專利名稱：用作制備鑄模的材料的可時效硬化的銅合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作制備鑄模的材料的可時效硬化的銅合金。
世界范圍的，特別是鋼鐵工業(yè)的目標(biāo)，即為了節(jié)省熱和/或冷成型步驟而盡可能與最終尺寸接近地澆鑄半制品，自從約1980年以來已經(jīng)帶來了一系列的發(fā)展，例如在單輥和雙輥連續(xù)澆鑄工藝方面。
在這些澆鑄工藝中，在澆鑄只能很困難地?zé)彳埖匿摵辖?，鎳，銅以及合金時，在熔體的澆入?yún)^(qū)域內(nèi)，水冷卻的輥或軋輥出現(xiàn)很高的表面溫度。該溫度例如在與最終尺寸接近地澆鑄鋼合金時，為350℃-450℃，其中澆鑄輥外殼(Giesswalzenmaentel)含有電導(dǎo)率為48Sm/mm2，熱導(dǎo)率為約320W/mK的CuCrZr材料。以CuCrZr為基礎(chǔ)的材料目前為止特別用于高熱應(yīng)力的連續(xù)澆鑄結(jié)晶器和澆鑄齒輪(Giessraeder)。這些材料的表面溫度通過在澆入?yún)^(qū)域之前的短時間內(nèi)，在每轉(zhuǎn)中周期性地冷卻澆鑄輥，降到約150℃-200℃。相反，澆鑄輥的冷卻的后側(cè)面在循環(huán)中，在很大程度上保持不變，保持在約30℃-40℃。表面與后側(cè)面之間的溫度梯度，結(jié)合澆鑄輥的表面溫度的周期性改變，使外殼材料的表面范圍內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力。
根據(jù)對目前應(yīng)用的CuCrZr材料在不同溫度下，以±0.3％的伸長幅度，0.5赫茲的頻率---這些參數(shù)相當(dāng)于澆鑄輥的轉(zhuǎn)速為30U/min---進(jìn)行的疲勞行為研究，例如在最大表面溫度為400℃，相應(yīng)于在水冷卻的上面25mm的壁厚，在最有利的情況下，直到裂紋形成之前的期望壽命為3000個周期。因此，澆鑄輥必須在約100分鐘的相對短的運(yùn)轉(zhuǎn)時間后，為消除表面裂紋而進(jìn)行修整。這里，修整之間的使用壽命還基本上取決于澆鑄面上的潤滑劑/脫模劑的效率、設(shè)計的和工藝決定的冷卻以及澆鑄速度。為了更換澆鑄輥，必須停住澆鑄機(jī)器，中斷澆鑄過程。
經(jīng)過證明的冷鑄模材料CuCrZr的另一個缺點是相對較小的硬度，約110HBW-130HBW。但是，對于單輥或雙輥連續(xù)澆鑄工藝，不可避免的是，在澆入?yún)^(qū)域之前，鋼濺滴已經(jīng)到達(dá)輥的表面。然后，凝固的鋼粒子擠壓入相對較軟的澆鑄輥的表面，由此明顯損害了約1.5mm-4mm厚的澆鑄帶的表面質(zhì)量。
已知的添加最多1％鈮的CuNiBe合金的較小的電導(dǎo)率，與CuCrZr合金相比較，導(dǎo)致較高的表面溫度。因為電導(dǎo)率大致與熱導(dǎo)率成正比，所以CuNiBe合金構(gòu)成的澆鑄輥的外殼的表面溫度，與帶有由CuCrZr合金構(gòu)成的外殼的，表面最高溫度為400℃，后側(cè)面為30℃的澆鑄輥相比，提高到約540℃。
三元CuNiBe或CuCoBe合金雖然原則上具有高于200HBW的布氏硬度，但是由這些材料制備的標(biāo)準(zhǔn)半制品，例如用于制備電阻焊接電極的棒或用于制備彈簧或鉛框(Leadframe)的金屬板或帶的電導(dǎo)率，最多達(dá)到在26Sm/mm2-約32Sm/mm2范圍內(nèi)的數(shù)值。在最佳條件下，用這種標(biāo)準(zhǔn)材料只可能實現(xiàn)澆鑄輥的外殼的表面溫度為約585℃。
對于由US專利4,179,314原則上已知的CuCoBeZr或CuNiBeZr合金，也沒有給出這樣的暗示，即有目的地選擇合金成分，可以實現(xiàn)電導(dǎo)率數(shù)值＞38Sm/mm2，同時最低硬度為200HBW。
