CN100374594C - Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，制备Cu-Cr-Zr合金：a.把Cr、Zr、Al、Mg易氧化元素制成中间合金，作为后续加入的原料；b.将铜和覆盖剂熔化后升温至1350℃，加入Cu-Cr中间合金，熔化后取样，分析Cr成份合格后，加Cu-Al中间合金，升温后，加Cu-Zr-Mg中间合金→升温至浇铸温度进行浇铸，用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成即得Cu-Cr-Zr合金。制备Cu-Zr合金工艺：a.把Zr、Al、Mg易氧化元素制成中间合金，作为后续加入的原料；d.将铜和覆盖剂一起熔化后，加Cu-Al中间合金后升温，加Cu-Zr-Mg中间合金后，升温至浇铸温度进行浇铸，用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成即得Cu-Zr合金。它解决了Cu-Cr-Zr合金或Cu-Zr合金普遍采用真空炉生产的瓶颈，生产成本高等问题。

Description

Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺

一、技术领域：

本发明涉及一种对高强度、高导电率的铜合金的非真空熔铸工艺，特别是对Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金在大气条件下，用感应电炉熔炼和半连续浇铸的方式实现这两种合金的熔铸的生产工艺。

二、背景技术：

Cu-Cr-Zr合金(C18150)和Cu-Zr合金(C15000)是美国金属材料与试验协会ASTM标准中铜合金牌号，该合金具有高强度、高导电率的特点，主要应用于制作自动焊机的电极、电子工业框架材料、电气化铁路机车滑线、大型铸钢结晶器材料等，是非常有市场前景的合金。这两种合金的熔铸是生产这种合金线材、棒材、板材的第一道工序。目前，这两种合金的熔铸，国内普遍采用真空炉生产，这种方式生产效率低、成本高，并且国内质量过关的最大容量真空炉为500Kg，不能满足电气化铁路机车滑线、大型铸钢结晶器材料单件重量大于1吨的要求，而进口大容量真空炉，价格昂贵，在美国、日本等发达国家已采用非真空熔炼技术，但都需要专门的熔炼设备，增加了很多气体保护措施，设备投资大。由于熔铸技术的局限性，严重制约了这两种合金生产规模的扩大、推广与应用。

三、发明内容：

1、发明目的：本发明提供了一种Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，即在大气条件下，采用工频或中频感应电炉熔炼，半连续浇铸方式生产Cu-Cr-Zr合金(C18150)和Cu-Zr合金(C15000)，用来替代目前国内外普遍采用的真空熔铸生产工艺，解决生产成本过高、生产效率较低、产品规格受真空炉容量限制的现状，扩大这两种合金材料的应用范围及领域。

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：它按下述步骤进行：

a.取Cr、Zr、Al、Mg易氧化元素，将它们制成中间合金CuCr₆、CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀，作为后续加入的原料；

b.制备Cu-Cr-Zr合金：将铜和覆盖剂一起在感应炉中熔化后升温至1350～1400℃，加入CuCr₆中间合金，待其熔化后取样、分析Cr成份，Cr合格后加入CuAl₁₀后升温，使Al在熔体中完全熔化，然后加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金并升温至1350～1400℃后进行浇铸，浇铸时用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成后即得到Cu-Cr-Zr合金。

覆盖剂为脱水硼砂与玻璃，脱水硼砂与玻璃重量比例为3∶1，将它们与铜一起熔化后将铜熔体完全覆盖，使铜熔体与空气隔离。

上述步骤b中浇铸完成全部熔体重量的1/3时向炉内的熔体中按Zr配料重量比的0.08～0.2％补充CuZr₁₀Mg_0.3中间合金。

上述步骤b中Cr的配料重量比为0.7～1.0％，Al的配料重量比为0.10～0.25％，Zr的配料重量比为0.25～0.45％。

上述步骤b中当浇铸的直径为φ120～260mm铸锭时，浇铸速度为0.8mm/s～1.5mm/s。

一种Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：它按下述步骤进行：

a.取Zr、Al、Mg易氧化元素，将它们制成中间合金CuZr₁₀Mg_0.3、Cu Al₁₀，作为后续加入的原料；

b.制备Cu-Zr合金：将铜和覆盖剂一起在感应炉中熔化后，在熔融的铜水中加入CuAl₁₀并提高温度使Al完全溶化，加入CuZr₁₀Mg_0.3提高温度至1350～1400℃后，进行浇铸，浇铸时用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成后即得Cu-Zr合金。

