CN104451251B - 一种高铁白铜合金管材及其短流程生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高铁白铜合金管材及其短流程生产方法，属于金属材料技术领域。本发明提供的白铜合金BFe10‑2‑1，与BFe10‑1‑1合金相比，合金铁元素含量由1.0~1.5 wt%提高到1.6~2.5 wt%，大幅度提高了合金的耐腐蚀性能和力学性能，本发明采用热冷组合铸型水平连铸技术制备具有高内外表面质量、高轴向取向柱状晶组织的管坯，大幅度提高了高铁白铜的冷加工性能；将连铸管坯直接冷轧和/或冷拉成形，采用合适的退火制度对管材进行成品退火，消除微观偏析，将再结晶晶粒平均尺寸控制为20~40μm，析出相体积分数降低至2%以下，以获得兼具优良的力学性能和耐腐蚀性能的白铜管材。与传统法生产的BFe10‑1‑1管材相比，BFe10‑2‑1高铁白铜管材具有更为优异的综合使用性能，且生产流程短、生产效率和成材率高。

Description

一种高铁白铜合金管材及其短流程生产方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高铁白铜管材及其短流程生产方法。

背景技术

含铁白铜合金（简称铁白铜）管材具有较高的强度、良好的导热性能和耐腐蚀性能，广泛应用于火电、舰船、海水淡化等领域的冷凝管和热交换器管。其中，BFe10-1-1合金管材由于镍含量较低（～10wt%），成本较低，是目前工业用量最大的铁白铜管材。随着我国海洋工业的快速发展，对海水管系用铁白铜的耐腐蚀性能、使用寿命提出越来越高的要求，传统的BFe10-1-1管材难以满足使用要求。

提高镍含量（例如镍含量为30wt%左右的BFe30-1-1合金），可显著提高铁白铜管材的腐蚀性能和力学性能，但导热性能下降，BFe30-1-1的导热性比BFe10-1-1下降30%左右，且由于镍较为昂贵，因此大幅提高镍含量不利于降低生产成本和大规模应用。

铁和锰的价格低廉，提高铁和锰含量也可明显改善铁白铜的力学性能和耐腐蚀性能，其中铁元素对改善合金性能的效果更为显著，尤其可大幅度提高合金的抗海水冲刷腐蚀性能。但铁元素在基体中的存在形式显著影响铁白铜的耐腐蚀性能，当铁以第二相析出或以富镍、铁形成偏析组织时，合金的耐腐蚀性能下降，而铁以固溶态形式存在于合金基体时，可显著提高合金的耐腐蚀性能 [见：王伟勇，李建明，金焘，制冷系统冷凝器海水腐蚀研究，船舶工程，2009，Vol.31，No.3，p.70~74]。因此，如能在BFe10-1-1（铁含量为1.0～1.5wt%）合金中较大幅度提高铁含量，并合理控制铁元素在基体中的存在形式，是开发低成本、高耐蚀性能铁白铜管材的有效途径。

提高铁白铜中铁含量导致的第二个问题是，合金的固溶强化和析出强化作用增强，铁白铜管材的变形抗力显著增大，加工硬化程度明显增加，塑性降低，导致后续加工成形困难且成材率低。目前，国内外铁白铜管材的主要生产方法为“半连铸实心铸锭—热挤压管坯—冷轧—拉拔”工艺（简称挤轧拉法），由于冷轧/拉拔道次多，加上扒皮、酸洗、退火等中间工序，总加工工序达20多个道次[见：郭莉，李耀群，冷凝管生产技术，p.30~32，冶金工业出版社，2007]，存在工艺流程长、能耗大、成材率低、成本高等问题。

