CN110453106A - 一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺 - Google Patents

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张青队
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Abstract

本发明公开了一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，主要步骤包括配料、装炉、熔炼、精炼除气、浇铸、铸造、铸锭冷却，利用电解铜板和CuFe50母合金作为熔炼原料，经过非真空下引连续铸造工艺成功制备了铜铁合金扁锭，与传统真空熔铸工艺相比，设备要求低；同时在铸造过程中采取惰性气体保护、调整铁含量等合适的措施，有效控制了合金成分和氧含量；具有工艺稳定、操作简便、熔铸生产成本低廉的优点，能够实现铜铁合金扁锭的工业化生产。

Description

一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺
技术领域
本发明涉及金属冶炼技术领域，具体涉及一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺。
背景技术
随着高强高导铜铁合金被广泛应用于各行各业，对此类高强高导铜铁合金的使用性能及制造成本提出更高的要求。铜铁合金因其同时具有铜的导电性、热传导性、延展性、弹性等性质和铁的耐磨性、强度、硬度、磁性等性质，表现出独有的且优越的特点，如电磁波屏蔽性、弹性、导电性、放热性、耐磨性、抗菌性等，并且铜铁合金可以被加工成棒材、电缆、板材、薄膜、粉末、管状等多种物理形态，并且可以应用于各种产业领域，拥有无法超越的竞争力和市场前景。
但是从铜铁相图来看，室温时两者几乎完全不互溶，300℃时溶解度仍然为零，在1094℃时溶解度也只有5％左右，Fe在Cu中极低的溶解度，导致该合金在凝固过程中极易形成偏析严重的组织，严重影响了CuFe合金的应用，而快速凝固可以细化晶粒，增加固溶度，并且是抑制或者减轻CuFe合金在凝固过程中形成偏析组织的有效途径，因此快速凝固行为研究越来越受到人们的关注。
目前国内外生产CuFe合金的方法有以下几种：
真空电弧熔炼法：将一定比例的铜块与铁块放入真空感应炉内进行熔化，待完全溶化后浇入模具内，通常将感应熔炼法和形变时效结合在一起来提高铜铁合金的性能，但是这种普通的感应熔炼法很容易造成偏析；
形变原位复合法：CuFe原位复合材料的原始组织一般为Cu基体上均匀分布着树枝状(熔炼法)或者颗粒状(粉末冶金法)的Fe相，经大量形变后Fe相变为纤维状。为了更好的提高CuFe合金的综合性能，常采用形变时效方法，在变形中间添加几步热处理，目前还处理研究阶段；
机械合金化法：将一定比例的Cu粉和Fe粉在高能球磨机中长时间研磨，使金属粉末在频繁的碰撞过程中，其组织结构不断细化，最终达到原子级混合而实现合金化的目的，但是这种方法在球磨过程中易代入杂质元素，成本较高。
综上所述，当前市场上仍需要一种低成本、操作简单的制备工艺，能够工业化生产高质量的铜铁合金扁锭。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，具有工艺稳定、操作简便、熔铸生产成本低廉的优点，能够实现铜铁合金扁锭的工业化生产。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，包括以下步骤：
S1：配料，按照铜铁合金的组成配比，以质量百分比，准备80％～95％的电解铜板和5％-20％的Fe元素，其中Fe元素以CuFe50母合金的形式准备；
S2：装炉，将原料进行装炉，依次装入熔剂、CuFe50母合金、电解铜板、覆盖剂；
S3：熔炼，将熔炼炉温度加热至1420～1450℃，使铜铁母合金熔化；升温进行熔化，在升温熔化过程中，要在炉口进行气体保护；
S4：精炼除气，通入氩气进行除气，并利用脱氧剂进行脱氧；
S5：浇铸，当温度达到1300-1450℃时开始浇铸；浇铸温度过高，则铸锭内度梯度大，热应力增大，裂纹倾向增大，同时液穴壁变薄，容易产生宽面裂纹；温度过低则熔体粘度大，流动性降低，易产生冷隔、夹渣等缺陷；
