[发明专利]能时效硬化的铜合金的应用

说明书

本发明涉及能时效硬化的铜合金在制造铸辊和铸轮方面的应用，所述铸辊和铸轮在近似最终尺寸铸造时经受变化着的温度负荷。

世界性的、尤其是钢铁工业的目标是，尽可能将所生产的坯件铸造到接近最终尺寸，以节省热加工及/或冷加工步骤。约从1980年起，此目标导致了一系列发展，例如单辊连注法和双辊连注法。

就这些铸造方法来说，在浇注合金钢、镍、铜，以及在熔体浇注区只能困难地进行热轧的合金时，水冷式轧辊或辊子上产生很高的表面温度。例如在对合金钢进行近似最终尺寸铸造，而且铸辊由电导率为48m/Ωmm²、热导率约为320W/mK的CuCrZr材料制成时，这种高表面温度为350—450℃。CuCrZr基材料，迄今主要用于经受高热负荷的连铸结船和铸轮。通过在每次快转到浇注区之前对铸辊进行循环冷却，可使这种材料的表面温度降到150至200℃。然而在旋转时，在铸辊被冷却的背面，温度在很大程度上恒定在大约30℃至40℃。表背两面之间的温度梯度与铸辊表面温度周期变化相结合，在铸辊材料表面区造成很大的热应力。

根据对迄今所用CuCrZr材料在不同温度下，以±0.3％伸长率和0.5Hz的频率(这些参数相当于大约30转/分的铸辊转速)进行的减性能试验，例如在最大表面温度为400℃(相当于水冷之上25mm的壁厚)时，可以期望在最有利的情况下，至产生裂纹的寿命为3000周期。因此，在约100分钟的较短使用时间后，必须修整铸辊，以除去表面裂纹。为了更换铸辊，必须停下铸机，中断铸造过程。

良好的结晶器材料CuCrZr还有一个缺点是，对这种应用情况来说，约110—130HB的硬度是较小的。在单辊或双辊连铸法中，当然不可避免的是，飞溅的钢液在浇注区之前就已抵达铸辊表面。此后凝固的钢颗粒就被压入比较软的铸辊表面，所铸的厚度约1.5—4mm带材的表面质量因此而明显下低

添加最多1％Nb的已知CuNiBe合金，尽管电导率也较小，但表面温度却比CuCrZr合金高。由于电导率与热导率成反比关系，所以用CuNiBe合金制造的铸辊，同用CuCrZr合金制造的、表面最高温度为400℃、背面最高温度为30℃的铸辊相比，其表面温度被提高到约540℃。

虽然CuNiBe或CuCoBe三元合金的布氏硬度原则上超过200HB，但用这些合金制造的标准半成品如制造电阻焊电极用的棒材或制造弹簧或引线架的板材和带材，其电导率至多达到26至约32m/Ωmm²范围内的值。在最佳条件下，用这些标准材料，铸辊的表面温度只能达到约585℃。

最后，即使对于由US4179314基本已知的    CuCoBeZr或CuNiBeZr合金也没有指明，在有目的地选择合金成分时，可以达到导电率值＞38m/Ωmm²与最低硬度值为200HB的结合。

本发明的任务是，提供一种用来制造铸辊、铸辊套和铸轮的材料，这种材料即使在浇注速度大于3.5m/min时，也对变化的温度应力不敏感，或者这种材料在铸辊工作温度下具有高的疲劳强度。

特别适合这种应用场合的，有一种能时效硬化铜合金，它由1.0—2.6％Ni、0.1—0.45％Be、余量为Cu和制造条件下的杂质及一般处理添加元素组成，其布氏硬度至少为200HB，电导率大于38m/Ωmm²。

机械性能的另一个改进，尤其是提高抗拉强度可有利地通过添加0.005—0.25％Zr来达到。

本发明铜合金，在镍含量大于1.2％时，合金组成中镍与铍的比例优先选择至少为5∶1。

也能实现机械性能的其它改进，只要向本发明所采用的合金中添加至少一种选自Nb、Ta、V、Ti、Cr、Ce、及Hf的元素，其总添加量最多为0.15％。

在研究例如符合ASTM及DIN标准的合金时，意外地发现：镍含量在1.1—2.6％时，当镍含量与铍含量之比在某个确定范围之内，并进行相应的热处理或形变热处理，就有可能使对于近似最终尺寸铸造的铸辊达到所需的性能，也即布氏硬度＞200HB，电导率至少38m/Ωmm²，并因而也获得高抗疲劳性能。

下面借助一些实施例来详细阐述本发明。四种本发明所用合金(合金F至K)和四种对比合金(合金A至D)表明，为要获得所力求的综合性能，成分是多么至关重要。作为例子所列举的合金成分各以％(重量)列于表1。相应的试验结果概括于表2。

表1

合金    Ni       Be      Cu