本发明申请人等发明的热冷组合铸型水平连铸新技术[见：谢建新等，一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备，中国发明专利，授权号ZL 201010501407.4，授权日2010-06-27]可制备较大直径（如直径Φ50mm以上）和壁厚（如5mm以上）的管材，管材内外表面光洁、具有高轴向取向柱状晶组织和优异的冷加工性能，无需铣面等处理可直接进行大变形量冷加工（如冷轧、拉拔）成形。在此基础上，提出了采用热冷组合铸型水平连铸技术制备白铜管坯，结合特定的后续加工与退火工艺，实现铁白铜管材短流程高效生产的方法[见：谢建新等，一种白铜合金管材短流程高效生产方法，中国发明专利，授权号ZL201110064777.0，授权日2012-10-10]，简称连铸冷加工法，具有工艺流程短、生产效率高、成材率高和能耗低等特点。将申请人的上述两个专利技术用于高铁白铜管材生产，可有效解决难加工和成材率低的问题，但不能解决由于铁含量提高导致明显的微观偏析现象，以及产品退火处理后析出相含量高等对管材耐腐蚀性能带来的不利影响，需要提出一种适合于高铁白铜的热处理制度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高铁白铜合金BFe10-2-1，铁含量由BFe10-1-1的1.0~1.5 wt%提高为1.6~2.5wt%，镍和锰的含量与BFe10-1-1相同，可大幅度提高合金的力学性能和耐腐蚀性能；采用热冷组合铸型水平连铸制备高铁白铜管坯，以解决铁含量增加后铁白铜加工性能差、成材率低的问题；采用合适的冷加工（冷轧和/或冷拉）工艺和成品退火制度，控制再结晶组织和析出相含量，克服微观偏析以提高成分均匀性，使管材兼具良好的力学性能和耐腐蚀性能。提供一种高铁白铜合金及其高性能管材短流程生产方法，即开发一种高铁白铜合金BFe10-2-1，采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备合金管坯，结合后续冷加工（冷轧和/或冷拉）和控制退火工艺，制备耐腐蚀性能和力学性能优异的高铁白铜合金管材。

一种高铁白铜合金管材，合金成分重量百分比为9~11wt%的电解镍、重量百分比1.6~2.5wt%的纯铁、重量百分比0.5~1.0wt%的纯锰和余量电解铜。

所述高铁白铜合金管材采用短流程生产方法制造，具体步骤如下：

（1）将电解镍、纯铁、纯锰和电解铜加入熔化炉中，加热至1200~1350℃进行熔化，熔化的金属液转入保温炉中，在保温炉温度为1200~1300℃的条件下静置0.5~1h，同时，保温炉内通惰性气体保护。

（2）采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备直径为Φ50~120mm，壁厚5~20mm

的高表面质量、高轴向取向柱状晶组织、冷加工性能优良的高铁白铜管坯。

（3）将管坯直接进行冷轧，总变形量70%~95%，生产直径Φ30~100mm、壁厚

1~15mm的各种规格的高铁白铜管材；冷轧管材根据需要可进行低温回复退火，温度300~500℃，退火时间1~2h，然后进行串连拉或三联拉、一次或多次盘拉，生产径Φ30mm以下、壁厚2mm以下的小规格高铁白铜管材，平均道次延伸系数1.1~1.5，盘拉速度1~1000m/min。

（4）将步骤（3）中生产的管材进行成品退火，主要是消除变形组织和微观偏

析，将再结晶晶粒平均尺寸控制为20~40μm，析出相体积分数降低至2%以下，获得所需要的性能，并使产品具有光亮的表面状态，满足实际使用要求。合适的退火温度为700~850℃，退火时间为1~2h，退火保护气氛2%H₂+余量N₂。

其中热冷组合铸型水平连铸工艺步骤（2）中的热型（铸型加热段）温度为1180-1350℃，冷型（水冷铜套）冷却水流量为500-1000L/h，牵引速度为100-200mm/min。

本发明的优点在于：

（1）开发的BFe10-2-1合金(铁含量为1.6~2.5wt%)，与BFe10-1-1合金相比，合金成本基本相同，而力学性能和耐腐蚀性能（尤其是耐海水冲刷腐蚀）显著提高。

