CN110144472A - 一种锰铜减振合金的真空感应熔炼方法 - Google Patents

一种锰铜减振合金的真空感应熔炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，步骤包括：选取金属原料及合金料，并布料装炉；抽真空，加电预热；炉内金属原料红热后充氩气保护，并继续加热至熔化熔清；静置精炼；造渣；扒渣；添加合金料；调温浇注。本发明的优点在于引入造渣工序，可有效清除锰铜合金熔炼过程中产生的大量金属氧化物夹杂，提高合金纯净度，改善合金的锻造性能和合金质量；补缩阶段采用反复浇注补缩工艺，可有效减小铸锭缩孔缩松，改善冒口锻造性能，提高铸锭利用率，降低生产成本。

Description

一种锰铜减振合金的真空感应熔炼方法
技术领域
本发明涉及特种合金的冶炼制备技术领域，具体涉及一种锰铜减振合金的真空感应熔炼方法。
背景技术
伴随着科技快速进步，人们对机械***自身稳定性、精密度的要求日益提高。机械振动带来的危害，尤其是航空航天、精密机加工、精密测量等领域，微振动干扰带来的危害日益显现。因此，采用结构功能一体化的高阻尼合金，用来加工制备振源支撑构件，从而起到减振、隔振的效果，以便提升整体***的精度、稳定性和寿命，受到社会的广泛重视。
相比于其它减振阻尼材料，锰铜基减振合金因其具有宽温区、高阻尼、高强度等综合优势。锰铜基减振合合金的成分一般为50-75％Mn,20-40％Cu以及少量Ni、Fe、Al等其它一些合金化元素。锰铜基阻尼合金优良的减振吸能特性来源于合金内部马氏体相内含有的大量微孪晶结构。大量的马氏体微孪晶在外力作用下发生的弛豫运动能够导致能量被迅速耗散，从而使得振源引起的机械振动被高效衰减。目前锰铜基减振合金已经取得了一定的商业应用，包括作为潜艇螺旋桨用材料，以及用于制造减振支架、基座、垫片和座脚等结构支撑部件，都取得了明显的效果。
关于锰铜基减振合金高阻尼产生的机制目前已有统一的认识，有关合金成分、组织与性能特点之间关系的研究等方面也有一些文献报道。但是，有关锰铜基减振合金熔炼、锻造和轧制等重要热加工工艺的研究尚未见有报道。这些制备过程不仅是决定材料化学成分、晶体组织与力学性能的关键过程，也是实际材料和产品生产过程中必不可少的工艺。
由于锰铜合金热导率差，结晶温区宽，导致其凝固过程时间较长。同时合金在固、液状态体积差别较大，不但在降温凝固过程中很容易发生宏观成分偏析，导致铸锭材料组织和性能均匀性、一致性较差，而且还容易导致浇铸合金锭缩孔缺陷明显。如果仍然按照常规浇注工艺，冒口深度可达整个铸锭长度一半左右，导致原料严重浪费，增加生产成本。因此，为了降低铸锭缺陷带来的损失，必须严格控制真空度、浇注温度、浇注速度、补缩制度等工艺参数。
另一方面，由于锰铜基减振合金熔炼原料中含有高达40-75％的电解锰片，锰元素具有化学性质活泼，真空蒸气压高的特点。在存放和熔炼过程中与熔炼环境(气氛、坩埚)之间可产生复杂的物理化学反应，锰元素具有很强的形成氧化物夹杂的倾向。即使真空熔炼，也会在熔体内部生成大量金属氧化物和非金属氧化物夹渣。产生的夹渣将严重影响合金的后期锻造和使用性能。因此，合金熔炼工艺涉及的坩埚、布料、真空度、熔炼温度、静置时间等参数也需要严格控制。
专利CN103556020B中公开了具有优良力学性能的高锰含量锰铜高阻尼合金，合金材料的化学成分包括：Cu为21.0-24.5wt.％，Ni为2.0％-7.0wt.％，Fe为1％-3wt.％，0<稀土元素含量<1.2wt.％，0<高熔点金属原料含量<3.0wt.％，其余为Mn，且C<0.1wt.％。其生产的合金材料阻尼性能良好，但该合金采用Ce、La稀土元素和高熔点金属元素，成本较高；且多种元素叠加引起密度差别增大和热导率的进一步下降，更容易引起合金锭成分的宏观偏析和严重的缩孔缺陷。此专利主要集中在合金成分方面，在具体的熔炼工艺方面并没有详细规范的说明。
