。
[0053]e)对挤压坯进行淬火热处理，得到后续轧制所要求的组织。
[0054]f)对挤压坯进行表面处理，首先采用硬质工具对其表面进行刮擦，若必要，可适当进行切削加工，以去除管坯表面的缺陷和夹杂，然后使用超声清洗的方法，获得清洁的坯锭表面。
[0055]g)对坯料进行热轧，直接轧制到产品要求的尺寸。
[0056]h)使用矫直机对管坯进行矫直，满足弯曲度的要求。
[0057]i)根据产品的要求，对管材进行时效热处理，时效处理炉为带机械抽空的台车炉，时效温度保持在280~360°C之间，保温2~4小时，时效期间充入氮气保护管材表面。时效处理完毕空冷至室温。 [0058]j)冷却后，再进行表面钝化处理。将管材在3%浓度的重铬酸钾溶液中浸泡10分钟，在管材表面形成一层保护膜，以防止表面继续氧化，之后纯净水清洗管材表面，并晾干。
[0059]k)最后对产品管材进行无损探伤检测，观察内部是否存在缺陷，同时测定壁厚，得到最终产品。
[0060]其中，步骤a)中的熔炼炉为真空感应电炉，真空感应电炉内置磁力搅拌装置；步骤b)包括:bl)采用石墨结晶器和管状模具直接浇注出铍铜管坯；b2)采用炉外非真空浇注。
[0061]更详细地，步骤b)包括:cl)采用缓慢升温和长时高温保温的热处理方式；c2)热处理过程中使用氮气气体对铍铜锭表面进行保护。步骤h)包括使用九辊矫直机对管坯进行矫直。步骤i)包括il)使用空气热处理炉对管材进行时效处理；采用专用工装夹具夹持管材，以防止失效过程中管材变形。
[0062]此外，步骤al)中在980~1120°C熔化铍铜锭，真空度保证达到lX10_3Pa以上，最大装炉量为150公斤，保温时间20~40分钟。
[0063]真空感应电炉内置磁力搅拌装置，搅拌速度为10~30转/分。步骤b)中浇注采用炉外浇注，浇注速度为10~15公斤/分钟，冷却速率为20~40°C /分钟。步骤C)中在380~480°C热处理铍铜铸锭，保温时间为2小时，然后自然冷却至室温。在步骤c)中在热处理过程中，使用氮气对铍铜锭表面进行保护。步骤d)中使用挤压机进行开坯，挤压速度为0.2~0.5米/分钟，挤压比2:1~3:1。步骤e)中采用水淬的热处理方式，在740~820°C热处理铍管坯，保温2小时，然后将管坯置入水槽中，水温保持在30~50°C之间，冷却速率为20~40°C/分钟。步骤f)中使用合适的加工工具对挤压坯表面进行修复处理，保持光滑的表面质量。然后将工件置于超声清洗机中，经过超声清洗可以获得清洁的管坯表面。步骤g)中使用四辊轧机，对坯料进行冷轧。轧制进料量3~7毫米/次，道次加工率为20%~25% (第一次)、16%~18% (第二次)，道次之间进行淬火处理，淬火工艺同上。两次淬火间道次加工率不超过50%。轧制过程中应随时通过机头压盘调整精度。经过轧制工序，可直接获得最终产品尺寸。
[0064]步骤i)中对管材进行时效热处理，时效处理炉为带机械抽空的台车炉，时效温度保持在280~360°C之间，保温2~4小时，时效期间充入氮气保护管材表面；时效处理完毕空冷至室温。步骤j)中对管材表面进行钝化处理，以防止表面氧化。处理液为75%重铬酸钠+25%水，在其中浸泡4~6分钟即可。
[0065]图2所示的为本发明所采用的熔炼装置。图2中所示附图标记为:1、合金加料口 ；
2、测温装置；3、上盖；4、感应线圈加热体；5、炉体；6、锭模。图2所示的熔炼装置具体为感应电炉。配制合金从合金加料口 I自动加入，感应线圈加热体4的优异设计保证了炉体5加热的均匀性，合金熔炼完毕可同时实现炉内外真空和非真空的自动浇注至锭模6。
[0066]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的 技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
【权利要求】
1.一种制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其包括以下步骤: a)根据成分配比要求，配比铍铜母合金锭和高纯电解铜锭，然后将混合料加入熔炼炉中，关闭炉门抽真空，升温加热，在熔化铍铜母合金锭过程中附加磁力搅拌程序，使溶液充分脱气并合金预均匀化； b)静置溶液，破真空，开始非真空炉外浇注，使用管状石墨模具，直接得到管状铍铜铸锭； c)对得到的管状铍铜铸锭进行冷却，然后冷却后的管状铍铜铸锭进行二次加热并均匀化热处理； d)对在步骤C)处理后的管状铍铜铸锭开始挤压开坯； e)对挤压坯进行水冷淬火热处理，得到后续轧制所要求的组织坯锭； f)对挤压坯进行表面往复修复处理，然后再用超声清洗清洁坯锭表面； g)使用四辊轧机，对在步骤f)得到的坯料进行冷轧，直接轧制到铍铜管材要求的尺寸； h)轧制完毕后，使用矫直机对铍铜管材进行矫直，满足弯曲度的要求； i)对铍铜管材进行时效热处理； j)对在步骤i)得到的铍铜管材冷却，冷却后需要对铍铜管材表面做钝化处理，以防止表面氧化；` k)最后对得到的铍铜管材进行无损探伤检测，观察内部是否存在缺陷，同时进行壁厚检测，得到最终产品。
2.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，所述步骤a)中，熔化过程中附加磁力搅拌程序，以使溶液充分脱气并合金预均匀化；并且熔化温度保持在1000~1100°C之间。
3.根据权利要求2所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，熔化温度为1050°C。
4.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，所述步骤b)中，炉外浇注速度保持在10~15公斤/分钟；所述步骤c)中，冷却速率为20~40°C /分钟。
5.根据权利要求4所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，冷却速率30°C /分钟。
6.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，所述步骤c)中，在400~440°C热处理管状铍铜铸锭，保温时间为2小时；最佳温度420。。。
7.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，所述步骤d)中，挤压速度为0.3~0.4米/分钟；所述步骤e)中，在760~800°C水淬热处理热管状铍铜铸锭管坯，保温2小时，然后将管状铍铜铸锭管坯置入水箱中，水温保持在30~50°C之间，冷却速率为20~40°C /分钟；最佳工艺条件:热处理温度780°C，冷却水温40°C。
8.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，使用四辊轧机对在步骤f)得到的坯料进行冷轧中，轧制进料量4~6毫米/次(优选5毫米/次)，第一次冷轧的道次加工率为20%~25% (优选20% )、第二次冷轧的道次加工率为16%~18% (优选16% )，两次淬火间道次加工率不超过50%。
9.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，时效温度保持在300~340°C之间，保温2~4小时；最佳工艺条件:340°C / 2h。
10.根据权利要求1所述的制备高性能大尺寸高精度铍铜管材的铸管坯轧制法，其特征在于，所述 步骤j)中，钝化处理使用75%重铬酸钠+25%水溶液，浸泡时间4~6分钟。
【文档编号】C21D8/10GK103741083SQ201410011365
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】赵皓 申请人:宁夏新和新材科技有限公司