（2）采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备内外表面质量好、组织致密、具有高轴向取向柱状晶组织的高铁白铜管坯，大幅度提高了冷加工性能，解决了高铁BFe10-2-1白铜合金管材加工性能差、成材率低的问题。该工艺制备的白铜管坯可直接进行大变形量冷加工成形（冷轧、拉拔），显著缩短了工艺流程，降低了能耗，提高了成材率和生产效率。

（3）通过控制成品退火工艺，消除合金管材的变形组织和微观偏析，控制再结晶组织和析出相含量，提高成分均匀性，获得综合使用性能优异的BFe10-2-1白铜管材。与普通BFe10-1-1管材相比，本发明制备的BFe10-2-1白铜管材抗海水冲刷腐蚀性能提高30~40%，抗拉强度提高10~20%，断后伸长率和热导率基本相同。

具体实施方式

实施例1：尺寸为Φ60×3mm BFe10-2-1白铜合金直管生产方法

（1）将重量百分比为10.0wt%的电解镍、重量百分比2.0wt%的纯铁、质量百

分比为1.0wt%的纯锰和余量电解铜加入熔化炉中，加热至1250℃进行熔化，熔化的金属液转入保温炉中，在保温炉温度为1200℃的条件下静置0.5h，同时保温炉内通惰性气体保护。

（2）采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备直径为Φ85×10mm的高铁白铜管坯，

热型（铸型加热段）温度为1220℃，冷型（水冷铜套）冷却水流量为900L/h，牵引速度为120mm/min。

（3）将步骤（2）制备的管坯进行3道次的三辊周期式冷轧，获得Φ60×3mm

合金管材，平均道次变形量为40%，各道次变形量随变形道次增加逐渐减小，轧制过程可不进行中间退火。

（4）将步骤（3）中轧后管材进行成品退火，退火温度800℃，退火时间为1.5h，

退火保护气氛2%H₂+余量N₂，目的是消除管材变形组织和微观偏析，退火后管材的再结晶晶粒平均尺寸为35μm左右，析出相体积分数为1.5%左右，管材性能如表1所示。表中（包括表2和表3）热导率是根据合金所测的电导率和Wiedeman-Franz定律计算得出的。与普通BFe10-1-1管材相比，所制备的BFe10-2-1高铁白铜管材抗海水冲刷腐蚀性能提高30%，抗拉强度提高19%，断后伸长率和热导率基本相同。

表1 BFe10-2-1和BFe10-1-1合金管材性能比较

实施例2：尺寸为Φ40×2mm BFe10-2-1白铜直管生产方法

（1）将重量百分比为10.0wt%的电解镍、重量百分比1.8wt%的纯铁、质量百

分比为1.0wt%的纯锰和余量电解铜加入熔化炉中，加热至1250℃进行熔化，熔化的金属液转入保温炉中，在保温炉温度为1200℃的条件下静置0.5h，同时保温炉内通惰性气体保护。

（2）采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备直径为Φ70×8mm的高铁白铜管坯，

热型（铸型加热段）温度为1200℃，冷型（水冷铜套）冷却水流量为700L/h，牵引速度为150mm/min。

（3）将步骤（2）制备的管坯进行4道次三辊周期式冷轧，获得Φ40×2mm合

金管材，平均道次变形量40%，各道次变形量随变形道次增加逐渐减小，轧制过程可不进行中间退火。

（4）将步骤（3）中轧后管材进行成品退火，退火温度800℃，退火时间为1h，

退火保护气氛2%H₂+余量N₂，目的是消除管材的变形组织和微观偏析，退火后管材的再结晶晶粒平均尺寸为30μm左右，析出相体积分数为1.0%左右，管材性能如表2所示。与普通BFe10-1-1管材相比，所制备的BFe10-2-1高铁白铜管材抗海水冲刷腐蚀性能提高35%，抗拉强度提高15%，断后伸长率和热导率基本相同。