专利CN201610776237公开了一种真空感应炉冶炼锰铜合金的方法，通过水冷铜锭模进行浇注减轻冒口缩孔缺陷；通过炉内底吹氩气进行搅拌，解决合金化渣困难及电解锰容易漂浮在渣层之上的问题。尤其是第一种措施，需要对真空感应熔炼炉所使用的传统锭模***进行大规模改造。而且使用过程中，由于锭模需要反复在真空炉内外转移以便于浇注和脱模，其水循环***将也必须反复拆卸。这不但增加成本，影响生产效率，也将对炉体的真空***造成不利影响，存在安全隐患。
专利CN108559896A公开了一种铸造高阻尼锰铜合金材料及其制造方法，其原料先在真空感应熔炼炉内熔化，然后合金熔体直接在坩埚中凝固成铸件，而且合金熔体凝固界面前沿位置处施加强度不大于5T的横向静磁场。上述方案，不但使熔炼工艺复杂化，且大大降低了生产效率。
专利CN201410192802(CN103966493A)公开了一种高阻尼Mn-Cu基减振合金及其制备方法，其将原料置于真空感应炉内熔化，加热到1400-1500℃,形成合金液体；将合金液在该温度下充分搅拌10分钟后即可浇铸成相应的铸件。前面已经分析，这种高温浇注方法将加重合金铸锭成分不均匀性和缩孔缺陷，严重者甚至可以使缩孔深度达到整个铸锭长度的一半以上，严重降低铸锭质量和原材料利用率。
综上所述，目前来看，由于锰铜基高阻尼减振合金结晶温度范围宽，易形成氧化物夹杂，铸造性能差，导致其冶炼工艺并不成熟。合金熔炼作为锰铜基减振合金产品组织和性能的基本工艺过程，必须严格控制坩埚材质、熔炼气氛、熔炼温度、精炼及静置时间、浇注温度、浇注速度、补缩制度等工艺参数。必要情况下，还必须利用造渣剂清除熔体中存在的渣滓。因此优化并掌握锰铜合金熔炼的工艺参数，对于降低该材料生产成本和规模化生产，以及实现产品的高性能及可靠应用来说无疑是极其重要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服现有锰铜减振合金熔炼工艺的不足，提供一套可规模化生产的真空感应熔炼工艺规范,提高原料利用率，降低生产成本。本发明设计了科学的熔炼、浇注工艺，通过对布料、真空度、熔炼温度、静置时间、除渣与浇注等过程的严格控制，可以使合金元素在铸锭中得到均匀固溶，金属氧化物夹渣得到有效清除，可以解决浇注合金锭缩孔缺陷严重的问题，提高了冶金质量和生产效率，可实现规模化生产。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，包括以下操作步骤：
S1、选取工业纯以上金属原料，并分别布料装炉；
S2、炉内抽真空，对金属原料进行加电预热；
S3、炉内金属原料红热后充保护气体，并继续加热至熔化熔清；
S4、静置精炼；
S5、造渣：精炼后期，投入造渣剂，使其吸附熔体内部和表面的氧化物夹渣，造渣过程10-30min；
S6、扒渣：造渣结束后，使用扒渣设备将漂浮于熔体表面的渣料清除。
S7、添加合金料；
S8、静置：降低电源功率至合金熔体液面结膜；
S9、调温浇注：静置结束后，重新将电源功率调高至熔炼状态，使合金熔体温度再次升高，当熔体表面结膜开始熔化时开始浇注；当浇口杯中心孔位置处能看到熔体冒出时停止浇注，等待熔体补缩；5-20s后重新补浇至熔体再次从浇口杯孔位置处冒出，重复补缩过程，直到浇口位置熔体不再下降，浇注时间5-20min；
进一步改进在于，步骤S1中，所述金属原料包括纯锰和纯铜以及其他金属原料，布料装炉为先将电解純锰片覆盖于坩埚底部，然后将纯铜和其他金属原料置于电解锰片之上，再将合金料置于料仓。
进一步改进在于，步骤S2的具体操作为：关闭真空室，抽真空至20Pa以下时，逐级加大电源功率对金属原料预热；同时继续抽气，使真空度保持在10Pa以下。
