一种耐热耐蚀多元铜合金及其制备系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高端铜材，尤其涉及一种多元微合金化耐热耐蚀铜合金及其制备系统，属于合金领域。本发明的耐热耐蚀多元铜合金，组成元素的质量百分比为：占合金总质量0.02％的镧和钇，余量为铜；其中，镧与钇的质量比为1：1～1：4。该合金铜材属于高端产品，被广泛应用于电力、电子、电气、仪表、航空、交通、建筑、通讯、军事等行业。
【专利说明】一种耐热耐蚀多元铜合金及其制备系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高端铜材，尤其涉及一种多元微合金化耐热耐蚀铜材及多元微合 金化铜材冶炼熔铸系统，属于合金加工【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 由于铜及铜合金的高导电导热以及良好的加工性能等，应用领域扩大到海洋、航 空等高科技领域，传统的铜及铜合金不能满足新兴领域的使用性能，尤其是同时满足高强 度、高导电导热和耐热耐腐蚀的场合，因此，国内外对耐热耐腐蚀铜合金的研宄较多。
[0003] 已经开发出的耐热铜合金主要用于高炉风口、电极夹持器、接触式夹具和结晶器 铜套上等，日本造船株式会社开发的Cu-Co-Be系合金，日本神户制钢所开发的Cu-Fe-Sn系 合金，日本三菱株式会社开发的Cu-Cr-Zr系合金，这三类铜合金均高强度、高导热性、耐磨 性等优良特性。
[0004] 耐腐蚀合金多集中在海水环境、潮湿的大气中，现有的耐腐蚀铜合金有四大类：① 有"海军黄金"之称的铝黄铜和锡黄铜；②以铜为基体加入Sn、Zn、Pb等元素提高合金的耐 腐蚀性能；③Cu-Niz系白铜合金；④铜基合金中加入Al、Si、Ni、Mn等元素的耐腐蚀青铜。
[0005] 市场上采用的高效耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材主要靠进口，成本费用较高， 采货周期长，而且还受到国际关系的制约，严重影响了企业的运行成本和生产效率；如何将 高强度、耐热、耐腐蚀、抗磨性铜及铜合金制备出来，是企业亟待解决的问题。
[0006] 中国发明专利CN103045896A公开了一种海洋工程用高强度耐腐蚀铜基合金棒， 由以下组分组成：占合金棒总重量13-23%的铝，占合金棒总重量3-17%的铁，占合金棒 总重量0.5-8%的锡，占合金棒总重量1-15%的锌，余量为铜；本发明还涉及海洋工程用 高强度耐腐蚀铜基合金棒的制备方法。本发明采用在传统铜基合金的基础上适量的添加锡 锌等元素，并适当提高铝的含量，由此来增强合金的抗压强度，耐腐蚀性等，使其成为 QAL9-4棒材的加强版，并且相对于QAL9-4棒材的制备方法，本发明只需要挤压不用锻打 就能实现锻打后的机械性能，因此，本发明减少了加工程序，提高生产效率并降低了生产 成本。
[0007] 中国发明专利CN103045897A公开了一种海洋工程用高强度耐腐蚀铜基合金管， 由以下组分组成：占合金管总重量13-23%的铝，占合金管总重量3-17%的铁，占合金管 总重量0.5-8%的锡，占合金管总重量卜 15%的锌，余量为铜；本发明还涉及海洋工程用 高强度耐腐蚀铜基合金管的制备方法。本发明采用在传统铜基合金的基础上适量的添加锡 锌等元素，并适当提高铝的含量，由此来增强合金的抗压强度，耐腐蚀性等，使其成为 QAL9-4管材的加强版，并且相对于QAL9-4管材的制备方法，本发明只需要挤压不用锻打 就能实现锻打后的机械性能，因此，本发明减少了加工程序，提高生产效率并降低了生产 成本。
