CN116037881A - 一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铜合金结晶轮制备领域，提供了一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法，包括：铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，将配料的各金属材料熔化，进行真空离心铸造，得到结晶轮环形铸坯；将所述结晶轮环形铸坯进行首次机械加工，去除内环面的缩松和冒口；将机械加工后的结晶轮环形铸坯依次进行热环轧、固溶热处理、冷环轧、时效热处理、二次机械加工，即得。本发明制造方法合理有效，具有成材率高、生产效率高、生产成本低，内外部性能一致性好，制造的产品性能高的优点。
Description
技术领域
本发明属于铜合金结晶轮制备技术领域，具体为一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
结晶轮也称铸轮，是连铸连轧生产线上最重要的零件，也是成本费用最高易损零件。工作时，其外侧铸槽内注入高温铜液或铝液，通过内外冷却水系统的强制性冷却作用，在结晶轮的转动过程中使铜液或铝液完成冷却、结晶、凝固铸成铸坯，通过引桥，铸坯被送入连轧机进行轧制。
目前铜合金结晶轮的制造方法为铸造-开坯-热轧-热处理-冷轧-热处理-机械加工，该种方法工艺流程长，需要大量的车削加工，原材料浪费严重，生产成本比较高，并且产品的心部变形相对表层稍弱，内外性能的一致性有所差异。结晶轮在使用时心部与高温铜液或铝液直接接触，这对其心部性能的要求比表层更高，而常规的制造方法不能满足该需要。
发明内容
为优化铜合金结晶轮的制造方法，本发明提供一种新型制造方法来解诀上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法，包括：
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，将配料的各金属材料熔化，进行真空离心铸造，得到结晶轮环形铸坯；
将所述结晶轮环形铸坯进行首次机械加工，去除内环面的缩松和冒口；
将机械加工后的结晶轮环形铸坯依次进行热环轧、固溶热处理、冷环轧、时效热处理、二次机械加工，即得。
本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的铜合金结晶轮。
本发明的第三个方面，提供了上述的铜合金结晶轮在连铸连轧生产中的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明采用真空离心铸造的工艺方法制备铸坯，真空条件下Cr和Zr氧化烧损低，保证了合金成分的准确性和稳定性，同时具有良好的脱气效果。铜合金金属液在离心力的作用下发生凝固，不易产生成分偏析(传统的铸造圆锭铸锭体积较大，铸锭不同区域的元素成分有所差别，不能保证最终产品整体成分的一致性和性能一致性)，铸坯组织细密，铜液内较轻的夹渣和氧化物可在离心力的作用下浮出金属液本体。以上共同提高了铜液的纯净度和铸坯质量。
(2)本发明采用近净成形的轧制方法，结晶轮热变形和冷变形时心部区域与轧辊发生直接接触，塑性变形区穿过整个结晶轮的厚度区域，结晶轮心部区域可被轧透，从而保证结晶轮心部组织(结晶轮使用时心部组织与铜液或铝液直接接触，要求比表层具有更好的性能)细小，具有良好的使用性能。
(3)本发明采用离心铸造直接铸出结晶轮的热轧环形铸坯，不需要再进行热锻圆锭开坯操作。采用近净成形的轧制方法(热环轧和冷环轧相结合)直接轧出结晶轮的近似形状，再进行机械加工，大幅减少了车削加工量。以上共同提高了铜合金结晶轮的综合成材率和生产效率，同时减少了物料损耗，降低了生产成本。
(4)本发明制造方法合理有效，具有成材率高、生产效率高、生产成本低，制造的产品性能高的优点。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构主视图；
图2为本发明根据一个或多个实施方式的环轧过程示意图；
图3为本发明根据一个或多个实施方式的轧制方向示意图；
图4为本发明实施例1中表层和心部金相图片的对比图；
图5为本发明对比例1中表层和心部金相图片的对比图；
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
其中，1、主轧辊；1-1、主轧辊凸台；2、芯辊；3、铜合金结晶轮；3-1、结晶轮凹槽；4、锥辊；5、径向轧制方向；6、轴向轧制方向。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法，包括：
1)配料：铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，按照Cr 0.6-1.0wt％，Zr 0.1-0.2wt％，Fe 0.01-0.03wt％，P 0.01-0.03wt％，其余为Cu进行配料。
在一些实施方式中，元素Cr的加入方式为CuCr20中间合金；
在一些实施方式中，元素Zr的加入方式为CuZr40中间合金；
