專利名稱：一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場的裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明屬于有色金屬材料制備技術領域，特別涉及到銅合金板帶坯的水平連鑄生
產工藝。
背景技術：
錫磷青銅(Cu-Sn-P)具有良好的力學性能，優(yōu)良的彈性，耐磨、抗蝕、抗磁，容易進行釬焊、電鍍，以及良好的加工性能，是目前應用最廣泛、最重要、最經濟的彈性銅合金材料。在電子、電氣設備中被廣泛用于制作各種接插件、連接件、繼電器、接觸器、導線端子、觸頭、和彈簧等元器件。
當前錫磷青銅帶材生產工藝通常采用水平連鑄獲取大卷重帶坯，經均勻化退火后銑面，再用大加工率冷軋開坯，用冷軋和退火的方式生產。然而鑄坯質量不高影響了后續(xù)加工的銅合金板帶質量和成材率，主要表現(xiàn)為板帶的鑄態(tài)組織為粗大的樹枝晶，Sn、P元素在晶間發(fā)生了極大的偏析，同時在枝晶間還形成疏松及有害雜質，前者導致了表面形成δ相(Cu31Sn8),這種脆硬相熱塑性極差，不利于軋制，在后續(xù)軋制過程中易產生裂紋；而鑄態(tài)組織中的縮松及夾雜也必然成為裂紋源，軋制到成品時會出現(xiàn)明顯的裂紋、起皮等廢品。質量不高的鑄坯引起的這些缺點不僅難符合現(xiàn)代工業(yè)所需的高性能、高質量的產品要求，同時加大了生產成本。如錫磷青銅帶在生產過程中為了消除偏析，鑄坯加工前需要進行的均勻化退火在670 690° C下長達7 9小時，既延長了生產周期，又消耗了能源，增加成本。因此如何使鑄態(tài)疏松減至最輕、抑制凝固過程中的Sn的反偏析，獲得組織均勻、表面反偏析小、內應力小的高質量鑄坯，有著極重要的經濟意義。工程上改善鑄坯組織、減輕反偏析的方法目前研發(fā)的有兩種(1)快速凝固的雙輥連續(xù)鑄軋技術，利用較高的冷卻速度抑制了溶質元素在合金非平衡凝固過程中的偏析，同時軋制的壓力能夠形成細小均勻的晶粒組織；(2)在合金凝固過程中進行攪拌，如連鑄工藝中電磁攪拌的應用，利用攪拌帶來的溶質和溫度的均布，以及液相中懸浮晶核的形成，在合金凝固過程中改善溶質元素的偏析狀況。連續(xù)鑄軋的技術難點主要是金屬液流在進入軋輥前的控制和軋輥對金屬液冷卻能力的反饋和調整；而電磁攪拌已經在連鑄生產中得到廣泛的應用，但是由于板帶鑄坯的形狀抑制了電磁力的攪拌效果，如專利號為200510047193. 7的一種銅合金板帶的水平電磁連續(xù)鑄造方法和裝置，采用了行波磁場施加在結晶器的上下兩面來改善銅合金板坯的凝固組織，基于上述板帶坯的連鑄特點和較快的冷卻速度，板坯的凝固組織得到細化，但是Sn、P的反偏析程度改善不是很理想，因此需要在生產中進行進一步技術改造。

發(fā)明內容
針對以上不足，本發(fā)明的目的在于提供一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場的結晶器裝置和方法，是在不改變原有設備整體和加工流程的條件下，應用了功率超聲外場改性技術來提高鑄坯質量的裝置和方法。
本發(fā)明的技術方案是通過以下方式實現(xiàn)的—種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，包括石墨結晶器、中間包、超聲波發(fā)生器和矩形輻射板、所述的石墨結晶器設置在分隔為上水冷套和下水冷套的水冷套中，水冷套內注滿水，形成冷卻系統(tǒng)，石墨結晶器下部設有一通道，與中間包的金屬液出水口連接，供鑄坯出料，石墨結晶器上設有矩形輻射板和一臺超聲波發(fā)生器，其特征在于所述的矩形輻射板與超聲波發(fā)生器通過波導桿螺紋連接，與石墨結晶器通過雙階式連接。所述的矩形輻射板的上面設有一圓柱臺，其上開有螺孔，超聲波發(fā)生器上的波導桿旋入螺孔中，實現(xiàn)螺紋連接。所述的矩形輻射板與石墨結晶器的連接是矩形輻射板的下面設有凸臺，呈梯形狀，與石墨結晶器上開有的凹槽相對應，實現(xiàn)雙階式配合。所述的矩形輻射板采用奧氏體不銹鋼材質。