[0008] 中国发明专利CN102392155A公开了一种耐腐蚀铜锌铝合金材料，现制成铜锌 铝黄铜合金管材、板带材，是以铜锌黄铜合金为基体，通过添加锌、铝、镍、硅、硼、锰、稀 土等元素，达到高耐磨、高耐蚀、耐高温、加工性能良好的目的，满足海洋开发利用行业、 换热以及其他特殊行业用材料的要求。其化学成分按重量百分比为：铜74%-78%，铝 1. 4% -2. 8%，镍 0· 2% -1. 0%、硅 0· 1% -1. 0%、硼 0· 003% -0· 015%、锰 0· 2% -0· 8%、 单质稀土镧与单质稀土铈中的至少一种或者混合稀土 0. 005% -0. 15%、铁< 0. 05%、铅 < 0. 05%、不可避免的杂质< 0. 05%，余量为锌，各组份之和为百分之百；通过变形加工 可以分别制作出满足市场需求的耐腐蚀铜锌铝合金材料板带材或管材。有效节约了能源、 降低生产成本。
[0009] 现有技术存在以下问题：
[0010] (1)市场上采用的高效耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材主要靠进口，成本费用较 高，采货周期长，而且还受到国际关系的制约，严重影响了企业的运行成本和生产效率。
[0011] (2)现有资料表明，添加稀土元素可大大提高材料的韧性和耐腐蚀性能，但对抗拉 强度的影响较小，如何解决这一技术难题，提出制备高效耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材 的新思路尚不明确。
[0012] (3)目前，稀土对精密铜材的作用机理还是空白，研宄对铜材显微组织、力学性能、 耐腐蚀性能、耐热性能的影响规律和作用过程，对目标铜合金成分设计和优化，最终实现高 效耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材的研发，是一个复杂并且工作量巨大。
[0013] (4)对稀土微合金冶炼系统、合金元素加入装置及元素加入时机控制，没有形成一 套有效的产业化应用系统。
【发明内容】
[0014] 本发明针对现有技术的不足，提供一种耐热耐蚀合金铜材。技术方案如下：
[0015] -种耐热耐蚀多元铜合金，组成元素的质量百分比为：占合金总质量0.02%的镧 和钇，余量为铜；其中，镧与钇的质量比为1 :1?1 :4。
[0016] 进一步的，所述金属镧与金属钇的质量比为1 :3。
[0017] 合金铜的复合作用机理：粉末状高熔点稀土元素镧和钇加入液态铜液后，随着铜 液的流动游浮其中，当异种熔质核心碰撞聚集到一起，高温环境促使化学性质活泼的两种 元素反应，形成一种新的中间相Cu-La-Y，虽然同种稀土元素碰撞后聚集成较大的核心，能 够提供铜晶粒形成的异质核心，但新生成的中间相，与铜基体的润湿角小，促进铜晶粒形成 和细化的程度更高，这样铜材质耐腐蚀性和耐热性更优。
[0018] 本发明第二方面公开了一种加工前述耐热耐蚀多元铜合金的冶炼熔铸系统，包括 熔化炉、保温炉以及稀土元素加注装置；所述熔化炉顶部设有电解铜板加入口，所述熔化炉 底部与所述保温炉底部通过潜流槽连通，所述保温炉包括设于所述保温炉一侧的结晶器； 其特征在于，所述稀土元素加注装置包括装置本体以及给料机构，所述给料机构包括加料 漏斗，送料推杆，弹簧，氩气注入管，以及石墨管；所述装置本体内水平方向设有推杆腔，所 述推杆腔的一端设有弹簧座，所述弹簧座内设有所述弹簧，所述推杆腔另一端插设有所述 送料推杆，所述送料推杆的前端与所述弹簧相接触；所述送料推杆上设有竖直方向贯穿的 取料孔；所述加料漏斗包括漏斗体和漏斗颈，所述漏斗颈下端与所述推杆腔相连通；所述 氩气注入管与所述推杆腔十字交叉贯通；所述氩气注入管下端连接所述石墨管的上端，所 述石墨管下端插入所述保温炉内。
