兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材及其生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材及其生产方法，产品由以下重量百分比的组分组成：10～11.5%的铝，3～5%的铁，≤1.5%镍，≤0.5%的锰，余量为铜。粗水平联系铸造工序。本发明产品具有综合性能优且加工成本低的特点。采用连续式生产方式，可生产任意长度的连铸管材，适用于现代数控设备高速作业对管材直度和长度有较高要求的应用领域。
【专利说明】兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝青铜连续铸造管材及其生产方法.【背景技术】
[0002]铝青铜由于具有很高的强度、硬度，良好的耐磨性能，合金的组织致密，适用于制造重型机械以及要求强度较高的耐压，耐磨零件，如轴套、轴承、法兰、衬套、阀体、泵体、导
向套管等。
[0003]青铜管的连续铸造难度要比黄铜大得多，尤其是大规格的水平连续铸造管材，其加工艺更加难以掌握。一直以来该项制造工艺与技术被国外垄断，国内只有为数很少几家企业按照传统砂型或离心浇铸的生产工艺从事生产。
[0004]近年来，为了满足各种行业对耐磨铝青铜的不同要求，相继开发了多种新型铝青铜，其强化的方式多是采用增加铝含量，或添加多元合金化元素。
[0005]根据铜铝合金相图，随着铝含量的增加，合金的基体中的β相增加，由于β相硬脆的特性，材料的塑性较差。而具有较高铝含量的材料在低温下会形成硬脆的Y相，恶化合金的综合性能。
[0006]德国专利CN1400326公开了一种应用于汽车同步器齿环领域，具有高耐磨性和高摩擦系数的锻造铝青铜，该合金为添加铁镍硅的铝青铜，以锻造方式加工成形，须经淬火时效等热处理工艺后才能达到相应的机械性能要求；专利CN1936049公开了一种应用在电梯上的高强耐磨铝青铜，采用砂型铸造方式生产，该铸件的强度较高，但铝含量处于塑性较差的β相区域，材料的塑性值较低。专利CN1629350A公开了一种模具材料用铝青铜，由于添加的合金元素总量较大，其塑性值较低；专利CN1061441A提供了一种多元合金元素锰铁镍钛铝青铜合金铸件，同样是 采用砂型或金属型铸造，虽强度和塑性值较高，但由于合金化程度高而具有熔铸工艺操作复杂及合金成本很高的不足。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材及其生产方法。
[0008]本发明的技术解决方案是:
[0009]一种兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材，其特征是:由以下重量百分比的组分组成:10~11.5%的铝，3~5%的铁，≤1.5%镍，≤0.5%的锰，余量为铜。
[0010]铝为10~10.8%,铁为4~5%。
[0011]一种兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材的生产方法，其特征是:包括下列步骤:按照铝10~11.5%、铁3~5%、余量为铜的配料方案；总的铜用量的2/3的铜、总的铝用量的1/3的铝、铁于炉内，按投料量的0.1%冰晶石覆盖，铜熔化后将炉温提升至1300°C，全部熔化后加总的铜用量1/3的铜和加总的铝用量2/3的铝，再次熔化后加冰晶石清渣，升温至1100~1200°C拉铸。[0012]所述拉铸拉铸温度1100~1200°C，牵引长度8~15mm，拉铸频率6~15次/分钟，停歇时间3~8秒。冷却采用一次冷却和二次冷却相结合的方式，一次冷却水压0.03~
0.06MPa, 二次冷却水采用冷却水管供水，冷却强度为一次冷却强度的40%。
[0013]拉铸时采用石墨模内腔，石墨模内腔为正锥形，锥度1:75，模芯为倒锥形，锥度为
I ~2°。
[0014]拉铸过程中每隔一小时按总的投料重量的0.5%补加铝。
[0015]本发明依据以下原理确定管材成分及加工工艺:
[0016](I) 一种高强度高延性的铝青铜管材，通过限定Cu-Al合金中铝的含量，并综合添加适量的铁、镍、锰等合金元素，最终提高合金的综合力学性能、耐磨性能，同时保证其还具有良好的塑性。
[0017]铝是决定铝青铜合金强度的主要元素，根据铜铝合金相图，含铝量在10%以上的铝青铜，随着铝含量的增加，合金中的β相增加，α相减少，为两相(α+β )合金。随着β相的增多，合金的强度提高，塑性值下降，此时，合金的性能主要取决于合金中α与β的相对量。通过增加合金中的铝含量，继而增加合金中β相的相对量，是一种非常有效的提高合金强度的途径，但β相过度的增多，进入全β相区，会导至材料的塑性值迅速下降。因此寻求一种恰当的铝含量，获得高强度的同时，保有相对较高的塑性值是本发明的研究课题。