覆盖剂为脱水硼砂与玻璃，脱水硼砂与玻璃重量比例为3∶1，将它们与铜一起熔化后将铜熔体完全覆盖，使铜熔体与空气隔离。

上述步骤b中浇铸完成全部熔体重量的1/3和2/3时分别向炉内的熔体中按Zr配料比重量的0.08～0.2％补充CuZr₁₀Mg_0.3中间合金。

上述步骤b中Al的配料重量比为0.10～0.25％，Zr的配料重量比为0.30～0.45％。

上述步骤b中当浇铸直径为φ120～260mm的铸锭时，浇铸速度为0.8mm/s～1.5mm/s。

3、优点及效果：通过本发明技术方案的实施，能够很好地解决Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金普遍采用真空炉熔铸的生产成本高、生产效率低的问题，而且非真空熔铸的设备投入仅为同容量真空炉熔铸设备的1/10，生产效率是同容量真空炉的3倍，生产成本是同容量真空炉的1/2。本发明不仅大幅度提高生产效率、降低成本，而且能很好地满足电气化铁路机车滑线、铸钢结晶器等产品单件重量大于1吨的要求，解决了困扰国内同行业的重大技术难题，有非常重要的工业推广价值，填补国内该合金生产工艺的一项空白，对于推动国内铜加工行业的技术进步和自主创新能力建设有不可估量的现实意义。

本发明生产工艺中Al元素的适时、适当加入，对在大气条件下，工频感应电炉或中频炉熔炼半连续方式浇铸，实现Cu-Cr-Zr合金(C18150)和Cu-Zr合金(C15000)的熔铸生产，起了非常关键的稳定剂作用。试验证明，合金中Al含量控制在(0.1～0.25％)之间，既不对合金的导电率构成影响，又能很好地稳定住Cr和Zr元素，使之均匀分布；CuZr₁₀Mg_0.3中间合金的制作，对Zr的加入也起到了重要作用。

四、附图说明：

附图1为本发明制备Cu-Cr-Zr合金的流程图；

              附图2为本发明另一实施例制备Cu-Cr-Zr合金的流程图；

              附图3为本发明制备Cu-Zr合金的流程图；

              附图4为本发明另一实施例制备Cu-Zr合金的流程图。

五、具体实施方式：

本发明提供一种在大气条件下难以实现熔铸的Cu-Cr-Zr合金和Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其根本解决了合金中的主元素Cr和Zr在空气中极易氧化，难以加入到Cu的熔体中，尤其是Zr极活泼，在大气条件下，如不采取措施，熔铸这两种合金几乎是不可能的。因此，对这两种合金的生产，国内普遍采用真空炉生产。国内真空炉容量小，生产效率低，成本高，难以适应国内外日益扩大的市场需求。本发明工艺针对Cr和Zr在大气条件下极易氧化，难以合金化的特点，通过添加微量的、对最终产品性能没有影响的Cr和Zr的稳定剂Al，配合以相关的脱氧剂Mg及熔体覆盖剂脱水硼砂和玻璃，实现使用工频或中频感应电炉熔炼，半连续浇铸方式生产这两种合金的目的。