在EP0 548 636 B1中，視為現(xiàn)有技術(shù)的還有使用可時效硬化的銅合金作為制備澆鑄輥(Giesswalzen)和澆鑄齒輪的材料，該銅合金由1.0％-2.6％可以完全或部分由鈷替代的鎳，0.1％-0.45％鈹，選擇性存在的0.05％-0.25％鋯和任選的最多0.15％的至少一種選自包括鈮，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的元素，其余為銅構(gòu)成，包括制備引起的雜質(zhì)和通用的加工添加劑，其布氏硬度至少為200HBW，電導(dǎo)率高于38Sm/mm2。
這種組成的合金，例如合金CuCo2Be0.5或CuNi2Be0.5，基于相對較高的合金元素含量而在熱壓成型性方面有缺點。但是，為從幾毫米晶粒大小的粗晶粒的鑄態(tài)組織出發(fā)，實現(xiàn)晶粒大?。?.5mm(根據(jù)ASTME112)的細(xì)晶粒的產(chǎn)品，要求高的熱變形度。特別是對于大型的澆鑄輥，迄今只有用很高的費用才可制備足夠大的，具有足夠好的質(zhì)量的鑄錠；但是，為了用合理的費用，實現(xiàn)用以鑄態(tài)組織重結(jié)晶為細(xì)晶粒組織的足夠高的熱壓捏和工業(yè)成型設(shè)備，還幾乎設(shè)有可供使用的。
本發(fā)明---從現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)---的任務(wù)在于，提供一種用作制備鑄模的材料的可時效硬化的銅合金，其即使在高澆鑄速度時，對于變換的溫度負(fù)荷而言是不敏感的，即具有高的在鑄模的操作溫度下的耐疲勞性。
這一任務(wù)通過用權(quán)利要求1中給出的特征得以實現(xiàn)。
通過使用含有有針對性地分階的低Co和Be含量的CuCoBeZr(Mg)合金，一方面可以保證材料的足夠的可時效硬化性，以實現(xiàn)高強(qiáng)度、硬度和電導(dǎo)性。另一方面只要求很小的熱變形度(Warmumformgrade)來實現(xiàn)鑄態(tài)組織的完全的重結(jié)晶，和建立具有足夠塑性的細(xì)晶粒組織。
由于這樣構(gòu)成的用于鑄模的材料成功地實現(xiàn)了，與傳統(tǒng)的澆鑄速度相比，將澆鑄速度提高了兩倍多。此外，實現(xiàn)了澆鑄帶的表面質(zhì)量的明顯改善。還保證了鑄模的使用壽命顯著延長。所謂的鑄模不僅是指靜止的鑄模，例如板式冷鑄模(Plattenkokillen)或管式冷鑄模(Rohrkokillen)，還指共同旋轉(zhuǎn)的冷鑄模(Kokillen)，例如澆鑄輥。
鑄模的機(jī)械性能的進(jìn)一步改善，特別是抗拉強(qiáng)度的提高，可以根據(jù)權(quán)利要求2，通過銅合金含有0.03％-0.35％鋯和0.005％-0.05％鎂來有利地實現(xiàn)。
按照另一個實施方案(權(quán)利要求3)，銅合金含有＜1.0％鈷，0.15％-0.3％鈹和0.15％-0.3％鋯。
此外，當(dāng)按照權(quán)利要求4，在銅合金中鈷與鈹?shù)谋葹?-15時是有利的。
特別地，按權(quán)利要求5，鈷與鈹?shù)谋葹?.2-5。
本發(fā)明允許相應(yīng)于按權(quán)利要求6的特征，銅合金除了鈷，還含有最高0.6％的鎳。
鑄模的機(jī)械性能的進(jìn)一步改善可以當(dāng)按照權(quán)利要求7，銅合金含有最多0.15％至少一種選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組的元素時實現(xiàn)。
這種鑄模有利地按權(quán)利要求8，通過加工步驟澆鑄，熱壓成型，850℃-980℃下的固溶處理，最多30％的冷成型以及在400-550℃下在2-32h的時間內(nèi)時效硬化來制備，其中按照ASTM E112的最大的平均晶粒大小為1.5mm，硬度至少為170HBW，電導(dǎo)率至少為26Sm/mm2。
特別有利的是，當(dāng)鑄模按權(quán)利要求9在已硬化狀態(tài)下，具有按照ASTM E112的平均晶粒大小為30μm-500μm，硬度至少為185HBW，電導(dǎo)率為30-36Sm/mm2，0.2％屈服點為至少450MPa，斷裂伸長為至少12％。
