CN103952579A - 一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法及其专用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料铸造技术领域，具体涉及一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法及其专用设备。该制备方法包括以下步骤：熔炼前物料的准备、装料、熔炼、浇注、均匀化热处理：将上述洁净后的铸锭加热至380—480℃，保温2小时，然后自然冷却到室温；升温速度为50℃/h。专用真空熔炼炉包括真空熔炼炉炉体、真空装置、电气控制装置，熔炼坩埚放置在炉体内，熔炼坩埚与旋转装置相连，在熔炼坩埚一侧放置有浇注用的模具，在炉体上部安装有用于对熔炼坩埚内的物料进行搅拌的搅拌装置。本发明的技术方案采用真空浇铸，可有效降低浇铸过程中铍铜氧化所造成的铸锭内部缺陷多、致密度差等问题，效提高铍铜铸锭后期加工的成材率，降低加工成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料铸造技术领域，具体涉及一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法及其专用设备。
背景技术
铍铜合金是一种析出硬化型合金，它是机械性能、物理性能、化学性能及抗蚀性能良好结合的唯一有色合金，经固溶和时效热处理后，具有与特殊钢相当的高强度极限、弹性极限、屈服极限和疲劳极限，同时又具备高的导电率、导热率、高硬度和耐磨性、高的蠕蚀性能，还具有良好的铸造性能、非磁性和冲击时无火花导电性能。
由于铍铜合金具备许多优异性能，它的使用越来越广泛，已经成为国民经济建设中不可缺少的重要工业材料。国外铍铜合金主要应用于汽车电器制造、计算机和电讯行业。此外，铍铜合金在航空航天、家用电器、电子仪器、机械、海底电缆、石油、煤炭等行业也有着广泛的应用
然而，由于铍的一些特性，在铜中加入少量铍后，与常规铜合金(如紫铜、黄铜等)相比，其性质发生了巨大改变，具体表现为硬态效应明显、熔炼温度提高、熔体流动性变差等问题，同时目前铍铜合金的铸造均采用常规的浇铸方式，在浇铸过程中由于铍铜氧化，造成铸件内部容易形成疏松、空洞和夹杂等各种铸造缺陷，从而严重影响后续的压力加工和机械加工。
铍铜铸锭的制备方法主要是传统的真空感应熔炼法，如中国专利局2012年3月21日公开的名为《一种高强度高导电率铍铜合金的制造方法》，专利申请号201110354310.X，其公开了一种高强度高导电率铍铜合金及其制造方法，其采用真空电弧炉熔炼后，出炉进行常规浇注。又如，中国专利局授权公告日为2006年11月15日公开的名为《一种铍铜合金》，专利号为200410036558.1的发明专利，其主要公开了一种铍铜合金的组分和利用电炉进行熔炼的过程。
上述两项专利文献所公开的铍铜合金的冶炼、铸锭过程，非常容易在铸件中形成疏松、空洞和夹杂等各种铸造缺陷，从而严重影响后续铍铜合金加工和成材率，严重的造成废品。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的缺陷，提供一种熔炼和浇注均在真空状态下进行，同时结合先进的熔炼工艺，可有效减少铍铜溶液中的杂质含量、改善铍铜溶液流动性，从而可获得致密铍铜铸锭的一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法及其专用设备。
本发明的技术方案是：一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，包括以下步骤：
a)熔炼前物料的准备：
将熔炼用的电渣剂在不低于300℃烘烤后备用；
将熔炼用的电解铜预热至500～600℃，进行表面处理后备用；
b)装料：按比例将上述备用的电渣剂置于熔炼坩埚底部，将铍铜母合金置于熔炼坩埚中部，然后将上述备用的电解铜放置在铍铜母合四周将其覆盖；