实施例1：

如图1所示，本发明Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，它按下述步骤进行：

a.先把Cr、Zr、Al、Mg易氧化的元素制成CuCr₆、CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀中间合金，作为后续加入的原料；

b.选用符合质量要求的标准阴极铜1.2吨，加入到1.5吨工频感应电炉中，同时加入足够的脱水硼砂和玻璃作为覆盖剂，硼砂和玻璃的重量比例为3：1，将电解铜熔化，覆盖剂盖在铜熔体上避免了它与空气直接接触；把熔化的铜水温度提高到1350℃～1400℃左右，加入CuCr₆中间合金，待其熔化，取样分析Cr的化学成份，其配料重量比1.0％；元素合格后，用专用铁钳子夹住已计算好的CuAl₁₀中间合金，迅速插入到液面以下50mm，缓慢松开销子，使Al充分熔解到Cu-Cr的熔体中，Al的配料重量比控制在0.25％；使加Al后的熔体再次提高温度，当温度达到1350℃～1400℃左右时，迅速加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金，其Zr的配料重量比控制在0.45％；提高温度到1350℃～1400℃时，即看到炉内熔体液面覆盖剂往外喷兰色的小火苗时，停电开始浇铸，浇铸时流槽及结晶器液面用碳黑覆盖严；直到整炉铜水浇铸结束，得到Cu-Cr-Zr合金。

实施例2：

如附图2所示，本发明Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，它按下述步骤进行：

a.先把Cr、Zr、Al、Mg制成CuCr₆、CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀中间合金待用；

b.选用符合质量要求的标准阴极铜1.2吨，加入到1.5吨工频感应电炉中，同时加入足够的脱水硼砂和玻璃作为覆盖剂，硼砂和玻璃的重量比例为3∶1，把电解铜熔化后加入覆盖剂，避免与铜熔体与空气直接接触；

c.把熔化的铜水温度提高到1350℃～1400℃左右，加入CuCr₆中间合金，待其熔化，取样分析Cr的化学成份，按偏下限控制(配料重量比0.7％)；

d.Cr元素合格后，用专用铁钳子夹住已计算好的CuAl₁₀中间合金，迅速插入到液面以下50mm，缓慢松开钳子，使Al充分熔解到Cu-Cr的熔体中，Al的配料重量比控制在0.2％；

e.使加Al后的熔体再次提高温度并适当补充覆盖剂硼砂及玻璃，使熔体液面覆盖严，防止Cr的烧损。当温度达到1350℃～1400℃左右时，即迅速加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金，其Zr的配料重量比控制在0.25％；

f.提高温度到1350℃～1400℃时，即看到炉内熔体液面覆盖剂往外喷兰色的小火苗时，停电开始浇铸，浇铸时流槽及结晶器液面用碳黑覆盖严；

g.待到整炉铜水浇完约1/3时，开始送电升温，待温度上来时，及时迅速补充CuZr₁₀Mg_0.3中间合金10Kg，补充整个浇铸过程中Zr的烧损，使最后制得合金中的Zr成份达到标准的要求，直到整炉铜水浇铸结束，得到Cu-Cr-Zr合金。

实施例3：

本发明Cu-Zr合金的制备工艺如下，见图3所示：

a.先把Zr、Al、Mg易氧化的元素制成CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀中间合金，作为后续加入的原料；

b.选用符合质量要求的标准阴极铜1.2吨，加入到1.5吨工频感应电炉中，将电解铜熔化，同时加入足够的脱水硼砂和玻璃作为覆盖剂，硼砂和玻璃的重量比例为3∶1，覆盖剂盖在铜熔体上避免了它与空气直接接触；升温到1350～1400℃时，用专用铁钳子夹住已计算好的CuAl₁₀中间合金，迅速插入到液面以下50mm，缓慢松开钳子，使Al充分熔解到Cu的熔体中，Al的配料重量比控制在0.25％；再次升温到1350～1400℃时迅速地按Zr配料重量比0.45％加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金，继续送电，升温熔化后，达到1350℃时开始浇铸，在浇铸过程中，流槽和结晶器用碳黑覆盖好，直到浇铸结束，得到Cu-Zr合金。