[0018]通过大量的生产实践，发明人确定铝含量在10~10.8%之间时，材料的强度值最高达700~900MPa，并能保持12%以上的延性值。
[0019]已经公布的研究表明，通过合理的热处理可以提高合金中的β相的含量，以达到强化合金的目的，但热处理工序是高耗能工艺，本发明旨在通过限定成分获得足够的强度并保证材料的塑性。
[0020]在铜铝合金中加适当的铁元素，Fe在Cu-Al固溶体中的溶解度可达2%~3%，含4% Fe时，呈含铁相(即FeA13)微粒从熔体中析出，作为非自发核心使合金晶粒细化，使硬度和强度大大提高。但铁含量大于5时，则会影响合金的耐蚀性。含约4% Fe的Cu-Al合金，对Al在合金中的溶解度影响不大，并能延迟共析转变，这既提高铝青铜的强度，同时对保持较高的韧性很有好处。
[0021]经过理论研究及生产实践，确定本发明连续铸造管材的铁含量控制在4~5%。
[0022]在大量的生产实践中，我们发现，铝元素在熔铸过程中，有一定的挥发熔损量，加之水平连续铸造的连续规模化生产的特点，即铸造过程要在一个较长的时间内完成，如何保证铜铝合金中的铝含量在一个相对较窄的范围内(10~10.8%)，是一个要攻克的课题。
[0023]合金熔 炼工艺的关键在于如保保证熔体化学成分的均匀、稳定，有芯工频感应炉具有熔体搅拌功能强、功率因数高的特点，故本发明连铸管采用工频有芯感应电炉熔炼。
[0024]合金元素中兼有有高熔点合金元素和低熔点合金元素，与合金基体的熔点相差较多，因此熔炼过程中高低熔点合金元素的加入问题，如何保证高熔点合金元素的快速充分熔化及控制低熔点元素的熔损，是高铝铁青铜熔炼的关键技术。
[0025]实践证明，采用特定的加料顺序及各种不同合金元素的熔化温度，是解决问题的关键。高熔点合金元素铁必须在加铝之前加入，升温熔化，否则很难加入。而铝由于熔点低，溶解时会放出大量热量，在较高温度加入，会造成合金大量熔损，因此加入时，必须同时加入降温料以防熔体过热而引起铝的大量熔损。[0026]铝可在熔体表面形成保护膜，对熔体起保护作用，溶解时放出大量热量，在加入高熔点合金元素熔化的同时宜加入少量铝。溶剂与合金料一起人炉，既起到了覆盖保护的作用，也起到了精炼的作用，有效地防止了吸气氧化。
[0027]新料熔炼时宜一次性加入铜、铁及少量铝并加入溶剂使熔化的合金液得到覆盖和精炼。炉温上升后，铜先熔化，溶解铁使其合金化，从而降低了熔点，加速铁的熔化。当炉温继续升高到1300°C并适当保温后至铁熔化，再加入余量铜降温，后再加铝熔化，这样的加料顺序达到了快速熔炼、减少氧化熔损的作用。本发明根据高铝铁青铜熔炼特性制定如下熔炼加料顺序，并据此确定合金元素的烧损补偿量:
[0028]加料顺序:冰晶石+2/3铜+1/3铝+铁一熔化一升温(1300°C )—熔化一加入1/3铜降温+2/3铝一熔化一加冰晶石一搅拌捞渣一升温一取样一测温一拉铸。
[0029]本发明提供的铝青铜管材，其铝含量为10~10.8%，根据铜铝合金相图，合金在高温(850°C)以上时为全β固溶体，随温度降落进入(α+β)两相区。也就是说在随后的冷却过程中，会从β相区析出次生α相。
[0030]冷却速度不仅影响原始β相晶粒，而且对冷却进入(α + β )两相区时析出的α晶粒形态也有影响，冷却速度也会影响β相分解，较快的冷却速度会抑制β相的共析分解，减少硬脆的Y相对合金塑性的影响。在高温下产生的β相在较高的冷却强度下冷却，可使合金获得在以β相为基体的组织上分布着细密的次生α相的显微组织，具有该种组织的合金兼有较高的强度及延性。
[0031]与传统的砂型铸造及离心铸造相比，水平连续铸造采用水冷铜套加石墨结晶器造型，可实现一次冷却水与二次冷却水相结合的冷却方式进行铸造，冷却强度较高，二次冷却水环可起亚淬火效果，对于提高管材的综合力学性能有很显著的作用，不会产生砂型铸造铝青铜常见的由于缓慢冷却而产生的合金脆性。
[0032]本发明水平连铸管材拉铸冷却水压控制0.03~0.06MPa，二次冷却水采用专用的冷却水管供水，冷却强度为一次冷却强`度的40%。铸管最终显微组织为以β相为基体的组织上分布着细密的次生α相。
[0033]水平连续铸造中结晶器的设计及制造水平直接影响着连铸管质量。连铸管的凝固过程在结晶器中进行，结晶器和石墨芯结构设计及冷却系统是连铸的核心技术。