c)熔炼：将装好物料的熔炼坩埚和浇注用的模具置于真空熔炼炉内，然后关闭炉门抽真空、升温加热；升温速度为：室温至900℃，升温速度为300℃/h，至900℃后保温0.5—1小时后，继续升温至1200—1300℃，升温速度为100℃/h，待真空度达1×10-3Pa±0.2×10-3时，保温、静置0.5—1小时；在上述熔炼过程中，温度达1000℃后，启动搅拌装置，对熔炼坩埚内的熔化物料进行搅拌2—4次，每次10—30分钟；
d)浇注：将上述熔炼好的铍铜合金，在真空熔炼炉内浇注至模具中，待模具中的铸锭冷却至室温后，打开真空熔炼炉，从模具中取出铸锭，对铸锭表面进行洁净化处理；
e)均匀化热处理：将上述洁净后的铸锭加热至380—480℃，保温2小时，然后自然冷却到室温；升温速度为50℃/h。
上述电渣剂是由重量百分比为40—75％的CaO、10—30％的Al2O3、15—30％的MgO组成。
上述铍铜母合金为含铍的重量百分比为2—4％的铍铜合金。
上述电渣剂、铍铜母合金和电解铜的重量百分比为1—2％:2—5％:94—97％。
上述浇注步骤中，浇注温度控制在1100—1200℃，采用顶浇注方式，浇注速度为2—4公斤/分钟，冷却速率为100—150℃/分钟，冷却时向真空熔炼炉内充入氮气；熔炼步骤中的搅拌是采用磁力搅拌装置。
生产上述一种铍铜铸锭的专用真空熔炼炉，包括真空熔炼炉炉体、抽真空装置、电气控制装置，其特征在于放置在炉体内的熔炼坩埚是由坩埚、包裹在坩埚外的加热装置和套在加热装置上的外壳体组成，在外壳体两侧对应位置安装有支撑短轴，熔炼坩埚通过两侧的支撑短轴安装在炉体内的支架上，其中一侧的支撑短轴与连接轴一端相连，连接轴另一端穿过炉体与旋转装置相连，连接轴与炉体之间采用可旋转密封连接；在熔炼坩埚一侧放置有浇注用的模具。
上述与连接轴相连的旋转装置为旋转手柄或电机。
在上述炉体上安装有测量熔炼坩埚内温度的测温装置。
上述搅拌装置是磁力搅拌装置。
本发明采用在真空熔炼炉内进行熔炼和浇铸集成新技术，同时通过电渣剂、铍铜母合金和电解铜的合理配比和放置，在熔炼过程中可有效吸附和过滤铍铜溶液中的杂质和夹杂，使熔炼后的铍铜溶液得到净化，同时熔液的流动性提高，从而在浇注时能够获得致密的缺陷极小的铍铜合金铸锭；由于采用真空浇铸，可有效防止现有技术所采用的非真空浇铸带来的浇铸过程中铍铜氧化，所造成的铸锭内部缺陷多、致密度差等问题，可有效提高铍铜铸锭后期加工的成材率，降低加工成本。
采用本发明的技术方案和专用设备，所获得铸锭的致密度在96％～98％之间，晶粒度在40～80μm之间，最大内部缺陷(空洞和夹杂)小于10mm。上述技术指标远远大于现有技术生产的铸锭的相对应的技术指标，同时由于内部缺陷小、且少，加工过程中的成材率在70％以上，高于现有技术的50％左右，吨加工成本可降低30％以上。
附图说明
附图1为本发明专用设备的结构示意图；
附图2为本发明专用设备的俯视剖面图；
附图3为本发明专用设备中熔炼坩埚的结构示意图；
附图4为本发明专用设备中熔炼坩埚的俯视图。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，专用真空熔炼炉包括真空熔炼炉的炉体2、抽真空装置、电气控制装置，其中抽真空装置与炉体下部的排气管8相连，电气控制装置用于控制真空熔炼炉的抽真空装置、熔炼坩埚的加热等。放置在炉体2内的熔炼坩埚3是由坩埚3-3、包裹在坩埚外的加热装置3-2和套在加热装置上的外壳体3-1组成，在外壳体两侧对应位置安装有支撑短轴3-4，熔炼坩埚通过两侧的支撑短轴3-4和与支撑短轴相配的支撑座4安装在炉体内的支架5上，其中一侧的支撑短轴与连接轴11一端相连，连接轴另一端穿过炉体与旋转装置相连，连接轴与炉体之间采用可旋转密封连接；上述旋转装置是安装在连接轴上的旋转手柄12，也可采用电机来带动熔炼坩埚进行浇铸。在专用真空熔炼炉上部有用于放置熔炼坩埚和浇注用的模具的人孔1。
在熔炼坩埚一侧放置有浇注用的模具6，为保证模具的放置，在真空熔炼炉的炉体内的下部装有水平的安装板7用于浇铸用的模具的放置；在炉体上部安装有用于对熔炼坩埚内的物料进行搅拌的搅拌装置9和测量熔炼坩埚内温度的测温装置10，搅拌装置是采用磁力驱动的磁力搅拌装置。