[0019] 进一步，所述给料机构还包括氩气输送软管，所述氩气输送软管的出气口与所述 氩气注入管的入气口连接，并且所述氩气注入管上设有氩气调节阀。
[0020] 进一步，所述送料推杆包括手柄以及与所述手柄连接的杆体，所述手柄位于装置 本体外，所述杆体插设于所述推杆腔内。
[0021] 进一步，所述取料孔的孔径大小与所述漏斗颈下端的管径以及所述氩气注入管的 管径大小相一致。
[0022] 采用本发明的冶炼熔铸系统制备耐热耐蚀多元铜合金的方法，包括以下步骤：
[0023] 1)铜液制备：通过电解铜板加入口将铜板加入到工频感应融化炉中，熔炉加热温 度1170?1200°C，铜板融化后上层覆盖150-200mm厚经过煅烧的木碳，铜板完全融化后，铜 液经过潜流槽流入保温炉；
[0024] 2)装料：采用稀土元素加注装置，将La-Y-Cu中间合金粉末倒入加料漏斗；
[0025] 3)氩气输送：将氩气接入氩气注入管，调节氩气输入压力为1?I. 5MPa ;
[0026] 4)取料：使推杆处于正常状态，弹簧自然松弛，此时取料孔与加料漏斗的漏斗颈 下端对齐，中间合金粉末落入取料孔，完成取料；
[0027] 5)推料：取料后，推动推杆水平移动挤压弹簧，使弹簧处于压紧状态，取料孔与氩 气注入管以及石墨管连通；
[0028] 6)加注：石墨管下端插入结晶池的铜液液面以下，连通后，在氩气压力下中间合 金粉末直接进入保温炉的铜液内部，使La-Y-Cu中间合金按照与铜液配比计算定量加入到 铜液中；
[0029] 7)结晶：加入合金粉末后稳定20分钟，取样化验：经化验待La元素和Y元素的含 量稳定时，可开始通过结晶器连接引铸，熔炼出耐热耐蚀多元铜合金。
[0030] 本发明的有益效果是：本发明填补了稀土对耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材的作 用机理这一项空白，根据这一机理，优化出目标铜合金的最佳成分，并设计了一种多元微合 金化铜材冶炼熔铸系统，最终实现高效耐热耐腐蚀多元微合金精密铜材的研发，不依赖国 外市场，实现核心技术国产化，降低企业的生产成本和采货周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]
[0032] 图1为一种多元微合金化铜材冶炼熔铸系统结构示意图；
[0033] 图2为多元微合金化铜材冶炼熔铸系统中稀土元素加注装置结构示意图；
[0034] 图3为稀土元素加注装置取料时的使用状态图；
[0035] 图4为稀土元素加注装置推料并加注时的使用状态图。
[0036] A、熔化炉
[0037] B、保温炉
[0038] C、稀土元素加注装置
[0039] D、电解铜板加入口
[0040] E、潜流槽连通
[0041] F、结晶器
[0042] G、木炭覆盖层
[0043] H、铜液
[0044] I、装置本体
[0045] 2、给料机构
[0046] 11、推杆腔
[0047] 12、弹簧座
[0048] 21、加料漏斗
[0049] 22、送料推杆
[0050] 23、弹簧
[0051] 24、氩气注入管
[0052] 25、石墨管
[0053] 26、取料孔
[0054] 27、氩气输送软管
[0055] 28、氩气调节阀
【具体实施方式】
[0056] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0057] 实施例1铜合金的制备
[0058] L原料配比：
[0059] 金属镧+金属钇的总含量为0. 02%，其余为铜元素；为了研宄两种元素对铜的复 合作用，改变镧：钇质量比为1:1、1:2、1:3、1:4四组实验，保温时间为20min，采用空冷冷 却。
