專利名稱：高導(dǎo)耐熱鑄造銅合金及生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于銅合金技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高導(dǎo)、耐熱鑄造銅合金及生產(chǎn)方法。
銅及部分高銅合金具有很高的導(dǎo)電和傳熱性能，在工程上具有廣泛的應(yīng)用背景，但多數(shù)產(chǎn)品的實際使用情況卻不盡人意，其主要原因是自身發(fā)熱或長期受熱而引起的蠕變斷裂或氧化剝蝕穿孔。解決這一問題的技術(shù)關(guān)鍵在于克服合金的導(dǎo)電、傳熱性和耐熱性之間的矛盾。目前已有的美國M2C高導(dǎo)電耐熱銅合金及中國專利申請?zhí)枮?2115222.1的銅合金，其化學(xué)成分如下表
表中，M2C合金是變形銅合金，其鑄造性能極差，不適于鑄造各類高導(dǎo)電性耐熱零部件。92115222.1所述的合金是利用其中的Mg、Al元素在高溫條件下形成氧化物保護層，雖然在一定程度上提高了合金的耐熱性，，但卻嚴重降低了合金的導(dǎo)電性能，因此不能有效解決合金的導(dǎo)電性和耐熱性之間的矛盾，不適于做高導(dǎo)電性耐熱鑄件。此外，Cu-Cr-Zr合金已往只能在真空或惰性氣體保護下熔鑄，并經(jīng)過熱處理和冷加工強化后才具備使用性能，一般只能作為變形材料使用，使應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。
Cu-Cr合金是鑄造導(dǎo)電、傳熱零部件的重要材料，該合金的力學(xué)性能和工藝性能比鑄造紫銅優(yōu)越，是常溫和中低溫條件下使用的理想高導(dǎo)材料。但是當(dāng)使用溫度超過200℃時，合金的強度和塑性會急劇降低，故不宜在高溫條件下使用。在Cu-Cr合金中添加少量的Al、Mg、Sn、Zr、Ti、Ni、Zn、Mg、Hf均可提高合金的耐熱性，除Ag和Hf外，都不同程度地降低Cu-Cr合金導(dǎo)電性能，相比之下Zr可以提高Cu-Cr合金的強度、硬度和耐熱性，且對合金導(dǎo)電性能影響較小，是一種理想的添加元素。Cu-Cr-Zr合金中，Zr含量可達0.3％，但大氣條件下澆鑄時，當(dāng)Zr含量＞0.1％時，合金有明顯偏析現(xiàn)象，拉棒呈缺陷斷裂，當(dāng)合金Zr含量降到0.1％以下時偏析現(xiàn)象消失，合金有穩(wěn)定的力學(xué)性能，因此合金中Zr的含量應(yīng)控制在0.1％以內(nèi)。
由Cu-Cr和Cu-Zr二元合金相圖可知，Cr、Zr在1000℃銅中的固溶度分別為0.04％和0.02％，因此砂型鑄造Cu-Cr-Zr合金在凝固過程中Cr、Zr元素的析出量，會隨凝固等溫線的不同而在合金界面上表現(xiàn)出不均勻性，導(dǎo)致合金偏析，這種偏析可能使Cr、Zr元素沿晶界富集使晶界不連續(xù)，引起鑄件熱裂。試驗表明，在Cr-Cr-Zr合金中加入適量的Mg和Ce可抑制析出相在晶界上沉淀，并細化晶粒，提高合金強度。此外，Mg在合金表面能形成氧化物保護層，增強了合金的高溫抗氧化性和耐熱性，Ce能與合金中的有害雜質(zhì)Pb、Bi形成難熔化合物，并具有脫硫、脫氧的作用，使合金的基體得到凈化，進一步提高合金的導(dǎo)電性能。因此在Cu-Cr-Zr合金中加入Mg和Ce有利于提高合金的綜合性能，但Mg和Ce的加入量應(yīng)加以控制，否則會給合金帶來不利影響。