在一些实施方式中，元素Fe的加入方式为CuFe10中间合金；
在一些实施方式中，元素P的加入方式为CuP14中间合金；
2)真空离心铸造：将1)中配料的各金属材料熔化，将熔化后的铜铬锆合金金属液在真空条件下浇注到金属型中进行离心铸造，得到结晶轮环形铸坯；
在一些实施方式中，离心铸造时金属型的转速为140-200rpm/min；
在一些实施方式中，真空离心铸造时真空度为50-250Pa；
在一些实施方式中，离心铸型的加热温度为150-200℃；
4)机械加工1：将真空离心铸造得到的结晶轮环形铸坯进行机械加工，去除内环面的缩松和冒口。
5)热环轧：将机械加工后得到的结晶轮环形铸坯作为热环轧毛坯进行热环轧；
在一些实施方式中，热环轧时采用带凸台的主轧辊，轧辊凸台与结晶轮环坯外环面相接触，每道次热轧时更换不同凸台尺寸的主轧辊，热轧后获得带有凹槽的结晶轮环坯；
在一些实施方式中，热环轧时结晶轮环形铸坯加热温度为900-940℃，热环轧道次为2-3道次；
在一些实施方式中，热环轧单道次变形量((变形前截面积-变形后截面积)/变形前截面积*100％)为25-30％；
在一些实施方式中，热环轧第1道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1-2mm/s，轴向进给速度为0.2-0.4mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2；
在一些实施方式中，热环轧第2道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1.4-2mm/s，轴向进给速度为0.3-0.5mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2；
在一些实施方式中，热环轧第3道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.8-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1.4-1.8mm/s，轴向进给速度为0.2-0.5mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2；
6)固溶热处理：将热环轧后得到的结晶轮毛坯进行固溶热处理，固溶热处理温度为940-1000℃。
7)冷环轧：将固溶热处理后得到的结晶轮进行冷环轧；
在一些实施方式中，冷环轧时采用热环轧最后道次的轧辊，此时轧辊凸台与结晶轮凹槽重合，开始径轴向冷环轧；
在一些实施方式中，冷轧道次为1道次，冷环轧单道次变形量((变形前截面积-变形后截面积)/变形前截面积*100％)为20-30％；
在一些实施方式中，冷环轧结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为0.4-1mm/s，轴向进给速度为0.1-0.3mm/s，冷环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.4-1.8。
8)时效热处理：将冷环轧后得到的结晶轮毛坯进行时效热处理，时效热处理温度为400-460℃，时效热处理时间为4-8小时。
9)机械加工2：将时效热处理后的结晶轮毛坯机械加工至成品。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，按照Cr 0.6wt％，Zr 0.1wt％，Fe 0.01wt％，P0.01wt％，其余为Cu进行配料。
将配料后的材料熔化并在真空条件下离心铸造，得到结晶轮环形铸坯，离心铸造时真空度为50Pa，金属型转速为140rpm/min，离心铸型的加热温度为150℃。
将离心铸造后的结晶轮环形铸坯机械加工，去除内环面的缩孔和冒口。
将机械加工后的结晶轮环形铸坯热环轧，结晶轮环形铸坯加热温度为900℃，热环轧道次为2道次，每道次的变形量为25％。热轧第1道次结晶轮环坯旋转线速度为0.6m/s，径向进给速度为1mm/s，轴向进给速度为0.2mm/s，热轧第1道次径向下压量和轴向下压量的比值为1.6。热轧第2道次结晶轮环坯旋转线速度为0.8m/s，径向进给速度为1.4mm/s，轴向进给速度为0.3mm/s，热轧第2道次径向下压量和轴向下压量的比值为1.8。
将热环轧得到的结晶轮毛坯进行固溶热处理，固溶热处理温度为940℃。固溶热处理后进行冷环轧，冷环轧采用热环轧最后道次的轧辊，轧辊凸台与结晶轮凹槽相重合，冷环轧道次为1道次，冷环轧变形量为20％。冷环轧结晶轮环坯旋转线速度为0.6m/s，径向进给速度为0.4mm/s，轴向进给速度为0.1mm/s，冷环轧径向下压量和轴向下压量的比值为1.4。
将冷环轧后的结晶轮毛坯进行时效热处理，时效热处理温度为400℃，时效热处理时间为8小时。
将时效热处理后的结晶轮毛坯机械加工至成品。
结晶轮表层和心部的金相组织如图4所示，经统计得表层平均晶粒尺寸为108μm，心部平均晶粒尺寸为113μm，表层和心部晶粒尺寸趋于一致，冷变形程度趋于一致，内外均匀性良好。
实施例1中不同工序的产品重量如下表所示：