表2 BFe10-2-1和BFe10-1-1白铜管材性能比较

实施例3：尺寸为Φ15×1mm BFe10-2-1白铜盘管生产方法

（1）将重量百分比为10.0wt%的电解镍、重量百分比1.8wt%的纯铁、质量百

分比为1.0wt%的纯锰和余量电解铜加入熔化炉中，加热至1250℃进行熔化，熔化的金属液转入保温炉中，在保温炉温度为1200℃的条件下静置时间0.5h，同时保温炉内通惰性气体保护。

（2）采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备直径为Φ50×5mm的白铜合金管坯，

热型（铸型加热段）温度为1200℃，冷型（水冷铜套）冷却水流量为600L/h，牵引速度为150mm/min。

（3）将步骤（2）制备管坯进行大变形两辊周期式冷轧，变形量为70~80%。

（4）将步骤（3）中的冷轧管材进行低温回复退火，退火温度为400℃，退

火时间为1h，退火保护气氛2%H₂+余量N₂。

（5）将步骤（4）中退火后的管材进行1~3道次的串连拉或三联拉，变形量

15~25%，目的是将管材进行盘拉前的精整。

（6）将步骤（5）中精整后的管材进行盘拉，获得Φ15×1mm合金管材，平均

道次延伸系数1.2，盘拉速度500 m/min。

（7）将步骤（6）中盘拉管材进行成品退火，退火温度780℃，退火时间为1h，

退火保护气氛2%H₂+余量N₂，目的是消除管材的变形组织和微观偏析，退火后管材的再结晶晶粒平均尺寸为30μm左右，析出相体积分数为1.2%左右，管材性能如表3所示。与普通BFe10-1-1管材相比，所制备的BFe10-2-1白铜合金管材抗海水冲刷腐蚀性能提高32%，抗拉强度提高16%，断后伸长率和热导率基本相同。

表3 BFe10-2-1和BFe10-1-1合金管材性能对比

Claims (2)

1.一种高铁白铜合金管材，其特征在于合金成分重量百分比为9～11wt％的电解镍、重量百分比1.6～2.5wt％的纯铁、重量百分比0.5～1.0wt％的纯锰和余量电解铜，所述高铁白铜合金管材包括一种短流程生产方法，所述生产方法具体步骤如下：

(1)将电解镍、纯铁、纯锰和电解铜加入熔化炉中，加热至1200～1350℃进行熔化，熔化的金属液转入保温炉中，在保温炉温度为1200～1300℃的条件下静置0.5～1h，同时，保温炉内通惰性气体保护；

(2)采用热冷组合铸型水平连铸工艺制备直径为Φ50～120mm，壁厚5～20mm的高表面质量、高轴向取向柱状晶组织、冷加工性能优良的高铁白铜管坯；

(3)将管坯直接进行冷轧，总变形量70％～95％，生产直径Φ30～100mm、壁厚1～15mm的各种规格的高铁白铜管材；冷轧管材根据需要进行低温回复退火，温度300～500℃，退火时间1～2h，然后进行串连拉或三联拉、一次或多次盘拉，生产径Φ30mm以下、壁厚2mm以下的小规格高铁白铜管材，平均道次延伸系数1.1～1.5，盘拉速度1～1000m/min；

(4)将步骤(3)中生产的管材进行成品退火，主要是消除变形组织和微观偏析，将再结晶晶粒平均尺寸控制为20～40μm，析出相体积分数降低至2％以下，获得所需要的性能，并使产品具有光亮的表面状态，满足实际使用要求；退火温度为700～850℃，退火时间为1～2h，退火保护气氛2％H2+余量N2。

2.根据权利要求1所述一种高铁白铜合金管材的短流程生产方法，其特征在于其中热冷组合铸型水平连铸工艺步骤(2)中的热型温度为1180-1350℃，冷型冷却水流量为500-1000L/h，牵引速度为100-200mm/min。