进一步改进在于，步骤S3的具体操作为：观察到炉内金属原料红热后，停止抽真空，向真空室内充入高纯氩气(99.999％)使炉内压力达到0.05MPa附近，同时继续加大电源功率，使炉料快速熔清，熔化时间30-60min；同时始终关注电解锰片放气情况，始终保持炉内气压在0.05MPa附近。
进一步改进在于，步骤S4的具体操作为：炉料熔清后，将电源功率减小至熔体液面平静状态，静置20-50min进行精炼。
进一步改进在于，步骤S5的具体操作为：精炼结束后期，投入除渣剂进行造渣处理，造渣过程10-30min；
进一步改进在于，步骤S6的具体操作为：使用扒渣设备将漂浮于熔体表面的渣料清理收集存放。
进一步改进在于，步骤S7的具体操作为：降低功率至液面平静，投入料仓内的合金料，合金化过程5-20min。
进一步改进在于，步骤S9中，在多次补缩过程中，控制电源功率，使炉内剩余熔融合金始终保持熔融状态，以保证浇口杯孔不被堵塞，浇注时间5-20min。
本发明的有益效果在于：
1)引入造渣扒渣工序，有效清除熔体内部的大量金属氧化物和非金属氧化物夹渣，提高合金纯净度，改善了合金的锻造性能和合金质量；
2)通过对合金熔体温度的控制，浇注速度的控制，合金铸锭不同部位组织和成分均匀一致；
3)浇注后期，采用重复浇注补缩方法，减小铸锭缩孔缩松，使其完全停留在保温冒口内，合金锭原料收得率高；
4)熔炼工艺简单，操作方便，适应性强，不需要对现有真空熔炼设备进行大规模改造升级；熔炼工艺迁移性强，尤其适用于大吨位的真空感应炉，适合规模化生产。
附图说明
图1为锰铜合金微区金相图；
图2为热锻后铸锭不同部位力学性能结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
实施例：采用300kg真空感应熔炼炉熔炼锰铜合金200公斤。包括以下操作步骤：
S1、选取电解锰片150公斤，电解铜块40公斤，电解镍块6公斤，电解铝块4公斤，造渣剂2公斤。先将电解锰片加入坩埚，然后将电解纯铜、纯镍原料置于电解锰片之上，再将电解铝块和造渣剂分别置于料仓；
S2、关闭真空腔，抽真空至20Pa以下时，启动加热电源，逐级加大电源功率至180kW对金属原料预热；同时继续抽气，使真空度保持在10Pa以下。
S3、观察到炉内金属原料红热后，停止抽真空，向真空室内充入高纯氩气(99.999％)使炉内压力达到0.05MPa左右，同时继续加大电源功率至200kW，使炉料快速熔清，熔化时间50min；同时关注电解锰片放气情况，始终保持炉内气压在0.05MPa附近。
S4、炉料熔清后，将电源功率减小至160kW，此时熔体液面平静状态，不断有气泡冒出，静置25min进行精炼；
S5、精炼后期，熔体表面不再冒泡时，投入料仓内造渣剂，造渣过程15min；
S6、扒渣静置：造渣结束后，适用位于炉顶的扒渣设备将漂浮于熔体表面的渣料收集存放。
S7、扒渣结束后，投入料仓内的铝块，并将电源功率增大至180kW，合金化熔炼5min；
S8、静置：降低电源功率60kW至合金熔体液面结膜,时间15分钟；
S9、调温与浇注：静置结束后，重新将电源功率调高至200kW，使合金熔体温度再次升高，当熔体表面结膜开始熔化时开始浇注，此时浇铸起始温度稍大于合金熔点，当浇口杯中心孔位置处能看到熔体冒出时停止浇注，等待熔体补缩，10-30s后重新补浇至熔体再次从浇口杯孔位置处冒出，重复补缩过程3-8次，直到浇口位置熔体不再下降，浇注时间12min；在补缩过程后期，控制电源功率，使炉内剩余熔融合金始终保持熔融状态，以保证浇口杯孔不被堵塞。浇铸完成后，把坩埚内熔体全部浇入浇口杯，清空坩埚，等待10分钟；
S10、开炉脱模：充氩气至常压，开炉，行车吊出钢锭模，等待10分钟后脱模。同时清理坩埚，清渣为下一炉装炉做准备。