按本發(fā)明的銅合金，相應(yīng)于權(quán)利要求10的特征，特別適于制備雙輥澆鑄設(shè)備的澆鑄輥的外殼，其在與最終尺寸接近地澆鑄由非鐵金屬構(gòu)成的帶材，特別是由鋁或鋁合金構(gòu)成的帶材時，在高的軋制壓力下經(jīng)受變換的溫度負(fù)荷。
在此，任何外殼都可賦予降低傳熱性的涂層。由此，可以進(jìn)一步提高澆鑄的由非鐵金屬，特別是由鋁或鋁合金構(gòu)成的帶的產(chǎn)品質(zhì)量。此涂層有針對性地基于由銅合金構(gòu)成的外殼在特別是鋁帶時的操作性能，而以這樣的方式產(chǎn)生，即在澆鑄和軋制過程開始時，由于銅與鋁的相互作用，在外殼的表面生成粘附層，由此，在澆鑄工藝的進(jìn)一步的過程中，將鋁壓入銅表面，在此形成穩(wěn)定的耐抗的擴(kuò)散層，其厚度和性能通過澆鑄速度和冷卻條件基本上加以確定。由此改善了鋁帶的表面質(zhì)量，因此明顯提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
下面對本發(fā)明進(jìn)一步闡述。根據(jù)七種合金(合金A-G)和三種比較合金(H-J)表明，為了實現(xiàn)力求達(dá)到的性能組合，組成是如何關(guān)鍵。
所有的合金在坩堝爐中熔融，澆鑄成相同尺寸的圓錠。下表1中給出了按重量百分比計的組成。鎂的添加用于熔體的預(yù)脫氧，鋯的添加有利于熱塑性。表1合金Co(％)Ni(％)Be(％)Zr(％)Mg(％)Cu(％)A 0.68 - 0.20 0.20 0.03 余量B 1.0 - 0.22 0.22 0.03 余量C 1.4 - 0.20 0.18 0.02 余量D 0.65 - 0.29 0.21 0.04 余量E 1.0 - 0.31 0.24 0.01 余量F 1.4 - 0.28 0.19 0.03 余量G 1.0 0.1 0.22 0.16 0.03 余量H - 1.7 0.27 0.16 - 余量I 2.1 - 0.55 0.24 - 余量J - 1.4 0.54 0.20 - 余量然后，這些合金用很小的，5.6∶1的擠壓比(＝鑄錠的橫截面積/擠壓棒(Pressstange)的橫截面積)，在擠出機(jī)上，在950℃下擠壓成扁平鑄坯(F1achstangen)。接著，此合金進(jìn)行至少30分鐘的高于850℃的固溶處理，隨后水淬火，然后在400℃-550℃溫度范圍內(nèi)時效硬化2-32h。實現(xiàn)了表2中列舉的性能組合。表2合金Rm Rp0.2A HBW2.5電導(dǎo)率晶粒大小MPaMPa ％187.5 Sm/mm2mmA 694492 21207 36.8 0.09-0.25B 675486 18207 32.8 0.09-0.18C 651495 18211 30.0 0.045-0.13D 707501 19207 31.4 0.09-0.25E 735505 19229 33.6 0.045-0.18F 735520 19224 32.3 0.09-0.25G 696513 18213 33.5 0.065-0.18H 688556 10202 41.0 2-3I 784541 11229 30.3 1.5-3J 645510 4 198 30.9 4-6Rm ＝ 抗拉強(qiáng)度Rp0.2＝ 0.2％屈服點A＝ 斷裂伸長HBW ＝ 布氏硬度如性能組合所表明的，特別是用于制備澆鑄輥的外殼的本發(fā)明合金，實現(xiàn)了力求達(dá)到的具有相應(yīng)的優(yōu)良的斷裂伸長的，重結(jié)晶的細(xì)晶粒組織。對于比較合金H-J，晶粒大小為高于1.5mm，由此降低了材料的塑性。