所述的超聲波發(fā)生器的功率為2 5Kw，頻率在20KHz。一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場的方法，包括以下步驟I)、鑄坯的拉坯加溫中間包中的熔融銅合金液的溫度至1120 1150° C時，水冷套內的冷卻系統(tǒng)啟動，取進水口溫度25 30° C，水壓O. 8MPa，接通超聲發(fā)生器電源開始工作，牽引機牽引鑄還拉還速度150 180mm/min,引拉工藝采用停-反推-拉-停，其中引拉長度為10 15mm，停頓為2 3秒，反推1. O 2. Omm ;連續(xù)生產形成板帶鑄坯；2)質量檢測截取一段板帶，取樣打磨拋光后采用電子顯微鏡觀察其斷面微觀組織，并進行拉伸試驗，力學性能測試結果硬度為HB74-80，抗拉強度為350±10MPa、屈服強度為184±15MPa和伸長率為54±6%。3)均勻化退火處理帶坯表面兩側銑去各O.1 O. 3mm后將板帶鑄坯放入罩式加熱爐中在670 690° C下進行退火熱處理,爐內還原性退火氣氛成分為1 5%的氫氣，其余為氮氣；退火時間為3小時。4)、熱處理后的板帶鑄坯經過初軋、中軋和精扎后形成帶卷。本發(fā)明，采用雙階式矩形輻射板換和石墨結晶器的結合，實現(xiàn)了功率超聲波在金屬液中二維平面式的均勻傳播，在不改變原有工藝布置的情況下改善連鑄生產的板坯內外質量；使獲得的鑄坯凝固組織為均勻細小的等軸晶組織，同時鑄坯表面振動痕平滑，因此降低銑削量，提高成材率，同時細小的等軸晶組織大大減少均勻化退火時間，由傳統(tǒng)工藝中的7 9小時均勻化退火時間降為3小時。


圖1是本發(fā)明的裝置結構示意圖。圖2為圖1中的A-A剖面圖。圖3為結晶器和矩形輻射板的裝配圖。圖中1-中間包；2_金屬液；3_超聲波發(fā)生器；4_上冷卻水套；5_矩形輻射板，6-石墨結晶器；7_板帶鑄坯；8_下冷卻水套。
具體實施例方式一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，由石墨結晶器6、中間包1、超聲波發(fā)生器3、矩形輻射板5和上下水冷套4、8組成，石墨結晶器6設置在分隔為上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套內注滿水，形成冷卻系統(tǒng)，石墨結晶器6下部設有一通道，與中間包I的金屬液出水口連接，供鑄坯出料，石墨結晶器6上設有矩形輻射板5和一臺超聲波發(fā)生器3，矩形輻射板5的上面設有一圓柱臺，其上開有螺孔，超聲波發(fā)生器3上的波導桿旋入螺孔中，實現(xiàn)螺紋連接。矩形輻射板5與石墨結晶器6的連接是矩形輻射板5的下面設有凸臺，呈梯形狀，與石墨結晶器6上開有的凹槽相對應，實現(xiàn)雙階式配合。一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場的方法，包括以下步驟1、鑄坯的拉坯加溫中間包中的熔融銅合金液的溫度至1120 1150° C時，水冷套內的冷卻系統(tǒng)啟動，取進水口溫度25 30° C，水壓O. 8MPa，接通超聲發(fā)生器電源開始工作，牽引機牽引拉還拉還速度150 180mm/min,引拉工藝采用停_反推-拉-停，其中引拉長度為10 15mm，停頓為2 3秒，反推1. O 2. Omm ;連續(xù)生產形成板帶鑄坯7 ；2)質量檢測截取一段板帶，取樣打磨拋光后采用電子顯微鏡觀察其斷面微觀組織，并進行拉伸試驗，力學性能測試結果硬度為HB74-80，抗拉強度為350±10MPa、屈服強度為184±15MPa和伸長率為54±6%。3)均勻化退火處理帶坯表面兩側銑去各O.1 O. 3mm后將板帶鑄坯放入罩式加熱爐中在670 690° C下進行退火熱處理,爐內還原性退火氣氛成分為1 5%的氫氣，其余為氮氣；退火時間為3小時。4)、退火熱處理后的板帶鑄坯經過初軋、中軋和精扎后形成帶卷。實施例1:QSn6. 