S11、成分化验：将圆柱形合金锭冒口和底端进行平整切割，以不出现宏观缺陷为准。分别从两端切割面上取样，进行成分和金相分析。表1和图1分别给出了浇铸锭两端的成分检测结果和微区金相分析。可以看出，通过对合金熔体浇铸温度、浇注速度的控制，合金铸锭不同部位组织和成分均匀一致得到了有效控制；夹杂物也明显降低。
表1：浇注锰铜合金铸锭成分表(wt％)
Mn Cu Ni Al
顶部 73.16 21.93 3.05 1.86
底部 73.10 22.06 3.03 1.81
如图2所示，其给出了热锻后合金板材两端的力学性能，可以看出，经过上述熔炼工艺流程的严格控制，锰铜合金不同部位力学性能具有良好的一致性。由于内部夹杂物的含量降低，延展性得到明显提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
S1、选取工业纯以上金属原料，并分别布料装炉；
S2、炉内抽真空，对金属原料进行加电预热；
S3、炉内金属原料红热后充保护气体，并继续加热至熔化熔清；
S4、静置精炼；
S5、造渣：精炼后期，投入造渣剂，使其吸附熔体内部和表面的氧化物夹渣，造渣过程10-30min；
S6、扒渣：造渣结束后，使用扒渣设备将漂浮于熔体表面的渣料清除。
S7、添加合金料；
S8、静置：降低电源功率至合金熔体液面结膜；
S9、调温浇注：静置结束后，重新将电源功率调高至熔炼状态，使合金熔体温度再次升高，当熔体表面结膜开始熔化时开始浇注；当浇口杯中心孔位置处能看到熔体冒出时停止浇注，等待熔体补缩；5-20s后重新补浇至熔体再次从浇口杯孔位置处冒出，重复补缩过程，直到浇口位置熔体不再下降，浇注时间5-20min。
2.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S1中，所述金属原料包括纯锰和纯铜以及其他金属原料，布料装炉为先将电解純锰片覆盖于坩埚底部，然后将纯铜和其他金属原料置于电解锰片之上，再将合金料置于料仓。
3.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S2的具体操作为：关闭真空室，抽真空至20Pa以下时，逐级加大电源功率对金属原料预热；同时继续抽气，使真空度保持在10Pa以下。
4.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S3的具体操作为：观察到炉内金属原料红热后，停止抽真空，向真空室内充入高纯氩气(99.999％)使炉内压力达到0.05MPa附近，同时继续加大电源功率，使炉料快速熔清，熔化时间30-60min；同时始终关注电解锰片放气情况，始终保持炉内气压在0.05MPa附近。
5.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S4的具体操作为：炉料熔清后，将电源功率减小至熔体液面平静状态，静置20-50min进行精炼。
6.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S5的具体操作为：精炼结束后期，投入除渣剂进行造渣处理，造渣过程10-30min。
7.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S6的具体操作为：使用扒渣设备将漂浮于熔体表面的渣料清理收集存放。
8.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S7的具体操作为：降低功率至液面平静，投入料仓内的合金料，合金化过程5-20min。
9.根据权利要求1所述的一种锰铜合金的真空感应熔炼方法，其特征在于：步骤S9中，在多次补缩过程中，控制电源功率，使炉内剩余熔融合金始终保持熔融状态，以保证浇口杯孔不被堵塞，浇注时间5-20min。
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