本發(fā)明的目的在于提出一種高導(dǎo)耐熱鑄造銅合金及生產(chǎn)方法，該合金可以在大氣條件下進行鑄造生產(chǎn)，并具有良好的導(dǎo)電性、常溫力學(xué)性能、高溫強度和抗氧化性，適用于鑄造高爐風(fēng)口套、電機導(dǎo)電環(huán)、電力金具及導(dǎo)電鄂板等導(dǎo)熱、導(dǎo)電零部件。
本發(fā)明所述的合金成分如下
本發(fā)明所述的合金的生產(chǎn)方法是第一步熔煉純銅，在熔煉過程中分批加入覆蓋劑，每次加入量以保證銅液與空氣能有效隔離為原則，純銅完全熔化后，在其溶液溫度達到1180℃～1280℃時，扒去爐渣和覆蓋劑，加入粒度為3～5mm的金屬Cr。
第二步加入Cr后，重新加入覆蓋劑，其厚度為30～50mm，保溫10～30min。
第三步當(dāng)熔液達到1250℃～1300℃時，將Zr(或Cu-Zr中間合金)、Mg、Ce一起加入爐內(nèi)，再保溫2～6min后攪拌扒渣出爐。
第四步采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫冒口，澆注合格產(chǎn)品。
第五步鑄件在960℃～990℃下保溫50min出爐水淬，在460℃～485℃下保溫2hr空冷，即可獲得使用性能。
本發(fā)明所述的覆蓋劑的構(gòu)成可以有以下幾種A.C和Na3FAl6，B.CaC和Na2B4O7，C.LicO3、C、Na2B4O7，D.NaF、NaCl、Al2O3、CaF和Na3FAl6。
本發(fā)明涉及的鑄造銅合金具有良好的導(dǎo)電性、常溫力學(xué)性能、高溫強度和抗氧化性，其主要性能指標(biāo)如下
本發(fā)明提供的工藝方法實現(xiàn)了用普通感應(yīng)爐在大氣條件下熔鑄，在滿足性能要求的情況下，簡化了生產(chǎn)工序，降低了生產(chǎn)成本，提高了合金的實用性；與現(xiàn)有技術(shù)相比，在相同的生產(chǎn)條件下，合金的常溫力學(xué)性能有大幅度提高，從而使產(chǎn)品使用壽命得到提高；該合金的比重為8.85g/cm3，熔點為1078℃，線收縮率為1.8％，具有良好的鑄造工藝性能，適合澆鑄不同類型的鑄件，可作為鑄造紫銅和鉻銅的升級換代材料。
下面將通過實施例對本發(fā)明作進一步的描述實施例1.
采用普通感應(yīng)電爐熔煉純銅，選用覆蓋劑的成分為C 94％+Na3FAl6 6％，其加入量為合金熔量的3％；純銅熔液在1200℃時扒渣，加Cr，并覆蓋保溫，其覆蓋層為30mm，保溫10min；在1250℃時加入Zr、Mg、Ce，保溫2min出爐；鑄件采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫帽口的方法，澆鑄合格的鑄件；在980℃下保溫50min，水淬，并在460℃下時效2hr。
合金成分Cr0.44％，Zr0.029％，Mg0.026％，Ce0.017％，Cu余量。
性能指標(biāo)σb380MPa，σ0.2300MPa，％δ516，HRB79，％IACS77。
實施例2.
采用普通感應(yīng)電爐熔煉純銅，選用覆蓋劑的成分為CaC 90％+Na2B4O710％，其加入量為合金熔量的10％；純銅熔液在1250℃時扒渣，加Cr，并覆蓋保溫，其覆蓋層為35mm，保溫15min；在1260℃時加入Cu-Zr中間合金，保溫5min出爐；Mg、Ce放入澆包底部出爐澆注；鑄件采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫帽口的方法，澆鑄合格的鑄件；在970℃下保溫50min，水淬，并在470℃下時效2hr。
合金成分Cr0.67％，Zr0.076％，Mg0.013％，Ce0.01％，Cu余量。
性能指標(biāo)σb400MPa，σ0.2305MPa，％δ515，HRB83，％IACS75.1。
實施例3.