S6：铸造，当熔体流入方结晶器的70～85％时，开启电磁搅拌，具体参数如下：频率3～10Hz，电流80～100A，将铸造速度从低至高缓慢调节至60～80mm/min，机械振动30次/分钟；铸造速度决定液穴深度，是铸造过程中的关键参数，对于扁铸锭，铸造速度过高，宽面液穴壁变薄，使原本就处于拉应力状态的宽面表层拉应力增加，易引发裂纹；铸造速度过低，则可能导致侧面裂纹，或在窄面产生冷隔等缺陷；
S7：铸锭冷却，采用结晶器水冷，同时对凝固后拔出的铸锭以一定角度喷水，进行二次冷却。结晶器水冷的优点是内部可实现“热顶铸造”，降低上端熔体凝固速率，保证及时补缩，同时有利于熔渣和气体的上浮除去。
优选地，所述CuFe50母合金按以下方法熔炼：
第一步：配料装炉，按照含量百分比为1:1的比例称取Cu、Fe原料，混合均匀后装入坩埚放至真空熔炼炉内；
第二步：真空感应熔炼，开启机械泵、低真空挡板阀抽真空，待真空熔炼炉内P≤0.08MPa时，开启罗茨泵；当真空度抽到P≤4Pa时，加热装置功率升至20KW-30KW，保温5min-10min；加热装置加热功率升至40KW-50KW，保温5min-10min；加热装置加热功率升至60KW-70KW，待坩埚内原料上下达到均匀后，降低加热功率至20KW，缓慢向真空熔炼炉炉体内充入氩气；炉内压力升至0.08Mpa时，停止冲入氩气，升功率至70KW±5KW，精炼1min-2min；
第三步：浇铸出炉，降低真空熔炼炉功率至40KW±5KW，保持0.5min开始向浇铸模具内进行浇铸，浇铸完成后关闭加热，冷却60min后出炉；
此方法制备的CuFe合金，组织致密，少气孔、夹杂，无宏观、微观偏析等缺陷，保证了最后铜铁扁锭的质量。
优选地，所述覆盖剂为石英玻璃，使用量为合金重量的0.25-0.50％wt；所述熔剂为硅酸钠和萤石的混合物，使用量为合金中粮的0.32-0.45％wt。
优选地，S3中，熔炼期间用坩埚取样检测Fe含量，据此再加入适量的CuFe母合金，调整熔体成分直至铁含量达到目标值。
优选地，S4中，脱氧剂除气的具体步骤为铝丝脱氧、CuMg合金脱氧、出炉前加入钛丝。
优选地，S6中，当熔炼炉坩埚内熔体量减少为原来的10％以下时，缓慢降低下引速度直至停止。待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
优选地，S7中，所述铸造前将冷却水流量逐渐增加至6.0～8.0m3/h，水流量过高，冷却程度过大，易引发应力集中，形成冷隔，导致裂纹；水流量过低，铸锭冷却速率过慢，可能造成组织粗大、性能下降，或造成其他缺陷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明针对铜铁合金扁锭，采用了合适的制造工艺，尤其是通过大量的工艺摸索，针对不同规格，确定了一系列非真空熔炼铸造的关键参数；
(2)本发明使用内置式结晶器电磁对铜铁熔液搅拌，增加等轴晶比例，晶粒细化，减少表面和皮下气孔，夹杂物，改善铸锭中心疏松、偏析；
(3)本发明制造的铜铁合金扁锭作为铜铁合金带材的轧制坯料，比常规圆锭减少了材料损耗，降低了生产成本；
(4)本发明采用非真空下引连续铸造工艺，与传统真空熔铸工艺相比，设备要求低；同时在铸造过程中采取惰性气体保护、调整铁含量等合适的措施，有效控制了合金成分和氧含量，操作简单，稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明实施例1的实物图；
图3为本发明实施例1的金相图。
具体实施方式
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。
实施例1-3：
(1)CuFe50母合金的熔炼步骤：
第一步：配料装炉，按照含量百分比为1:1的比例称取Cu、Fe原料，混合均匀后装入坩埚放至真空熔炼炉内；
第二步：真空感应熔炼，开启机械泵、低真空挡板阀抽真空，待真空熔炼炉内P≤0.08MPa时，开启罗茨泵；当真空度抽到P≤4Pa时，加热装置功率升至20KWKW，保温5min；加热装置加热功率升至40KW，保温5min；加热装置加热功率升至60KW，待坩埚内原料上下达到均匀后，降低加热功率20KW，缓慢向真空熔炼炉炉体内充入氩气；炉内压力升至0.08Mpa时，停止冲入氩气，升功率至65KW，精炼1min；