成材率：成品重量/投料重量×100％
实施例1中表层与心部力学性能数据如下表所示：
| 位置 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 表层试样 | 387 | 296 | 19.6 |
| 心部试样 | 388 | 296 | 20.4 |
实施例2
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，按照Cr 0.8wt％，Zr 0.15wt％，Fe0.015wt％，P0.015wt％，其余为Cu进行配料。
将配料后的材料熔化并在真空条件下离心铸造，得到结晶轮环形铸坯，离心铸造时真空度为100Pa，金属型转速为180rpm/min，离心铸型的加热温度为200℃。
将机械加工后的结晶轮环形铸坯热环轧，结晶轮环形铸坯加热温度为920℃，热环轧道次为2道次，每道次的变形量为30％。热轧第1道次结晶轮环坯旋转线速度为0.8m/s，径向进给速度为1.6mm/s，轴向进给速度为0.3mm/s，热轧第1道次径向下压量和轴向下压量的比值为1.8。热轧第2道次结晶轮环坯旋转线速度为1m/s，径向进给速度为1.8mm/s，轴向进给速度为0.4mm/s，热轧第2道次径向下压量和轴向下压量的比值为2。将热环轧得到的结晶轮毛坯进行固溶热处理，固溶热处理温度为980℃。固溶热处理后进行冷环轧，冷环轧采用热环轧最后道次的轧辊，轧辊凸台与结晶轮凹槽相重合，冷环轧道次为1道次，冷环轧变形量为25％。冷环轧结晶轮环坯旋转线速度为0.8m/s，径向进给速度为0.6mm/s，轴向进给速度为0.2mm/s，冷环轧径向下压量和轴向下压量的比值为1.6。
将冷环轧后的结晶轮毛坯进行时效热处理，时效热处理温度为440℃，时效热处理时间为6小时。
将时效热处理后的结晶轮毛坯机械加工至成品。
实施例2中不同工序的产品重量如下表所示：
成材率：成品重量/投料重量×100％
实施例2中表层与心部力学性能数据如下表所示：
| 位置 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 表层试样 | 433 | 365 | 16.5 |
| 心部试样 | 431 | 362 | 16.2 |
实施例3
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，按照Cr 1.0wt％，Zr 0.2wt％，Fe0.03wt％，P0.03wt％，其余为Cu进行配料。
将配料后的材料熔化并在真空条件下离心铸造，得到结晶轮环形铸坯，离心铸造时真空度为250Pa，金属型转速为200rpm/min，离心铸型的加热温度为180℃。
将机械加工后的结晶轮环形铸坯热环轧，结晶轮环形铸坯加热温度为940℃，热环轧道次为3道次，第1道次的变形量为30％，其余2道次的变形量均为25％。热轧第1道次结晶轮环坯旋转线速度为1m/s，径向进给速度为2mm/s，轴向进给速度为0.4mm/s，热轧第1道次径向下压量和轴向下压量的比值为2。热轧第2道次结晶轮环坯旋转线速度为1m/s，径向进给速度为2mm/s，轴向进给速度为0.5mm/s，热轧第2道次径向下压量和轴向下压量的比值为2。热轧第3道次结晶轮环坯旋转线速度为1m/s，径向进给速度为1.6mm/s，轴向进给速度为0.4mm/s，热轧第3道次径向下压量和轴向下压量的比值为2。
将热环轧得到的结晶轮毛坯进行固溶热处理，固溶热处理温度为1000℃。固溶热处理后进行冷环轧，冷环轧采用热环轧最后道次的轧辊，轧辊凸台与结晶轮凹槽相重合，冷环轧道次为1道次，冷环轧变形量为30％。冷环轧结晶轮环坯旋转线速度为1m/s，径向进给速度为1mm/s，轴向进给速度为0.3mm/s，冷环轧径向下压量和轴向下压量的比值为1.8。
将冷环轧后的结晶轮毛坯进行时效热处理，时效热处理温度为460℃，时效热处理时间为4小时。
将时效热处理后的结晶轮毛坯机械加工至成品。
实施例3中不同工序的产品重量如下表所示：
成材率：成品重量/投料重量×100％
实施例3中表层与心部力学性能数据如下表所示：
| 位置 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 表层试样 | 476 | 397 | 14.2 |
| 心部试样 | 471 | 402 | 14.5 |
对比例1
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，按照Cr 0.6wt％，Zr 0.1wt％，Fe 0.01wt％，P0.01wt％，其余为Cu进行配料。
将配料后的材料熔化并在真空条件下铸造，得到结晶轮圆锭铸坯，铸造时真空度为50Pa。
将圆锭去除冒口后热锻冲孔开坯，热锻加热温度为900℃，热锻道次为1道次，热锻变形量为25％；热环轧加热温度为900℃，热环轧道次为1道次，热环轧变形量为25％。
将热环轧得到的结晶轮毛坯进行固溶热处理，固溶热处理温度为940℃。固溶热处理后进行冷环轧，冷环轧道次为1道次，冷环轧变形量为20％。
将冷环轧后的结晶轮毛坯进行时效热处理，时效热处理温度为400℃，时效热处理时间为8小时。