采用普通感應(yīng)電爐熔煉純銅，選用覆蓋劑的成分為LiCO310％+C70％+Na2B4O720％，其加入量為合金熔量的20％；純銅熔液在1260℃時扒渣，加Cr，并覆蓋保溫，其覆蓋層為40mm，保溫20min；在1300℃時加入Zr，保溫2min出爐；Mg、Ce放入澆包底部出爐澆注；鑄件采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫帽口的方法，澆鑄合格的鑄件；在990℃下保溫50min，水淬，并在480℃下時效2hr。
合金成分Cr0.64％，Zr0.034％，Mg0.017％，Ce0.01％，Cu余量。
性能指標(biāo)σb380MPa，σ0.2265MPa，％δ520，HRB75，％IACS76。
實施例4.
采用普通感應(yīng)電爐熔煉純銅，選用覆蓋劑的成分為NaF 18％+NaCl 10％+Al2O50％+CaF 10％+NaFAl612％，其加入量為合金熔量的15％；純銅熔液在1290℃時扒渣，加Cr，并覆蓋保溫，其覆蓋層為40mm，保溫12min；在1300℃時加入Cu-Zr中間合金和Mg、Ce，保溫3min出爐；鑄件采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫帽口的方法，澆鑄合格的鑄件；在985℃下保溫50min，水淬，并在480℃下時效2hr。
合金成分Cr0.64％，Zr0.034％，Mg0.017％，Ce0.01％。
性能指標(biāo)σb375MPa，σ0.2295MPa，％δ518，HRB80，％IACS75.1。
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)耐熱鑄造銅合金，其持征是合金成分為(Wt％)Cr0.4～1.2，Zr0.01～0.09，Mg0.01～0.04，Ce0.005～0.05，Cu余量，雜質(zhì)總和＜0.03；
2.一種高導(dǎo)耐熱鑄造銅合金的生產(chǎn)工藝方法第一步熔煉純銅，在熔煉過程中分批加入覆蓋劑，每次加入量以保證銅液與空氣能有效隔離為原則，其覆蓋劑總加入量為合金熔量的1～2％，純銅完全熔化后，在其溶液溫度達到1180℃～1280℃時，扒去爐渣和覆蓋劑，加入金屬Cr；第二步加入Cr后，重新加入覆蓋劑，其厚度為30～50mm，保溫10～30min；第三步當(dāng)熔液達到1250℃～1300℃時，將Zr(或Cu-Zr中間合金)、Mg、Ce一起加入爐內(nèi)(Mg、Ce亦可放入澆包底部)，再保溫2～6min后攪拌扒渣出爐。第四步采用底注半開放式澆注系統(tǒng)，在鑄件熱節(jié)部位采用附加冷鐵和保溫冒口，澆注合格產(chǎn)品。第五步鑄件在960℃～990C下保溫50min出爐水淬，在460℃～485℃下保溫2hr空冷，即可獲得使用性能。
3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特種是所述的覆蓋劑有以下幾種A.C(6095％)+Na3FAl6(5+40)％，B.CaC(6095)％+Na2B4O7(540)％，C.LiCO3(515)％+C(590)％+Na2B4O7(525)％，D.NaF520)％+CaCl(5+15)％+Al2O3(4070)％+CaF(520)％+Na3FAl6(525)％。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是金屬Cr的粒度為3～5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是覆蓋劑的加入量為熔煉合金總量的1～20％。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是Mg、Ce可放入澆包的底部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高導(dǎo)耐熱鑄造銅合金及生產(chǎn)方法。該合金的化學(xué)成分為(wt):Cr:0.41.2,Zr∶0.010.09,Mg:0.01 0.04,Ce∶0.005 0.05。該合金的生產(chǎn)方法是通過選擇不同的覆蓋劑,采用普通感應(yīng)爐在大氣條件下熔鑄。本發(fā)明涉及的鑄造銅合金具有良好的導(dǎo)電性能、常溫力學(xué)性能、高溫強度和抗氧化性能,生產(chǎn)成本低,可鑄造高爐風(fēng)口套、電機導(dǎo)電環(huán)、電力金具及導(dǎo)電顎板等導(dǎo)熱、導(dǎo)電零部件。
文檔編號C22C1/02GK1229857SQ98101109
公開日1999年9月29日 申請日期1998年3月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月19日
發(fā)明者徐玉松, 張化龍, 雷竹芳 申請人:中國船舶工業(yè)總公司第七研究院第七二五研究所