一种黄铜管材的短流程高效生产方法

专利名称：一种黄铜管材的短流程高效生产方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，涉及一种黄铜直管/盘管的短流程高效生产方法。
背景技术：
黄铜是以锌为主要元素的铜合金，其导热性能、力学性能、加工性能、耐腐蚀性能优良。一般为了改善黄铜的性能会添加锡、铝、锰等金属构成多元合金，即为特殊黄铜，如 在黄铜中加铅或铋能改善黄铜的切削性能；加入锡能显著改善黄铜的抗海水、海洋大气腐蚀的能力；同时添加多种元素(铝、锰、硅、铁、锡等)还可以制成高强度、高耐磨性的耐磨黄铜。正因为黄铜具有以上特性，黄铜合金管材被广泛用于电站、船舶和制冷等行业的热交换器用换热管，建筑用供排水管和汽车用高耐磨同步齿环管等领域。目前，黄铜管材的主要生产方法有三种第一种是传统的挤压生产工艺，即半连续铸锭一热挤压一(冷轧)一拉伸[见孙德华.C33000 α单相铅黄铜管研制.有色金属加工，2010，39(1): 42-45]，传统工艺的特点是产品质量高，但生产流程长、成材率低、设备投资大、产品成本高。第二种是铸轧工艺，即水平连铸管坯一多道次冷轧或行星轧制一拉伸，与传统的挤压工艺相比，由于采用连铸方法直接制备铜管坯，可大幅度提高生产效率，同时，三辊行星轧制单道次的加工变形量大，因而进一步提高了生产效率。虽然铸轧工艺与传统的挤压工艺相比流程大幅度缩短、生产成本显著降低，但也存在管坯质量较差(如外表面橘皮、内表面褶皱、缩松、发达的径向柱状晶组织等)、生产设备与工艺较为复杂、能源消耗大等不足。第三种是上引连铸管坯-拉拔法，与上述两种工艺相比，上引连铸生产管坯可直接用于拉拔，省去了挤压、轧制两道工序，提高成材率，降低生产成本。所铸管坯组织均勻，表面质量较高[见李倬等，一种铜合金上引连铸管坯的生产方法，中国发明专利，CN1350897A，2002-5- 和梁新海，一种上引连铸生产黄铜管坯的方法，中国发明专利，CN101670424A，2010-3-17]。上引连铸-拉拔生产铜合金管材不足之处在于一是目前可生产管坯规格的局限性，仅能生产外径在42mm以下的管坯，不易生产规格较大的产品， 而且生产能力较小[刘华鼐等，铜合金管棒材加工工艺.北京化学工业出版社，2009]。二是由于气体上浮的原因，上引连铸的管坯致密度较差，产品质量较低。另外，在生产小直径(3 10mm)、薄壁(0. 3 0. 7mm)电缆管、阴极管等精密铜管方面，谢建新等人开发了精密铜管短流程制备加工工艺[见谢建新，娄花芬，王自东等，铜及铜合金精密管材短流程制备工艺，中国发明专利，ZL200710065281.9，2009-06-10]，其特点是采用热型连铸方法成形直径15 40mm、壁厚1 3mm的薄壁铜管，然后直接进行盘拉， 生产小直径、薄壁精密管材。与传统的挤压法相比，省去了热挤压及冷轧管工序；与水平连铸法相比，省去了铣面和行星轧制工序。因此，新工艺可以大幅度缩短流程，节约能耗，显著提高成材率，降低成本，该工艺在管坯连铸方面基于热型连铸，液-固界面被控制在铸型的出口附近，其优点是①连铸管材的的内外表面光洁，可以达到镜面状态，不需任何处理即可直接用于轧制、拉拔等冷加工；②沿轴向生长的连续柱状晶组织有利于后续的轴向延伸变形[张鸿，谢建新，王自东，王浩，连续定向凝固铜棒及其冷加工后的组织和力学性
3能.机械工程材料，2004，观(2):31-33]。而采用热型连铸技术生产管坯存在的问题是① 只能实现小直径Φ50πιπι)、薄壁3mm)管材的连铸成形，且拉铸速度较慢，生产效率较低，较适合高质量精密细小黄铜管材的生产；②由于固液界面在铸型出口附近，工艺控制难度较大，容易出现拉漏事故。为了解决普通水平连铸存在的管坯表面质量差和径向柱状晶问题以及热型连铸存在的生产效率低以及容易拉漏等问题，本专利申请人等人开发了热冷组合铸型水平连铸技术[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，CN 101966564 A，2010-10-09]，其原理是铸型由加热段和冷却段组成，加热段采用加热装置进行强制加热，而冷却段采用水冷铜套进行强制冷却，由此在管材凝固界面前沿建立起较高的轴向温度梯度。该技术的优点是(1)连铸管材组织致密且具有沿轴向取向的柱状晶组织，有利于后续的轴向延伸加工(如轧制、拉拔)的延伸变形；(2)管材内外表面质量优良， 无橘皮、褶皱、裂纹等缺陷，不需内外表面铣面可直接进行后续冷加工成形；C3)液固界面控制范围大，允许采用较大的拉铸速度，并实现较大直径和壁厚管材的连铸。该技术的开发为铜及铜合金管材高效生产提供了崭新的途径。