5-0.1錫磷青銅水平連鑄薄板帶的規(guī)格為16mmX430mm,石墨結晶器6上側板厚為40mm,其余板厚均為15mm,矩形福射板5厚度為25mm,尺寸為400mmX 500mm,材質為奧氏體不銹鋼，采用整板機械加工成形，與石墨結晶器上側板面鑲嵌結合，保證與冷卻水套平面接觸。超聲波發(fā)生器3的頻率為20000HZ，功率為10KW，通過波導桿和連接螺桿與矩形輻射板結合在一起；其中超聲波波導桿安裝在柔性支撐上，并設置彈性墊圈。施加超聲場的石墨結晶器連同冷卻系統(tǒng)安裝到中間包I的金屬液出水口上，同時安裝連接超聲發(fā)生器的控制電源，并安裝循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。操作過程如下在中間包I中的熔融銅合金液的溫度為1120 1150° C時，一冷水系統(tǒng)啟動，接通超聲波發(fā)生器3電源開始工作，牽引機拉坯板帶鑄坯7，觀察鑄坯表面的氧化色和振動痕，調整拉坯速度，在振動痕均勻后，保持這一穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)拉坯，并根據情況調配二冷水系統(tǒng)，對結晶器出口的鑄坯進行二次冷卻，確保鑄坯的拉坯過程的連續(xù)穩(wěn)定。質量檢測(I)觀察鑄坯的表面質量，包括氧化程度，裂紋和夾雜，以及振痕的深度和寬度。( 2 )鑄坯內部質量檢測截取一段板帶，取樣打磨拋光后采用電子顯微鏡觀察其斷面微觀組織，包括晶粒大小和形貌以及夾雜物的形貌和分布等。同時利用電子探針或掃描電鏡檢測Sn在截面厚度方向含量的分布。(3)力學性能測試采用布氏硬度計測試其表面硬度，并采用萬能電子拉伸設備測試其抗拉強度、屈服強度和伸長率及斷面收縮率。(4)對鑄坯兩側銑除各O.1 O. 3mm后進行后續(xù)均勻化退火處理將卷板坯放入罩式加熱爐中670 690° C下進行均勻化退火熱處理，熱處理時間3小時。
熱處理后的板坯取樣后分別進行上述(2)和(3)步驟，分析內部質量和S η的分布情況，以及退火處理后的力學性能。針對錫磷青銅水平連鑄板坯內存在的樹枝狀粗大組織、縮松嚴重、反偏析程度高的缺點，應用功率超聲的聲空化和聲流作用對錫磷青銅金屬液進行高效形核和除氣凈化，同時超聲振動促進了游離晶核的生產和分布均勻化，實現(xiàn)結晶器中的鑄坯是在金屬漿料溫度較低、游離晶核密度高的情況下凝固成形，薄板坯在凝固過程中，密度高的游離晶核存在和較快的冷卻速度大大抑制了在粗大柱狀晶形成過程中Sn、P等元素的偏析，因而形成內部晶粒細小、負偏析程度較小、外表相對光滑的高質量板帶。本發(fā)明采用矩形輻射板雙階式換能器將功率超聲導入到結晶器內的金屬液中，超聲波以二維平面輻射行徑在金屬液中均勻傳播，實現(xiàn)超聲場在不破壞結晶器結構條件下傳遞到金屬液中，并且可控性大面積的將超聲能量轉化為動能、物理和化學效應，從而獲取化學成分均勻，凝固組織細化的板帶鑄坯；同時頻率超過上萬赫茲結晶器的振動對改善鑄坯的拉坯條件和鑄坯表面質量有著很大的提聞。
使用方法和原理如下在中間包中銅合金液的溫度在1120 1180° C時牽引機開始拉坯，冷卻系統(tǒng)提前工作，隨即超聲波發(fā)生器工作。頻率為20000ΗΖ的超聲波由換能器通過波導桿和矩形輻射板導入金屬液，在過冷合金液凝固過程中，由于超聲的聲空化和聲流效應，在結晶器內表面附著形核并長大的晶粒脫落形成游離晶核，同時聲流效應將過冷的金屬液中數(shù)目眾多的游離晶核均勻分散，并且金屬液的溫度分布趨于一致，從而在結晶器內腔的前半部形成了具有高密度晶核的半固態(tài)漿料，這種漿料在后續(xù)的凝固過程中，由于晶粒生長前沿溫度場和溶質濃度分布的重疊效應，初生的晶核以穩(wěn)態(tài)方式長大，從而形成等軸晶粒的凝固組織形貌。對于晶粒細化帶來的反偏析改善原因如下，游離晶核的存在不僅改善了溶質元素的分布狀態(tài)，同時阻礙了柱狀晶的發(fā)展，消除富Sn的殘余金屬液流向鑄坯表面的通道，從而改善了反偏析的程度。和超聲波換能器矩形輻射板鑲嵌在一起的石墨結晶器同時能夠獲得頻率達到上萬赫茲的振動，對鑄坯脫模具有良好的潤滑效果，從而保證了其表面質量。
權利要求