第三步：浇铸出炉，降低真空熔炼炉功率至35KW，保持0.5min开始向浇铸模具内进行浇铸，浇铸完成后关闭加热，冷却60min后出炉。
(2)铜铁合金扁锭的铸造步骤：
S1：配料，按照铜铁合金的组成配比，以质量百分比，准备电解铜板和Fe元素，其中Fe元素以CuFe50母合金的形式准备；
S2：装炉，将原料进行装炉，依次装入熔剂、CuFe50母合金、电解铜板、覆盖剂，所述覆盖剂为石英玻璃，所述熔剂为硅酸钠和萤石的混合物；
S3：熔炼，将熔炼炉温度加热至1420℃，使铜铁母合金熔化；升温进行熔化，在升温熔化过程中，要在炉口进行气体保护，熔炼期间用坩埚取样检测Fe含量，据此再加入适量的CuFe50母合金，调整熔体成分直至铁含量达到目标值；
S4：精炼除气，通入氩气进行除气，铝丝脱氧、CuMg合金脱氧、出炉前加入钛丝；
S5：浇铸，当温度达到1300℃时开始浇铸；浇铸温度过高，则铸锭内度梯度大，热应力增大，裂纹倾向增大，同时液穴壁变薄，容易产生宽面裂纹；温度过低则熔体粘度大，流动性降低，易产生冷隔、夹渣等缺陷；
S6：铸造，当熔体流入方结晶器的70％时，开启电磁搅拌，具体参数如下：频率310Hz，电流80A，将铸造速度从低至高缓慢调节至60mm/min，机械振动30次/分钟；铸造速度决定液穴深度，是铸造过程中的关键参数，对于扁铸锭，铸造速度过高，宽面液穴壁变薄，使原本就处于拉应力状态的宽面表层拉应力增加，易引发裂纹；铸造速度过低，则可能导致侧面裂纹，或在窄面产生冷隔等缺陷；
S7：铸锭冷却，采用结晶器水冷，同时对凝固后拔出的铸锭以一定角度喷水，进行二次冷却。结晶器水冷的优点是内部可实现“热顶铸造”，降低上端熔体凝固速率，保证及时补缩，同时有利于熔渣和气体的上浮除去。所述铸造前将冷却水流量逐渐增加至6.0m3/h，水流量过高，冷却程度过大，易引发应力集中，形成冷隔，导致裂纹；水流量过低，铸锭冷却速率过慢，可能造成组织粗大、性能下降，或造成其他缺陷。当熔炼炉坩埚内熔体量减少为原来的10％以下时，缓慢降低下引速度直至停止。待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
根据初始配料的不同，共制备3组实施例，其详细的配料成分铸造参数如表1-6所示，其中，实施例1所制备的铜铁扁锭实物如图2所示，金相图如图3所示，证明所制备的铜铁扁锭其结构均匀、偏析较少。
表1实施例1-3的配料及性能表
实施例4-6：
(1)CuFe50母合金的熔炼步骤：
第一步：配料装炉，按照含量百分比为1:1的比例称取Cu、Fe原料，混合均匀后装入坩埚放至真空熔炼炉内；
第二步：真空感应熔炼，开启机械泵、低真空挡板阀抽真空，待真空熔炼炉内P≤0.08MPa时，开启罗茨泵；当真空度抽到P≤4Pa时，加热装置功率升至30KW，保温10min；加热装置加热功率升至50KW，保温10min；加热装置加热功率升至70KW，待坩埚内原料上下达到均匀后，降低加热功率至20KW，缓慢向真空熔炼炉炉体内充入氩气；炉内压力升至0.08Mpa时，停止冲入氩气，升功率至75KW，精炼2min；
第三步：浇铸出炉，降低真空熔炼炉功率至45KW，保持0.5min开始向浇铸模具内进行浇铸，浇铸完成后关闭加热，冷却60min后出炉。
(2)铜铁合金扁锭的熔炼步骤：
S1：配料，按照铜铁合金的组成配比，以质量百分比，准备电解铜板和Fe元素，其中Fe元素以CuFe50母合金的形式准备；
S2：装炉，将原料进行装炉，依次装入熔剂、CuFe50母合金、电解铜板、覆盖剂，所述覆盖剂为石英玻璃，所述熔剂为硅酸钠和萤石的混合物；
S3：熔炼，将熔炼炉温度加热至1450℃，使铜铁母合金熔化；升温进行熔化，在升温熔化过程中，要在炉口进行气体保护，熔炼期间用坩埚取样检测Fe含量，据此再加入适量的CuFe50母合金，调整熔体成分直至铁含量达到目标值；
S4：精炼除气，通入氩气进行除气，铝丝脱氧、CuMg合金脱氧、出炉前加入钛丝；
S5：浇铸，当温度达到1450℃时开始浇铸；(浇铸温度过高，则铸锭内度梯度大，热应力增大，裂纹倾向增大，同时液穴壁变薄，容易产生宽面裂纹；温度过低则熔体粘度大，流动性降低，易产生冷隔、夹渣等缺陷；
