專利名稱：可時(shí)效硬化的銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制備帶式澆鑄設(shè)備(Bandgiessanlagen)的側(cè)堤的料塊(Bloecken)的材料的可時(shí)效硬化的合金。
世界范圍的目標(biāo)，特別是鋼和銅工業(yè)的目標(biāo)，澆鑄盡可能接近最終尺寸的半成品以節(jié)省熱和/或冷變形步驟，在1970年以前已經(jīng)引起了所謂的Hazelett帶式澆鑄設(shè)備的發(fā)展，其中金屬熔體在兩個(gè)平行運(yùn)行的帶的縫隙中凝固。側(cè)堤在例如由美國專利說明書3 865 176中已知的帶式澆鑄設(shè)備中由帶有T形槽的金屬的模料塊(Formbloecken)或側(cè)堤料塊(Seitendammbloecken)構(gòu)成，其中料塊排列成柔性的無端的例如由鋼構(gòu)成的帶，沿縱向與澆鑄帶同步運(yùn)行。在此，側(cè)堤料塊(堤料塊)界定由澆鑄帶形成的鑄?？涨弧?br> 此外，由EP 0 974 413 A1中已知由帶有槽和彈簧(Feder)的料塊構(gòu)成的側(cè)堤鏈用于帶式澆鑄設(shè)備。這種進(jìn)一步發(fā)展的帶有槽和彈簧的模料塊的優(yōu)點(diǎn)在于在澆鑄工藝中料塊的準(zhǔn)確對齊和導(dǎo)向，從而改善澆鑄帶的表面質(zhì)量。為防止由塑性形變和裂紋生成引起的對料塊的側(cè)棱過早的磨損，一種合適的材料必須具有高硬度和強(qiáng)度，細(xì)晶組織以及優(yōu)良的耐長期軟化強(qiáng)度。為了輸出液態(tài)金屬熔體產(chǎn)生的凝固熱，還要求模料塊材料有高的熱導(dǎo)率。
最后具有決定性意義的是，材料最佳的疲勞性能，其要保證在離開澆鑄段后料塊的再冷卻產(chǎn)生的熱應(yīng)力不會(huì)引起用于容納鋼帶而開槽的T形槽的角落里的料塊的開裂。這里特別高的熱應(yīng)力---由不利的幾何形狀和質(zhì)量分布引起---預(yù)計(jì)會(huì)存在于帶有槽和彈簧的結(jié)構(gòu)的側(cè)堤料塊中。
如果產(chǎn)生了這種由熱震(Thermoschock)引起的裂紋，在很短的時(shí)間后，相應(yīng)的模料塊就已經(jīng)從帶式澆鑄機(jī)的側(cè)堤鏈掉落下來，這樣熔融液態(tài)的金屬從鑄?？涨恢腥我饬鞒觯赡軗p壞設(shè)備零件。為更換損壞的模料塊，必須停止整個(gè)帶式澆鑄設(shè)備，澆鑄過程中斷。
為檢測裂紋產(chǎn)生的傾向，一種試驗(yàn)方法已被證實(shí)是有效的，其中對模料塊進(jìn)行500℃下兩小時(shí)的熱處理，然后在20-25℃的水中淬火。即使對于多次重復(fù)的這種熱震試驗(yàn)，合適的材料也不會(huì)在T形槽表面產(chǎn)生任何裂紋。
EP 0 346 645 B1中介紹了一種可時(shí)效硬化的銅基合金，其含有1.6-2.4％鎳，0.5-0.8％硅，0.01-0.2％鋯，選擇性的最多0.4％鉻和/或最多0.2％鐵，其余為銅，包括制備引起的雜質(zhì)。如果這種已知的銅合金用作制備帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤的標(biāo)準(zhǔn)模料塊的材料，其原則上滿足高壽命的前提條件。對于這種銅合金，給出了下列性能組合20℃的Rm 635-660MPa500℃的Rm286-372MPa布氏硬度 185-191HB(相當(dāng)于約195-210HV)電導(dǎo)率 41.4-43.4％IACS在熱震試驗(yàn)中沒有產(chǎn)生裂紋。相對于含有鈹?shù)你~基合金的優(yōu)點(diǎn)是，可能手工干燥精磨模料塊，因?yàn)樵谘心バ贾胁缓锈?。對所用的帶有槽和彈簧的?cè)堤料塊的后加工要昂貴得多，一般要求用機(jī)器(濕)清洗槽和澆鑄面(例如在封閉腔內(nèi))，由此防止排放出研磨屑。