专利申请人等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，开发了白铜管材的短流程高效生产方法[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，申请号 201110064777. 0,2011-03-17]。但该发明还存在以下问题一是由于白铜合金的熔点较高， 为获得所需的热型温度，热型采用了高频感应加热，但高频感应加热的有用功率因数较低， 导致热型加热时能源消耗较大，增加了生产成本；二是由于黄铜与白铜化学成分相差较大， 连铸、成形加工和热处理工艺参数相差较大。例如，黄铜的熔点较低、铸造时流动性较白铜合金好；黄铜连铸时需要控制锌元素的挥发，而白铜无此问题；H90黄铜热导率是B30白铜的约4倍，在铸造过程中凝固速度较白铜快；黄铜管在加工过程中残余内应力影响较大，需对残余内应力进行消除处理，而白铜合金无需专门处理。由于上述原因，该发明所提供的连铸、加工成形和热处理等工艺参数范围仅适合白铜管材的生产，而不能运用于黄铜管材的生产。因此，解决目前黄铜管材生产存在的上述问题，需要根据黄铜管材的自身特点，通过深入研究，发明一种加热方法更加节能高效、无需中间退火或仅需少量低温退火、适合黄铜连铸、加工及热处理的特定工艺。

发明内容
本发明的目的是提供一种短流程、高效生产黄铜管材的新方法，该方法可以缩短黄铜直管/盘管生产工艺流程，降低生产成本。本发明的技术方案为运用一种低能耗的热冷组合铸型连铸技术高效生产具有轴向取向组织、内外表面质量优良的黄铜管坯，在不进行表面刨皮处理情况下直接对管坯进行后续成形加工，成形加工过程中不需进行中间退火或仅需少量低温退火，高效生产黄铜管材。所述热冷组合铸型连铸的特点在于连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯。一种黄铜管材短流程高效生产方法，具体步骤如下
步骤一采用热冷组合铸型水平连铸制备直径为Φ 30 120mm，壁厚为3 30mm的黄铜管坯，其工艺为根据黄铜的具体成分不同，黄铜的熔化温度为1000 1180°C，锌含量越高，熔化温度越低。由于熔炼时锌元素容易挥发而减少，熔化过程中应采用木炭充分覆盖， 以减轻锌元素的挥发，同时，每隔1-2小时对熔炼炉中的合金成分进行检测，不断补充锌元素，以保证合金的成分在合格的范围内。同样，根据黄铜的具体成分，其保温温度为1030 12000C，热型(铸型加热)温度1000 1180°C，采用电阻加热，加热功率3 5kW ；冷型冷却水(水冷铜套)流量300 1000L/h，牵引速度50 500mm/min ；
步骤二 根据两类直管类和盘管类管材产品的不同，采用两种不同的后续加工工艺 (1)黄铜直管生产过程，可将步骤一中所述管坯直接进行多道次冷轧或三辊行星轧制，轧制总变形量50% 95%，冷轧单道次变形量< 20% 25%，三辊行星轧制单道次变形量可达 95% ；轧制过程中，当累积变形量达到90%时可进行低温回复退火(中间退火)，以保证管材既有良好的冷加工性能又保持取向组织，退火温度200 350°C，退火时间0. 5 2h，退火保护气氛洲氢气+余量氮气，也可不进行退火，视加工变形程度而定，按上述工艺可生产的黄铜直管直径Φ 10 45mm，壁厚0. 5 5mm。(2)黄铜盘管生产过程，将管坯进行总变形量< 50% 70%的多道次冷轧或三辊行星轧制变形，轧后的管坯再经串连拉或三联拉进行一次盘拉前的精整，获得用于后续盘拉的盘管坯；精整后的盘管坯可进行低温回复退火， 退火温度200 350°C，退火时间0. 5 池，退火保护气氛洲氢气+余量氮气，也可不进行退火，视加工变形程度而定(当累积变形量达到90%时可安排退火);采用盘拉机对未退火或经过退火的盘管坯进行后续盘拉成形，后续盘拉平均道次延伸系数1. 35 1. 55，盘拉速度 1 1000m/min，可生产铜盘管直径Φ4 30mm，壁厚0. 3 2mm。步骤三采用水平缠绕机将步骤二中盘拉后的管材进行复绕，黄铜直管则直接进入下一步骤。步骤四黄铜直管采用辊底式连续光亮退火炉，黄铜盘管采用楼式退火炉进行退火，退火温度300 500°C，炉内气体保护气氛采用以氮气为主，含氢量较低3%)的氮、 氢混合气体，管内采用纯度较高的保护气体进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度 200 350°C，气体压力为0. 3 0. 6 MPa0对半硬态产品，则冷加工黄铜应在270 350°C 进行应力消除退火，以消除应力腐蚀开裂。所述黄铜管材短流程生产工艺的一个特点在于，所述热冷组合铸型连铸的热型段的加热采用低能耗的电阻加热，与感应加热相比，能量利用率高，可显著降低能量消耗，降低生产成本。所述黄铜管材短流程生产工艺的另一个特点在于，管坯在后续成形加工过程中无需进行中间退火，或仅需少量低温退火(退火温度200 350°C)，可以减少能量消耗、 降低成本、提高效率。本发明的优点在于