[0060] 2.合金铜的制备
[0061] 原料选用高纯阴极铜板，通过本发明的多元微合金化铜材冶炼熔铸系统，该装置 如图1所示，包括熔化炉A、保温炉C以及稀土元素加注装置C ;所述熔化炉A顶部设有电 解铜板加入口 D，所述熔化炉底部与所述保温炉底部通过潜流槽连通E，所述保温炉包括设 于所述保温炉一侧的结晶器F ;所述稀土元素加注装置C包括装置本体1以及给料机构2， 所述给料机构2包括加料漏斗21，送料推杆22,弹簧23,氩气注入管24,以及石墨管25 ;所 述装置本体1内水平方向设有推杆腔11，所述推杆腔11的一端设有弹簧座12,所述弹簧座 12内设有所述弹簧23,所述推杆腔11另一端插设有所述送料推杆22,所述送料推杆22的 前端与所述弹簧23相接触；所述送料推杆上设有竖直方向贯穿的取料孔26 ;所述加料漏斗 包括漏斗体和漏斗颈，所述漏斗颈下端与所述推杆腔相连通；所述氩气注入管24与所述推 杆腔11十字交叉贯通；所述氩气注入管24下端连接所述石墨管25的上端，所述石墨管25 下端插入所述保温炉B内。
[0062] 通过电解铜板加入口将铜板加入到工频感应融化炉中，熔炉加热温度1170? 1200°C，铜板融化后上层覆盖150-200mm厚经过煅烧的木碳，铜板完全融化后，铜液经过潜 流槽流入保温炉，达到一定液位，通过加注装置将La-Y-Cu中间合金按照与铜液配比计算 定量加入到铜液中，然后稳定20分钟后，取样化验：经化验待La元素和Y元素的含量稳定 时，可开始通过结晶器连接引铸，熔炼出表1中化学质量百分比的多元铜合金。
[0063] 表1多元铜合金中各元素的化学质量百分比
[0064]
【权利要求】
1. 一种耐热耐蚀多元铜合金，组成元素及质量百分比为：占合金总质量0. 02%的镧和 钇，余量为铜；其中，镧与钇的质量比为1 :1?1 :4。
2. 根据权利要求1所述的多元铜合金，其特征在于，所述镧与钇的质量比为1 :3。
3. -种加工权利要求1-2任一权利要求所述耐热耐蚀多元铜合金的冶炼熔铸系统， 包括熔化炉、保温炉以及稀土元素加注装置；所述熔化炉顶部设有电解铜板加入口，所述熔 化炉底部与所述保温炉底部通过潜流槽连通，所述保温炉包括设于所述保温炉一侧的结晶 器；其特征在于，所述稀土元素加注装置包括装置本体以及给料机构，所述给料机构包括加 料漏斗，送料推杆，弹簧，氩气注入管，以及石墨管；所述装置本体内水平方向设有推杆腔， 所述推杆腔的一端设有弹簧座，所述弹簧座内设有所述弹簧，所述推杆腔另一端插设有所 述送料推杆，所述送料推杆的前端与所述弹簧相接触；所述送料推杆上设有竖直方向贯穿 的取料孔；所述加料漏斗包括漏斗体和漏斗颈，所述漏斗颈下端与所述推杆腔相连通；所 述氩气注入管与所述推杆腔十字交叉贯通；所述氩气注入管下端连接所述石墨管的上端， 所述石墨管下端插入所述保温炉内。
4. 根据权利要求3所述的冶炼熔铸系统，其特征在于，所述给料机构还包括氩气输送 软管，所述氩气输送软管的出气口与所述氩气注入管的入气口连接，并且所述氩气注入管 上设有氩气调节阀。
5. 根据权利要求3所述的冶炼熔铸系统，其特征在于，所述送料推杆包括手柄以及与 所述手柄连接的杆体，所述手柄位于装置本体外，所述杆体插设于所述推杆腔内。
6. 根据权利要求3所述的冶炼熔铸系统，其特征在于，所述取料孔的孔径大小与所述 漏斗颈下端的管径以及所述氩气注入管的管径大小相一致。
【文档编号】B22D11/04GK104480341SQ201410714611
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】赵钦海, 彭永聪, 曲绍文 申请人:山东中佳新材料有限公司