在這樣條件下，原則上可能使用含鈹?shù)暮辖稹?br> 但是，EP 0 346 645 B1中提到的CuNiSiZr合金構(gòu)成的側(cè)堤塊料的缺點(diǎn)是，在帶式澆鑄設(shè)備的澆鑄操作中的很高的機(jī)械和熱應(yīng)力下，側(cè)棱和澆鑄面容易過早磨損。這種磨損---如試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明一歸因于澆鑄棱和面的材料軟化至低于160HV的數(shù)值。而且，已知的CuNiSiZr合金在用作帶槽和彈簧的側(cè)堤料塊時(shí)的抗熱震性能不總是足以有效防止在澆鑄應(yīng)用中T形槽中裂紋的產(chǎn)生。
從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的任務(wù)是基于，提供一種用于制備帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤料塊，特別是槽和彈簧結(jié)構(gòu)的側(cè)堤料塊的材料的可時(shí)效硬化的合金，其甚至在高澆鑄速度下對于變換的溫度應(yīng)力也是不敏感的，且具有高的耐磨損性能或耐軟化性能以及對T形槽中裂紋的產(chǎn)生具有很高的抵抗力。
這個(gè)任務(wù)通過權(quán)利要求1中提到的特征來得以實(shí)現(xiàn)。
通過使用由1.2-2.7wt％鈷，0.3-0.7wt％鈹，0.01-0.5wt％鋯，選擇性的0.005-0.2wt％鎂和/或鐵和余量的銅，還包括制備引起的雜質(zhì)和常用的加工添加劑構(gòu)成的銅基合金，一方面可以保證材料具有足夠的可時(shí)效硬化性以達(dá)到高強(qiáng)度、硬度和電導(dǎo)率。另一方面，只要求相對小的，最高40％的冷變形，以調(diào)節(jié)具有足夠塑性的細(xì)晶組織。通過有針對性的分階的鋯含量，既可以改善耐疲勞性能，也可以改善耐熱性能。
進(jìn)一步改善側(cè)堤料塊的機(jī)械性能，特別是提高抗拉強(qiáng)度，可以按權(quán)利要求2有利地通過含有1.8-2.4wt％鈷，0.45-0.65wt％鈹，0.15-0.3wt％鋯，最高0.05wt％鎂和/或最高0.1％鐵的銅合金來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明允許，相應(yīng)于權(quán)利要求3的特征，銅合金中最高80％含量的鈷可以由鎳替代。
如果銅合金含有最多0.15wt％的至少一種選自鈮，鉭，釩，鉿，鉻，錳，鈦和鈰的元素，可以進(jìn)一步改善側(cè)堤料塊的機(jī)械性能。同樣可以添加最多0.03wt％的常用脫氧劑，例如硼，鋰，鈣，鋁和磷，不會(huì)對本發(fā)明的銅合金的機(jī)械性能有負(fù)面影響。
按照進(jìn)一步的實(shí)施方案(權(quán)利要求4)，一部分鋯含量可以由最多0.15wt％的至少一種選自鈰，鉿，鈮，鉭，釩，鉻，錳和鈦的元素替代。
有利地，按本發(fā)明的銅合金構(gòu)成的用于雙帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤的料塊，按權(quán)利要求5通過工藝步驟澆鑄，熱變形，冷變形至多40％，在850-970℃范圍內(nèi)某一溫度下固溶退火以及在400-550℃下時(shí)效硬化處理0.5-16小時(shí)來制備。
特別有利的是，這種銅合金可以按照權(quán)利要求6在熱變形后冷變形5-30％。這里特別優(yōu)選在上述范圍內(nèi)的10-15％的冷變形度。