1、采用热冷组合铸型水平连铸工艺生产的黄铜管材作为坯料，由于该坯料内外表面质量高，不需进行内外表面处理(外表面旋铣，内表面刷铣)，可直接进行后续轧制，减少了工序，提高了成材率；
2、本发明所提供的生产方法及其后续加工工艺与目前黄铜管材生产方法相比，生产流程缩短，能耗降低，生产效率提高。与传统挤压生产工艺相比，去除了挤压工序和与之配套的大能耗设备，缩短了流程；与铸轧法相比，由于铸轧法生产采用的管坯具有发达的径向柱状晶组织，此种管坯由于塑性加工性能较差，可在不退火的情况下连续进行冷加工的变形量较小，因此生产效率较低；而本发明所采用的管坯具有沿轴向取向的组织，在轴向延伸加工(轧制和盘拉)过程中，能保持较好的塑性加工能力而无需或仅需少量中间退火处理，因此生产效率高。3、本发明针对黄铜熔点比白铜低的特点，采用电阻加热热型，与白铜的短流程生产工艺相比，显著降低了能耗，有利于降低生产成本；
4、本发明所提供的生产方法中间退火次数显著减少，退火温度也显著降低，甚至无需中间退火，不仅更加有利于节约能源，而且有利于提高生产效率。
具体实施例方式
实施例1 尺寸为Φ45Χ5πιπιΗ96黄铜直管的生产方法
①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Φ120Χ30πιπι管坯，铜合金液熔化温度 11800C，保温温度1200°C，热型(铸型加热)温度1180°C，采用电阻加热，加热功率5kW，冷型冷却水(水冷铜套)流量1000L/h，牵引速度150mm/min。②对步骤一中所制备的管坯进行4 8道次的三辊周期式冷轧，平均道次变形量为20%，各道次变形量随累积变形量的增大逐渐减小，轧制过程中可不进行中间退火。③将轧后管材进行光亮退火，退火温度500°C，退火时间40min，炉内气体保护气氛洲氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度 200°C，气体压力为0. 4 MPa0实施例2 尺寸为Φ 10X0. 5mmH80黄铜直管的生产方法
①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Φ50X 5mm管坯，铜合金液熔化温度1100°C， 保温温度1120°C，热型(铸型加热)温度1100°C，采用电阻加热，加热功率3kW，冷型冷却水 (水冷铜套)流量450L/h，牵引速度200mm/min。②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量90 95%。③将轧后管材进行光亮退火，退火温度400°C，退火时间30min，炉内气体保护气氛洲氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度 200°C，气体压力为0. 4 MPa0实施例3 尺寸为Φ30X 2mm H80黄铜盘管的生产方法
①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Φ 100X 15mm管坯，铜合金液熔化温度 IlOO0C，保温温度1120°C，热型(铸型加热)温度1100°C，采用电阻加热，加热功率3kW，冷型冷却水(水冷铜套)流量700L/h，牵引速度150mm/min。②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量40% 90%。③将轧后的管坯进行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。④采用倒立式盘拉机进行盘拉，平均道次延伸系数为1. 4，拉伸道次为3 4道次， 盘拉速度500m/min。⑤采用水平缠绕机将盘拉后的管材进行复绕。⑥将黄铜盘管材进行光亮退火，退火温度400°C，退火时间40min，炉内气体保护气氛1氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度 200°C，气体压力为0. 4 MPa0实施例4 尺寸为Φ4Χ0. 3mm H65黄铜盘管的生产方法①采用热冷组合铸型水平连铸制备直径Φ50X 5mm管坯，铜合金液熔化温度1000°C， 保温温度1030°C，热型(铸型加热)温度1030°C，冷型冷却水(水冷铜套)流量450L/h，牵引速度 200mm/mino②对步骤一中所制备的管坯进行一道次行星轧制，总变形量50% 95%。③将轧后的管材进行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。④将精整后的管坯进行低温回复退火，退火温度为300°C，退火时间为30min，保