将时效热处理后的结晶轮毛坯机械加工至成品。
结晶轮表层和心部的金相组织如图5所示，经统计得表层平均晶粒尺寸为90μm，心部平均晶粒尺寸为115μm，表层晶粒尺寸比心部细小，表层冷变形程度大于心部，内外均匀性有所差异。
对比例1中不同工序的产品重量如下表所示：
成材率：成品重量/投料重量×100％。
对比例1中表层与心部力学性能数据如下表所示：
| 位置 | 抗拉强度/MPa | 屈服强度/MPa | 延伸率/％ |
| 表层试样 | 382 | 293 | 19.9 |
| 心部试样 | 325 | 251 | 17.1 |
注：不同位置的力学性能数据为表层和心部位置各取3根拉伸试样测试，测试后取拉伸结果的平均值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，包括：
铜合金结晶轮选用铬锆铜材料，将配料的各金属材料熔化，进行真空离心铸造，得到结晶轮环形铸坯；
将所述结晶轮环形铸坯进行首次机械加工，去除内环面的缩松和冒口；
将机械加工后的结晶轮环形铸坯依次进行热环轧、固溶热处理、冷环轧、时效热处理、二次机械加工，即得。
2.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，离心铸造时金属型的转速为140-200rpm/min；真空离心铸造时真空度为50-250Pa；离心铸型的加热温度为150-200℃。
3.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，热环轧时采用带凸台的主轧辊，轧辊凸台与结晶轮环坯外环面相接触，每道次热轧时更换不同凸台尺寸的主轧辊，热轧后获得带有凹槽的结晶轮环坯。
4.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，热环轧时结晶轮环形铸坯加热温度为900-940℃，热环轧道次为2-3道次；
或，热环轧单道次变形量((变形前截面积-变形后截面积)/变形前截面积*100％)为25-30％。
5.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，热环轧第1道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1-2mm/s，轴向进给速度为0.2-0.4mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2；
或，热环轧第2道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1.4-2mm/s，轴向进给速度为0.3-0.5mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2；
或，热环轧第3道次结晶轮环坯的旋转线速度为0.8-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为1.4-1.8mm/s，轴向进给速度为0.2-0.5mm/s，热环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.6-2。
6.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，固溶热处理温度为940-1000℃。
7.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，冷环轧时采用热环轧最后道次的轧辊，此时轧辊凸台与结晶轮凹槽重合，开始径轴向冷环轧；
或，冷轧道次为1道次，冷环轧单道次变形量((变形前截面积-变形后截面积)/变形前截面积*100％)为20-30％；
或，冷环轧结晶轮环坯的旋转线速度为0.6-1m/s，结晶轮环坯径向进给速度为0.4-1mm/s，轴向进给速度为0.1-0.3mm/s，冷环轧时结晶轮环坯径向下压量与轴向下压量的比值为1.4-1.8。
8.如权利要求1所述铜合金结晶轮近净成形的制造方法，其特征在于，时效热处理温度为400-460℃，时效热处理时间为4-8小时。
9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的铜合金结晶轮。
10.权利要求9所述的铜合金结晶轮在连铸连轧生产中的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN119369054A (zh) * | 2024-11-10 | 2025-01-28 | 中南大学 | 一种耐高温疲劳铜合金结晶轮及其制备方法和应用 |
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- 2023-02-17 CN CN202310130571.6A patent/CN116037881A/zh active Pending
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