如果在已時(shí)效硬化狀態(tài)下的側(cè)堤料塊按照權(quán)利要求8或9具有至少650MPa，特別是700-900MPa的抗拉強(qiáng)度，至少210HV，特別是230-280HV的維氏硬度，至少40％IACS，特別是45-60％IACS的電導(dǎo)率，在500℃下至少400MPa，特別是至少450 MPa的高溫抗張強(qiáng)度，在500℃下擱置500小時(shí)后最低硬度為160HV，按照ASTM E 112的最大粒度為0.5mm。
特別優(yōu)選的是，按權(quán)利要求10，按本發(fā)明的銅合金的側(cè)堤料塊在已時(shí)效硬化狀態(tài)下按ASTM E 112計(jì)算的粒度在30-90μm之間。
按照權(quán)利要求5中給出的工藝步驟的順序，此外以特別簡單的方式成功地消除了在已知的CuCoBe合金中觀察到的很差的在熱變形和固溶退火處理中的重結(jié)晶行為。很差的重結(jié)晶行為在制備由CuCoBe合金構(gòu)成的模料塊時(shí)，在熱變形，固溶退火和時(shí)效硬化狀態(tài)下導(dǎo)致對于使用目的不可接受的粒度直至高于1mm的粗晶組織結(jié)構(gòu)。但是，如果材料在熱變形和固溶退火處理之間進(jìn)行冷變形至最多40％，優(yōu)選至最多15％，則該附加的加工步驟導(dǎo)致明顯更細(xì)晶的組織結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的試驗(yàn)系列已經(jīng)證實(shí)，用于帶式澆鑄機(jī)的側(cè)堤的模料塊的，在重結(jié)晶溫度之下冷變形和隨后固溶退火的材料具有粒度小于0.5mm的明顯更細(xì)的組織結(jié)構(gòu)，而高于約40％的較高冷變形度在隨后的固溶退火中由于二次重結(jié)晶導(dǎo)致晶粒粗化，粒度高于1mm。
下面根據(jù)實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步闡述。用三個(gè)按本發(fā)明的合金(A，B和C)和三個(gè)比較實(shí)施例(D，E和F)說明了按本發(fā)明的銅合金的優(yōu)點(diǎn)。下表1給出了重量百分比表述的銅合金的組成表1
合金D的組成是指已知的CuNiSi基合金，而E和F是標(biāo)準(zhǔn)化的CuCo2Be或CuCoNiBe材料。
所有的銅合金在感應(yīng)坩堝爐中熔化，在連續(xù)澆鑄工藝中澆鑄成直徑為280mm的圓形料塊。實(shí)施例合金A，B和C的圓形料塊在擠壓機(jī)中，高于900℃的溫度下，擠壓成尺寸為79×59mm的扁棒，然后以截面減少12％拉伸為75×55mm的尺寸，對比例合金D、E和F的料塊在相同溫度下直接擠壓成75×55mm的尺寸且不再進(jìn)行額外的冷變形。然后，CuCoBe或CuCoNiBe材料在900-950℃下固溶退火，且在450-550℃之間的溫度范圍內(nèi)時(shí)效硬化0.5-16小時(shí)。
CuNiSi基合金在800-850℃下固溶退火，且在同樣的條件下時(shí)效硬化。在已時(shí)效硬化狀態(tài)下，測定抗拉強(qiáng)度Rm，維氏硬度HV10，電導(dǎo)率(熱導(dǎo)率的替代參數(shù))，按照ASTM E 112的粒子尺寸，在500℃下的耐熱性Rm和在500℃下擱置500小時(shí)后的通過維氏硬度(HV10)測量的耐軟化性。
最后測試尺寸為70×50×40mm的模料塊(1)和尺寸為70×50×47mm的帶有槽和彈簧的模料塊(2)的熱震行為。為此，模料塊首先在500℃下退火2小時(shí)，然后在20-25℃的水中淬火。然后，料塊的T形槽用裸眼和10倍顯微鏡檢查裂紋的增大情況。
在下表2中總結(jié)了所有的試驗(yàn)結(jié)果。
表2
所確定的T形槽中的裂紋的延伸對于歸類為有裂紋的模料塊是2-5mm，在個(gè)別情況下裂紋長度最大為10mm。由對比可以看出，與材料E和F相比，按本發(fā)明以附加的小的冷變形制備的銅合金A，B和C在具有優(yōu)化性能的同時(shí)具有令人驚奇的特別均勻和細(xì)晶的組織結(jié)構(gòu)，在用作帶有槽和彈簧的模料塊時(shí)具有必要的對裂紋產(chǎn)生的抵抗力。在作為通常的模料塊使用時(shí)，本發(fā)明的銅合金還具有相對于已知的CuNiSi合金D的明顯改善的耐軟化性能和相對于合金E和F具有改善一些的耐軟化性能。