护气氛洲氢气+余量氮气。⑤采用倒立式盘拉机进行盘拉，平均道次延伸系数为1. 4，拉伸道次为4 6道次， 盘拉速度500m/min。⑥采用水平缠绕机将盘拉后的管材进行复绕。⑦将盘拉后的管材进行光亮退火，退火温度300°C，退火时间30min，炉内气体保护气氛洲氢气+余量氮气，管内采用纯氮气进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度 200°C，气体压力为0. 4 MPa0
权利要求
1.一种黄铜管材短流程高效生产方法，其特征是连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯；具体步骤如下步骤一采用热冷组合铸型水平连铸制备直径为Φ 30 120mm，壁厚为3 30mm的黄铜管坯，其工艺为根据黄铜的具体成分不同，黄铜的熔化温度为1000 1180°C，锌含量越高，熔化温度越低；由于熔炼时锌元素容易挥发而减少，熔化过程中应采用木炭充分覆盖， 以减轻锌元素的挥发，同时，每隔1-2小时对熔炼炉中的合金成分进行检测，不断补充锌元素，以保证合金的成分在合格的范围内；同样，根据黄铜的具体成分，其保温温度为1030 1200°C，热型温度1000 1180°C，采用电阻加热，加热功率3 5kW ；冷型水冷铜套冷却水流量300 1000L/h，牵引速度50 500mm/min ；步骤二 根据两类直管类和盘管类管材产品的不同，采用两种不同的后续加工工艺 (1)黄铜直管生产过程，将步骤一中所述管坯直接进行多道次冷轧或三辊行星轧制，轧制总变形量50% 95%，冷轧单道次变形量彡20% 25%，三辊行星轧制单道次变形量达95% ； 轧制过程中，当累积变形量达到90%时进行低温回复退火，以保证管材既有良好的冷加工性能又保持取向组织，退火温度200 350°C，退火时间0. 5 浊，退火保护气氛洲氢气+ 余量氮气，生产的黄铜直管直径Φ 10 45mm，壁厚0. 5 5mm ；(2)黄铜盘管生产过程，将管坯进行总变形量< 50% 70%的多道次冷轧或三辊行星轧制变形，轧后的管坯再经串连拉或三联拉进行一次盘拉前的精整，获得用于后续盘拉的盘管坯；精整后的盘管坯可进行低温回复退火，退火温度200 350°C，退火时间0. 5 2h， 退火保护气氛为洲氢气+余量氮气；采用盘拉机对盘管坯进行后续盘拉成形，后续盘拉平均道次延伸系数1. 35 1. 55，盘拉速度1 lOOOm/min，生产的铜盘管直径Φ4 30mm，壁厚 0. 3 2mm ；步骤三采用水平缠绕机将步骤二中盘拉后的管材进行复绕，黄铜直管则直接进入下一步骤；步骤四黄铜直管采用辊底式连续光亮退火炉，黄铜盘管采用楼式退火炉进行退火，退火温度300 500°C，炉内气体保护气氛采用以氮气为主，含氢量< 3%的氮、氢混合气体，管内采用纯度较高的保护气体进行内吹扫，吹扫气体连续进气，起始吹扫温度200 350°C， 气体压力为0. 3 0. 6 MPa ；对半硬态产品，则冷加工黄铜应在270 350°C进行应力消除退火，以消除应力腐蚀开裂。
2.如权利要求1所述的一种黄铜管材短流程高效生产方法，其特征是黄铜直管和黄铜盘管可以不进行退火，视加工变形程度而定；对于黄铜盘管，当累积变形量达到90%时可安排退火。
全文摘要
本发明属于金属材料领域，涉及一种黄铜管材短流程高效生产方法。其特征是运用一种低能耗的热冷组合铸型连铸技术高效生产具有轴向取向组织、内外表面质量优良的黄铜管坯，在不进行表面刨皮处理情况下直接对管坯进行后续成形加工，成形加工过程中不需进行中间退火或仅需少量低温退火，高效生产黄铜管材。所述热冷组合铸型连铸的特点在于连铸结晶器由被加热的热型段和被循环水强制冷却的冷型段组合而成，通过控制管材凝固界面位置位于热型段和冷型段的交界处附近，实现高效制备高表面质量、具有轴向取向组织的管坯。本发明的优点是生产流程短、能耗低、成材率高、生产效率高。
文档编号C21D1/26GK102260840SQ20111021069
公开日2011年11月30日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者刘新华, 刘雪峰, 梅俊, 谢建新 申请人:北京科技大学