实施例4：

本发明Cu-Zr合金的制备工艺如下，如图4所示，先把Zr、Al、Mg易氧化的元素制成CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀中间合金，做为后续加入的原料；将1.2吨的电解铜熔化后，加入足够的脱水硼砂和玻璃覆盖，升温到1350～1400℃时，用专用铁钳子夹住已计算好的Cu Al₁₀中间合金，迅速插入到液面以下50mm，缓慢松开钳子，使Al充分熔解到Cu的熔体中，Al的配料重量比控制在0.15％；再次升温到1350～1400℃时迅速地按Zr配料重量比0.3％加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金，继续送电，升温熔化后，达到1350℃时开始浇铸，在浇铸过程中，流槽和结晶器用碳黑覆盖好，待炉内铜水浇完1/3和2/3时送电升温，分别补充10Kg的CuZr₁₀Mg_0.3中间合金，补充整个浇铸过程中Zr的烧损，使最后制得合金中的Zr成份达到标准的要求，直到浇铸结束，得到Cu-Zr合金。

Claims (10)

1.一种Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：它按下述步骤进行：

a.取Cr、Zr、Al、Mg易氧化元素，将它们制成中间合金CuCr₆、CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀，作为后续加入的原料；

b.制备Cu-Cr-Zr合金：将铜和覆盖剂一起在感应炉中熔化后，升温至1350℃～1400℃，加入CuCr₆中间合金，待其熔化后取样、分析Cr成份，Cr合格后加入CuAl₁₀后升温使Al在熔体中完全熔化，然后加入CuZr₁₀Mg_0.3中间合金并升温至1350～1400℃后进行浇铸，浇铸时用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成后即得到Cu-Cr-Zr合金。

2.根据权利要求1所述的Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：覆盖剂为脱水硼砂和玻璃，脱水硼砂与玻璃重量比例为3∶1，将它们与铜一起熔化后将熔体完全覆盖，使它与空气隔离。

3.根据权利要求1所述的Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中当浇铸完成全部熔体重量的1/3时，向炉内的熔体中按Zr配料重量比的0.08～0.2％补充CuZr₁₀Mg_0.3中间合金。

4.根据权利要求1所述的Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中Cr的配料重量比为0.7～1.0％，Al的配料重量比为0.10～0.25％，Zr的配料重量比为0.25～0.45％。

5.根据权利要求1所述的Cu-Cr-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中当浇铸直径为φ120～260mm的铸锭时，浇铸速度为0.8mm/s～1.5mm/s。

6.一种Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：它按下述步骤进行：

a.取Zr、Al、Mg易氧化元素，将它们制成中间合金CuZr₁₀Mg_0.3、CuAl₁₀，作为后续加入的原料；

b.制备Cu-Zr合金：将铜和覆盖剂一起在感应炉中熔化后，在熔融的铜水中加入CuAl₁₀并升温使Al完全熔化，加入CuZr₁₀Mg_0.3升温至1350～1400℃后进行浇铸，浇铸时用碳黑将结晶器、流槽完全覆盖，浇铸完成后即得到Cu-Zr合金。

7.根据权利要求6所述的Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：覆盖剂为脱水硼砂和玻璃，脱水硼砂与玻璃重量比例为3∶1，将它们与铜一起熔化后将铜熔体完全覆盖，使铜熔体与空气隔离。

8.根据权利要求6所述的Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中浇铸完成全部熔体重量的1/3和2/3时分别向炉内的熔体中按Zr配料比重量的0.08～0.2％补充CuZr₁₀Mg_0.3中间合金。

9.根据权利要求6所述的Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中Al的配料重量比为0.10～0.25％，Zr的配料重量比为0.30～0.45％。

10.根据权利要求6所述的Cu-Zr合金的非真空熔铸工艺，其特征在于：上述步骤b中当浇铸直径为φ120～260mm的铸锭时，浇铸速度为0.8mm/s～1.5mm/s。

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