[0034]本发明其中石墨模内腔为正锥形，锥度1:75，模芯为倒锥形，锥度I~2°。
[0035]本发明产品具有综合性能优且加工成本低的特点。采用连续式生产方式，可生产任意长度的连铸管材，适用于现代数控设备高速作业对管材直度和长度有较高要求的应用领域。由于离心浇铸和砂型铸造等传统加工方法生产的产品直度和长度都无法满足要求，我国数控设备很大程度上由于原材料加工水平不高而不能发挥其作用。
[0036]水平连铸技术被公认为是提高铸坯质量的高、精、尖的铸造新技术。采用合理的工艺参数，通过对连铸管材表面质量及凝固组织的控制，能制备出内外表面光整，内部组织致密的水平连铸管材。
[0037]传统的铜合金熔炼与铸造、热加工、冷加工三段式生产方式正在被打破，各国都在纷纷寻求有色金属熔炼、加工、热处理先进技术，使有色金属合金生产达到节能、节材、缩短工艺流程、降低制造成本。
[0038]采用水平连续铸造方式生产铝青铜管，由于其短流程、低成本近终形的生产技术，使得连铸管生产过程高效节能，符合国家节能减排的发展战略，更由于其较低的生产成本具有较强的市场竞争优势。采用新工艺生产的大管径青铜连续铸造管将填补国内空白。
[0039]下面结合实施例对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0040]按照铝10-11.5% (重量)、铁4-5% (重量)、余量为铜的投料方案，采用有芯工频感应炉按炉体容量配料。首先加2/3铜+1/3铝+铁于炉内，按投料量的0.1%冰晶石覆盖，铜熔化后将炉温提升至1300°C，全部熔化后加1/3铜降温后加2/3铝，再次熔化后加冰晶石清渣，升温至1100~1200°C拉铸。拉铸过程中每隔一小时按投料总重量的0.5%补加铝，以弥补在拉铸过程中铝的流失(当然这种流失也可忽略，而不不加铝)。拉铸温度1100~1200°C，牵引长度8~15mm，拉铸频率6~15次/分钟，停歇时间3~8秒。冷却采用一次冷却和二次冷却相结合的方式，一次冷却水压0.03~0.06MPa, 二次冷却水采用专用的冷却水管供水，冷却强度为一次冷却强度的40%。拉铸时采用石墨模内腔，石墨模内腔为正锥形，锥度1:75，模芯为倒锥形，锥度为I~2°。由于杂质存在，产品中含有≤1.5%镍和(0.5%的锰。
[0041]通过上述实施例，性能及成分测试结果见说明书附表。
[0042]说明书 附表
[0043]
【权利要求】
1.一种兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材，其特征是:由以下重量百分比的组分组成:10~11.5%的铝，3~5%的铁，≤1.5%镍，≤0.5%的锰，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材，其特征是:铝为10~10.8%，铁为4~5%。
3.—种权利要求1所述的兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材的生产方法，其特征是:包括下列步骤:按照铝10~11.5%、铁3~5%、余量为铜的配料方案；总的铜用量的2/3的铜、总的铝用量的1/3的铝、铁于炉内，按投料量的0.1%冰晶石覆盖，铜熔化后将炉温提升至1300°C，全部熔化后加总的铜用量1/3的铜和加总的铝用量2/3的铝，再次熔化后加冰晶石清渣，升温至1100~1200°C拉铸。
4.根据权利要求3所述的兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材的生产方法，其特征是:所述拉铸拉铸温度1100~120(TC，牵引长度8~15mm，拉铸频率6~15次/分钟，停歇时间3~8秒。冷却采用一次冷却和二次冷却相结合的方式，一次冷却水压0.03~0.06MPa, 二次冷却水采用冷却水管供水，冷却强度为一次冷却强度的40%。
5.根据权利要求4所述的兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材的生产方法，其特征是:拉铸时采用石墨模内腔，石墨模内腔为正锥形，锥度1:75，模芯为倒锥形，锥度为I ~2°。
6.根据权利要求4所述的兼具高强度、高延性的铝青铜连续铸造管材的生产方法，其特征是:拉铸过程中每隔一小时按总的投料重量的0.5%补加铝。
【文档编号】C22C9/01GK103882254SQ201410149313
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】王艳杰, 张戍 申请人:海门市江滨永久铜管有限公司