实施例1：
铍铜铸锭的制备方法，包括以下步骤：
a)熔炼前物料的准备：
根据熔炼坩埚的尺寸和铸件制备的要求，计算好熔炼用的电渣剂重量和铺底厚度，在300℃进行烘烤，除去水汽后备用；熔炼用电渣剂是由重量百分比为40％的CaO、30％的Al2O3和30％的MgO组成。
将熔炼用的电解铜预热至500℃，并进行表面处理后备用，以除去电解铜表面的杂质和水分；
b)装料：按电渣剂、铍铜母合金和电解铜的重量百分比为1％:2％:97％的比例将上述备用的电渣剂置于熔炼坩埚底部，将铍铜母合金置于熔炼坩埚中部，然后将上述备用的电解铜放置在铍铜母合四周将其覆盖；铍铜母合金为含铍的重量百分比为2％的铍铜合金。
c)熔炼：将装好物料的熔炼坩埚和浇注用的模具由置于真空熔炼炉上部的人孔1放入真空熔炼炉内，然后将人孔密闭，通过与炉体下部的排气管8相连的抽真空装置，对炉体内进行抽真空，同时通过电气控制装置对熔炼坩埚进行升温加热；升温速度为：室温至900℃，升温速度为300℃/h，至900℃后保温0.5小时后，继续升温至1200—1300℃，此段升温速度为100℃/h；在上述熔炼过程中，温度达1000℃后，启动磁力搅拌装置，对熔炼坩埚内的熔化物料进行搅拌2次，每次30分钟，待真空度达1×10-3Pa±0.2×10-3时，保温、静置0.5小时；
随着熔化过程的进行，位于坩埚底部的电渣剂由于其密度较轻，逐渐上升，将熔体中的氧和金属、非金属杂质吸附于电渣剂中，同时还起到了过滤夹杂物的作用，从而使铍铜溶液得到了净化；电渣剂上升到达熔炼坩埚内表面后，在表面形成覆盖层，可有效防止在随后的浇注过程中熔体表面氧化现象的发生；通过搅拌不但可以使合金成分更均匀，而且有利于将液体中的气体快速排除和造渣，更好解决了铸锭内部气孔和夹杂现象，同时辅助搅拌能够提高熔炼效率，节约能源。
d)浇注：将上述熔炼好的铍铜合金，在真空熔炼炉内浇注至模具中，浇注温度控制在1100℃，采用顶浇注方式，浇注速度为4公斤/分钟；
浇铸过程中，停止抽真空，同时向真空熔炼炉内充入氮气进行冷却，冷却速率为100℃/分钟，待模具中的铸锭冷却至室温后，打开真空熔炼炉，从模具中取出铸锭，对铸锭表面进行洁净化处理。该铸锭表面的洁净化处理采用现有技术进行。
上述真空熔炼炉内浇注是通过安装在真空熔炼炉的炉体外的旋转手柄12的旋转，带动安装在炉体内的支架5上的熔炼坩埚旋转，将熔炼坩埚内的铍铜合金浇注至模具中。模具可采用石墨材料制成。
e)均匀化热处理：将上述洁净后的铸锭加热至380℃，保温2小时，然后自然冷却到室温；升温速度为50℃/h。通过均匀化热处理可使铸锭内部的金相组织更加均匀，有利于后期加工。
通过上述实施例所生产的铍铜合金铸锭的致密度在96％以上，晶粒度在40～80μm之间，最大内部缺陷(空洞和夹杂)小于10mm。
通过对铍铜合金加工企业的跟踪调查，该加工工艺的设备所生产的铍铜合金铸锭，成材率在70％以上，高于现有技术的50％左右，吨加工成本可降低30％以上。
实施例2——6：
在上述专用真空熔炼炉和实施例1的基础上，改变铍铜铸锭的制备方法中的如下技术指标，也可得到缺陷极小的铍铜合金铸锭。
a)熔炼前物料的准备：
| 实施例 | 电渣剂的烘烤温度 | 电解铜预热 | 电渣剂 | 铍铜母合金 |
| 实施例2 | 320℃ | 500℃ | 50％、30％、20％ | 3.6％ |
| 实施例3 | 350℃ | 600℃ | 60％、20％、20％ | 4％ |
| 实施例4 | 330℃ | 520℃ | 75％、10％、15％ | 3％ |
| 实施例5 | 340℃ | 550℃ | 50％、20％、30％ | 4％ |
| 实施例6 | 360℃ | 580℃ | 65％、15％、20％ | 3％ |
c)熔炼：
c)熔炼、浇注：
e)均匀化热处理：
| 实施例 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 铸锭加热温度 | 390℃ | 400℃ | 420℃ | 460℃ | 470℃ |