1.一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，包括石墨結晶器(6)、中間包(I)、超聲波發(fā)生器3和矩形輻射板(5)、所述的石墨結晶器(6)設置在分隔為上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套內注滿水，形成冷卻系統(tǒng)，石墨結晶器(6)下部設有一通道，與中間包(I)的金屬液出水口連接，供鑄坯出料，石墨結晶器(6 )上設有矩形輻射板(5 )和一臺超聲波發(fā)生器(3)，其特征在于所述的矩形輻射板(5)與超聲波發(fā)生器(3)通過波導桿螺紋連接、與石墨結晶器(6)通過雙階式連接。
2.根據權利要求1所述的一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，其特征在于 所述的矩形輻射板(5)的上面設有一圓柱臺，其上開有螺孔，超聲波發(fā)生器(3)上的波導桿旋入螺孔中，實現(xiàn)螺紋連接。
3.根據權利要求1所述的一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，其特征在于 所述的矩形輻射板(5)與石墨結晶器(6)的連接是矩形輻射板(5)的下面設有凸臺，呈梯形狀，與石墨結晶器(6)上開有的凹槽相對應，實現(xiàn)雙階式配合。
4.根據權利要求1所述的一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，其特征在于 所述的矩形輻射板(5)采用奧氏體不銹鋼材質。
5.根據權利要求1所述的一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，其特征在于 所述的超聲波發(fā)生器(3)的功率為2 5Kw，頻率在20KHz。
6.一種根據權利要求1所述的銅合金板帶水平連鑄的方法，其特征在于包括以下步驟1)、鑄坯的拉坯加溫中間包中的熔融銅合金液的溫度至1120 1150°C時，水冷套內的冷卻系統(tǒng)啟動，取進水口溫度25 30° C，水壓O. 8MPa，接通超聲發(fā)生器電源開始工作，牽引機牽引鑄還拉還速度150 180mm/min,引拉工藝采用停-反推-拉-停,其中引拉長度為10 15mm,停頓為2 3秒,反推1. O 2. Omm ;連續(xù)生產形成板帶鑄還；2)、質量檢測截取一段板帶，取樣打磨拋光后采用電子顯微鏡觀察其斷面微觀組織， 并進行拉伸試驗，力學性能測試結果硬度為HB74-80，抗拉強度為350±10MPa、屈服強度為184±15MPa和伸長率為54±6% ;3)、均勻化退火處理帶坯表面兩側銑去各O.1 O. 3_后將板帶鑄坯放入罩式加熱爐中在670 690° C下進行退火熱處理,爐內還原性退火氣氛成分為1 5%的氫氣,其余為氮氣；退火時間為3小時；4)、退火處理后的板帶鑄坯經過初軋、中軋和精軋后形成帶卷。
全文摘要
一種銅合金板帶水平連鑄用施加超聲場裝置，包括石墨結晶器(6)、中間包(1)、超聲波發(fā)生器3和矩形輻射板(5)、所述的石墨結晶器(6)設置在分隔為上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套內注滿水，形成冷卻系統(tǒng)，其特征在于所述的矩形輻射板(5)與超聲波發(fā)生器(3)通過波導桿螺紋連接、與石墨結晶器(6)通過雙階式連接。本發(fā)明，實現(xiàn)了功率超聲波在金屬液中二維平面式的均勻傳播，同時鑄坯表面振動痕平滑，降低了銑削量，提高成材率，細小的等軸晶組織大大減少均勻化退火時間，由傳統(tǒng)工藝中的7～9小時均勻化退火時間降為3小時。
文檔編號B22D11/045GK102990026SQ20121017631
公開日2013年3月27日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權日2012年5月31日
發(fā)明者張小立, 盧冶, 凌向軍, 金學云 申請人:江蘇科技大學