因此，按本發(fā)明的銅合金很突出地適合于用作制備所有在澆鑄過程中經(jīng)受典型的變化的溫度應(yīng)力的用于帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤的模料塊的材料。這不僅有目前使用的模料塊，還有按照EP 0 974 413 A1的帶槽和彈簧的結(jié)構(gòu)的模料塊。
權(quán)利要求
1.一種用作制備帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤的料塊的材料的可時(shí)效硬化的合金，其含有1.2-2.7wt％鈷，0.3-0.7wt％鈹，0.01-0.5wt％鋯，選擇性的0.005-0.2wt％鎂和/或0.005-0.2％鐵和非必要的最多0.15％的至少一種選自鈮，鉭，釩，鉿，鉻，錳，鈦和鈰的元素，其余為銅，包括制備引起的雜質(zhì)和常用的加工添加劑。
2.權(quán)利要求1的銅合金，其含有1.8-2.4wt％鈷，0.45-0.65wt％鈹，0.15-0.3wt％鋯，最高0.05wt％鎂，最高0.1％鐵，其余為銅，包括制備引起的雜質(zhì)和常用的加工添加劑。
3.權(quán)利要求1或2的銅合金，其中最高80％含量的鈷可以由鎳替代。
4.權(quán)利要求1至3之一的銅合金，其中一部分鋯含量可以由最多0.15％的至少一種選自鈰，鉿，鈮，鉭，鉻，錳，鈦和釩的元素替代。
5.權(quán)利要求1至4之一的銅合金，其在澆鑄的毛坯的熱變形后，冷變形最多40％，然后在850-970℃范圍內(nèi)某一溫度下固溶退火，再在400-550℃下的時(shí)效硬化處理0.5-16小時(shí)。
6.權(quán)利要求5的銅合金，其在熱變形的工藝步驟后冷變形5-30％。
7.權(quán)利要求5或6的銅合金，其在熱變形的工藝步驟后冷變形10-15％。
8.權(quán)利要求1至7之一的銅合金，其在已時(shí)效硬化狀態(tài)下具有至少650MPa的抗拉強(qiáng)度，至少210HV的維氏硬度，至少40％IACS的電導(dǎo)率，在500℃下至少400MPa的高溫抗張強(qiáng)度，在500℃下擱置500小時(shí)后最低硬度為160HV，按照ASTM E 112的最大粒度為0.5mm。
9.權(quán)利要求1至8之一的銅合金，其在已時(shí)效硬化狀態(tài)下具有700-900MPa的抗拉強(qiáng)度，230-280HV的維氏硬度，45-60％IACS的電導(dǎo)率，在500℃下至少450MPa的高溫抗張強(qiáng)度，在500℃下擱置500小時(shí)后最低硬度為160HV。
10.權(quán)利要求1至9之一的銅合金，其按ASTM E 112計(jì)算的粒度在30-90μm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可時(shí)效硬化的銅合金，它含有1.2－2.7wt％的可部分由鎳替代的鈷，0.3－0.7wt％鈹，0.01－0.5wt％鋯，選擇性的0.005－0.1wt％鎂和/或鐵和非必要的最多0.15％的至少一種選自鈮，鉭，釩，鉿，鉻，錳，鈦和鈰的元素，其余為銅，包括制備引起的雜質(zhì)和常用的加工添加劑。這種銅合金用作制備帶式澆鑄設(shè)備的側(cè)堤的模料塊的材料。
文檔編號B22D11/06GK1442500SQ0310330
公開日2003年9月17日 申請日期2003年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月15日
發(fā)明者T·赫曼凱普, D·羅德 申請人:Km歐洲鋼鐵股份有限公司