S6：铸造，当熔体流入方结晶器的85％时，开启电磁搅拌，具体参数如下：频率10Hz，电流100A，将铸造速度从低至高缓慢调节至80mm/min，机械振动30次/分钟；铸造速度决定液穴深度，是铸造过程中的关键参数，对于扁铸锭，铸造速度过高，宽面液穴壁变薄，使原本就处于拉应力状态的宽面表层拉应力增加，易引发裂纹；铸造速度过低，则可能导致侧面裂纹，或在窄面产生冷隔等缺陷；
S7：铸锭冷却，采用结晶器水冷，同时对凝固后拔出的铸锭以一定角度喷水，进行二次冷却。结晶器水冷的优点是内部可实现“热顶铸造”，降低上端熔体凝固速率，保证及时补缩，同时有利于熔渣和气体的上浮除去。所述铸造前将冷却水流量逐渐增加至8.0m3/h，水流量过高，冷却程度过大，易引发应力集中，形成冷隔，导致裂纹；水流量过低，铸锭冷却速率过慢，可能造成组织粗大、性能下降，或造成其他缺陷。当熔炼炉坩埚内熔体量减少为原来的10％以下时，缓慢降低下引速度直至停止。待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
根据初始配料的不同，共制备3组实施例，其详细的配料成分铸造参数如表2所示。
表2实施例4-6的配料及性能表
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：配料，按照铜铁合金的预定配比，以质量百分比计，准备80％～95％的电解铜板和5％-20％的Fe元素，其中Fe元素以CuFe50母合金的形式准备；
S2：装炉，将原料进行装炉，依次装入熔剂、CuFe50母合金、电解铜板、覆盖剂；
S3：熔炼，将熔炼炉温度加热至1420～1450℃，使铜铁母合金熔化，在升温熔化过程中，要在炉口进行气体保护；
S4：精炼除气，通入氩气进行除气，并利用脱氧剂进行脱氧；
S5：浇铸，当温度达到1300-1450℃时开始浇铸；
S6：铸造，当熔体流入方结晶器的70～85％时，开启电磁搅拌，设定频率3～10Hz，电流80～100A，将铸造速度从低至高缓慢调节至60～80mm/min，机械振动30次/分钟；
S7：铸锭冷却，采用结晶器水冷，同时对凝固后拔出的铸锭以一定角度喷水，进行二次冷却。
2.根据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：所述CuFe50母合金按以下方法熔炼：
第一步：配料装炉，按照含量百分比为1:1的比例称取Cu、Fe原料，混合均匀后装入坩埚放至真空熔炼炉内；
第二步：真空感应熔炼：当真空度抽到P≤4Pa时，加热装置功率升至20KW-30KW，保温5min-10min；加热装置加热功率升至40KW-50KW，保温5min-10min；加热装置加热功率升至60KW-70KW，待坩埚内原料上下达到均匀后，降低加热功率至20KW，缓慢向真空熔炼炉炉体内充入氩气；炉内压力升至0.08Mpa时，停止冲入氩气，升功率至70KW±5KW，精炼1min-2min；
第三步：浇铸出炉，降低真空熔炼炉功率至40KW±5KW，保持0.5min开始向浇铸模具内进行浇铸，浇铸完成后关闭加热，冷却60min后出炉。
3.据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：所述覆盖剂为石英玻璃，使用量为合金重量的0.25-0.50％wt；所述熔剂为硅酸钠和萤石的混合物，使用量为合金重量的0.32-0.45％wt。
4.根据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：S3中，熔炼期间用坩埚取样检测Fe含量，据此再加入适量的CuFe母合金，调整熔体成分直至铁含量达到目标值。
5.根据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：S4中，脱氧剂除气的具体步骤为铝丝脱氧、CuMg合金脱氧、出炉前加入钛丝。
6.根据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：S6中，当熔炼炉坩埚内熔体量减少为原来的10％以下时，缓慢降低下引速度直至停止。待铸锭完全凝固后，关闭冷却水。
7.根据权利要求1所述的一种非真空下引连铸铜铁合金扁锭的生产工艺，其特征在于：S7中，所述铸造前将冷却水流量逐渐增加至6.0～8.0m3/h。
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