在上述实施例中电渣剂是由CaO、Al2O3和MgO组成，三者的重量百分比为表中所列。
通过上述实施例所生产的铍铜合金铸锭的致密度在96％以上，晶粒度在40～80μm之间，最大内部缺陷(空洞和夹杂)小于10mm。通过上述实施例生产出的铍铜合金铸锭，由于其致密度高、内部缺陷小、铍铜合金的金相组织结构的晶粒度分布均匀，可有效提高后续加工中的成才率，降低了由于铍铜合金铸锭内部缺陷所造成的废品率。
Claims (9)
1.一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，包括以下步骤：
a）熔炼前物料的准备：
将熔炼用的电渣剂在不低于300℃烘烤后备用；
将熔炼用的电解铜预热至500～600℃，进行表面处理后备用；
b)装料：按比例将上述备用的电渣剂置于熔炼坩埚底部，将铍铜母合金置于熔炼坩埚中部，然后将上述备用的电解铜放置在铍铜母合四周将其覆盖；
c）熔炼：将装好物料的熔炼坩埚和浇注用的模具置于真空熔炼炉内，密闭后抽真空、升温加热；升温速度为：室温至900℃，升温速度为300℃/h，至900℃后保温0.5—1小时后，继续升温至1200—1300℃，升温速度为100℃/h，待真空度达1×10-3Pa±0.2×10-3时，保温、静置0.5—1小时；在上述熔炼过程中，温度达1000℃后，启动搅拌装置，对熔炼坩埚内的熔化物料进行搅拌2—4次，每次10—30分钟；
d）浇注：将上述熔炼好的铍铜合金，在真空熔炼炉内浇注至模具中，待模具中的铸锭冷却至室温后，打开真空熔炼炉，从模具中取出铸锭，对铸锭表面进行洁净化处理；
e）均匀化热处理：将上述洁净后的铸锭加热至380—480℃，保温2小时，然后自然冷却到室温；升温速度为50℃/h。
2.根据权利要求1所述的一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，其特征在于上述电渣剂是由重量百分比为40—75%的CaO、10—30%的Al2O3、15—30%的MgO组成。
3.根据权利要求2所述的一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，其特征在于上述铍铜母合金为含铍的重量百分比为2—4%的铍铜合金。
4.根据权利要求3所述的一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，其特征在于上述电渣剂、铍铜母合金和电解铜的重量百分比为 1—2%:2—5%:94—97%。
5.根据权利要求4所述的一种无缺陷铍铜铸锭的制备方法，其特征在于上述浇注步骤中，浇注温度控制在1100—1200℃，采用顶浇注方式，浇注速度为2—4公斤/分钟，冷却速率为100—150℃/分钟，冷却时向真空熔炼炉内充入氮气。
6.生产上述一种无缺陷铍铜铸锭的专用真空熔炼炉，包括真空熔炼炉炉体、抽真空装置、电气控制装置，其特征在于放置在炉体（2）内的熔炼坩埚（3）是由坩埚（3-3）、包裹在坩埚外的加热装置（3-2）和套在加热装置上的外壳体（3-1）组成，在外壳体两侧对应位置安装有支撑短轴（3-4），熔炼坩埚通过两侧的支撑短轴（3-4）安装在炉体（2）内的支架（5）上，其中一侧的支撑短轴与连接轴（11）一端相连，连接轴另一端穿过炉体与旋转装置相连，连接轴与炉体之间采用可旋转密封连接；在熔炼坩埚一侧放置有浇注用的模具（6）；在炉体上部安装有用于对熔炼坩埚内的物料进行搅拌的搅拌装置（9）。
7.根据权利要求6所述的生产一种无缺陷铍铜铸锭的专用真空熔炼炉，其特征在于上述与连接轴（11）相连的旋转装置为旋转手柄（12）或电机。
8.根据权利要求7所述的生产一种无缺陷铍铜铸锭的专用真空熔炼炉，其特征在于在上述炉体（2）上安装有测量熔炼坩埚内温度的测温装置（10）。
9.根据权利要求7所述的生产一种无缺陷铍铜铸锭的专用真空熔炼炉，其特征在于上述搅拌装置是磁力搅拌装置。
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