額外的強(qiáng)度提高可以通過在時效硬化前進(jìn)行冷成型來實現(xiàn)，下表3中再次說明了合金A-J的性能組合，其通過在高于850℃下固溶處理壓制材料至少30分鐘，隨后水淬火，10％-15％冷軋(截面縮小)，然后在400℃-550℃溫度范圍內(nèi)時效硬化2-32小時來實現(xiàn)。表3合金Rm Rp0.2AHBW2.5導(dǎo)率 晶粒大小MPaMPa ％187.5 Sm/mm2mmA688532 20211 36.7 0.13-0.25B679534 18207 34.6 0.045-0.18C741600 17227 34.4 0.065-0.18D690537 21207 32.6 0.065-0.25E735576 19230 34.7 0.045-0.18F741600 17227 34.4 0.13-0.25G695591 15224 33.0 0.18-0.35H751689 9 202 40.9 2-4I836712 10229 31.0 2-3J726651 6 198 31.5 3-6
按本發(fā)明的合金A-G再次表現(xiàn)出優(yōu)良的斷裂伸長和低于0.5mm的晶粒大小，而比較合金H-J則具有晶粒大小高于1.5mm的粗晶粒和低的斷裂伸長值。借此，這些銅合金在制備外殼，特別是用于雙輥澆鑄設(shè)備的較大的澆鑄輥的外殼時，有很明顯的加工優(yōu)點，由此可能產(chǎn)生具有對于應(yīng)用領(lǐng)域來說最佳的基本性能的細(xì)晶粒的終產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種可時效硬化的用于制備鑄模的材料的銅合金，以重量％計，其含有0.4％-2％可以部分由鎳替代的鈷，0.1％-0.5％鈹，選擇性存在的0.03％-0.5％鋯，0.005％-0.1％鎂和任選的最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素，余量的銅，包括制備引起的雜質(zhì)和通用的加工添加劑。
2.權(quán)利要求1的銅合金，其含有0.03％-0.35％鋯和0.005％-0.05％鎂。
3.權(quán)利要求1或2的銅合金，其含有少于1.0％的鈷，0.15％-0.3％鈹和0.15％-0.3％鋯。
4.權(quán)利要求1-3之一的銅合金，其中鈷與鈹?shù)谋葹?-15。
5.權(quán)利要求4的銅合金，其中鈷與鈹?shù)谋葹?.2-5。
6.權(quán)利要求1-5中至少一項的銅合金，其除了鈷以外，還含有最高0.6％的鎳。
7.權(quán)利要求1-6中至少一項的銅合金，其含有最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素。
8.權(quán)利要求1-7中至少一項的銅合金，由其可以通過加工步驟澆鑄，熱壓成型，850℃-980℃下的固溶處理，最多30％的冷成型以及在400℃-550℃在2-32h的時間內(nèi)時效硬化制備按照ASTM E112的最大的平均晶粒大小為1.5mm的鑄模，其硬度至少為170HBW，電導(dǎo)率至少為26Sm/mm2。
9.權(quán)利要求8的銅合金，其在已硬化狀態(tài)下，具有按照ASTM E112的平均晶粒大小30μm-500μm，硬度至少為185HBW，電導(dǎo)率為30-36Sm/mm2，0.2％屈服點為至少450MPa，斷裂伸長為至少12％。
10.權(quán)利要求1-9之一的用于制備雙輥澆鑄設(shè)備的澆鑄輥的外殼的銅合金，其在與最終尺寸接近地澆鑄由非鐵金屬構(gòu)成的帶，特別是由鋁或鋁合金構(gòu)成的帶時，在高的軋制壓力下經(jīng)受變換的溫度負(fù)荷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可時效硬化的銅合金，其含有(分別以重量百分比計)0.4％－最多2％可以部分由鎳替代的鈷，0.1％－0.5％鈹，選擇性存在的0.03％－0.5％鋯，0.005％－0.1％鎂和任選的最多0.15％選自包括鈮，錳，鉭，釩，鈦，鉻，鈰和鉿的組中的至少一種元素，余量的銅，包括制備引起的雜質(zhì)和通用的加工添加劑。這種銅合金用作制備鑄模的材料，特別用于制備作為雙輥澆鑄設(shè)備的組成部分的澆鑄輥的外殼。
文檔編號C22C9/06GK1419981SQ02151420
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月21日
發(fā)明者T·赫爾曼坎普, D·羅德, F·雷徹特 申請人:Km歐洲鋼鐵股份有限公司