本发明涉及一种高性能铜合金的制备技术，属于金属材料制备加工技术领域，特别是提供了一种高强高导Cu-Cr-Zr合金棒材的非真空熔炼水平连铸生产工艺。
背景技术：
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Cu-Cr-Zr合金(0.1％～1.4％的Cr，0.02％～0.20％的Zr，杂质<0.2％)具有高的强度和优良的导电、导热性能，且抗软化温度高，耐磨性能好，广泛应用于电子元器件接插件、引线框架、高速铁路接触线、水冷结晶器等方面，是国民经济建设和国防军工发展的关键材料。
目前国内外Cu-Cr-Zr合金棒材的主要制备方法有：真空熔铸冷轧法、真空立式半连铸热加工开坯法、真空熔铸水封挤压法等。1)真空熔铸-冷轧法：该工艺装备投资小，适合于小批量、小规模生产，难以实现大盘重、长尺度Cu-Cr-Zr合金棒材连续大规模生产，且所制备铸锭内部易产生成分偏析、组织疏松等铸造缺陷，难以在后续冷加工中彻底消除，导致产品性能较差[张进东等，接触线用Cu-Cr-Zr合金制备工艺，中国发明专利，CN 100587091 C，2010-02-03]。2)真空立式半连铸-热加工开坯法：真空半连续铸造-热加工开坯是生产高性能Cu-Cr-Zr合金棒材的有效方法之一[米绪军等，一种铜铬锆系合金及其制备和加工方法，中国发明专利，CN 10171876 A，2010-06-02]。但在生产大盘重、长尺度棒材时，该方法需要大型真空熔炼炉和大型热加工设备，采用热加工开坯能耗高、金属烧损大，且热加工开坯后需表面酸洗，工艺流程长，环境负担大。3)真空熔铸-水封挤压法：该方法的特点是将挤压成形和固溶淬火两道工序合二为一，可缩短Cu-Cr-Zr合金棒材的生产流程。但在生产大盘重、长尺度棒材时，该方法同样需要大型真空熔炼炉和大型水封挤压设备，投资高，能耗大，工艺控制难度大[刘关强.铜-铬-锆合金(C18150)棒材新工艺的研究，有色金属加工，2011，40(2):8-9.]。
考虑产品性能(强度＞500MPa，导电率＞70％IACS)和超长尺度线材(如高铁接触线要求＞1500m)连续化生产的要求，现有Cu-Cr-Zr合金棒材生产方法存在需要真空熔炼设备、铸造质量差、单根棒材长度/重量受限制、工艺流程长、生产成本高等问题，难以高效低成本连续生产高性能、长尺度Cu-Cr-Zr合金棒材。上述制备方法存在问题的根源是Cu-Cr-Zr合金真空熔炼、普通铸造或半连续铸造质量差、可加工棒材长度受限等问题。因此，开发一种基于非真空熔炼的大盘重、长尺度高质量Cu-Cr-Zr合金高效连续铸造工艺具有重要意义。
本专利申请人等前期针对白铜管材开发了一种热冷组合铸型水平连铸技术[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，CN101966564 A，2010-10-09]，其原理是在传统水冷结晶器连铸基础上，发明了一种采用加热段和冷却段组成的二段式热冷组合铸型进行连铸的工艺，铸型的加热段采用感应加热装置进行强制加热，冷却段采用水冷结晶器进行强制冷却，由此在管坯凝固界面附近建立起超高的轴向温度梯度，获得高轴向取向的柱状晶组织。该工艺的优点是：(1)连铸管坯组织致密且具有高轴向取向的柱状晶组织，具有优良的冷加工性能，有利于室温轧制、拉拔等后续加工；(2)管坯内外表面质量优良，无橘皮、褶皱、裂纹等缺陷，不需内外表面铣面等处理可直接用于后续冷加工；(3)可获得较大的拉铸速度，可实现大直径薄壁管坯的水平连铸。该发明工艺为铜合金管材高效生产提供了崭新的途径。然而，上述发明工艺难以直接应用于含有易氧化，易偏析合金元素的铜合金棒材的连铸。
为此，本发明开发了一种适合于含有易氧化、易偏析元素的高强高导Cu-Cr-Zr合金大盘重、长尺度棒材的非真空熔炼水平连铸生产工艺。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于非真空熔炼和热冷组合铸型水平连铸的生产工艺，用于含有易氧化、易偏析元素的高性能Cu-Cr-Zr合金，进而实现大盘重、长尺度高强高导Cu-Cr-Zr合金棒材的高质量连铸。
本发明的技术方案为：
用于Cu-Cr-Zr合金的连铸装置包括熔化金属的熔炼系统(非真空)，金属液保温系统，水平连铸系统和辅助系统构成。其中，所述水平连铸系统包括石墨铸型、加热装置(感应加热)、冷却装置(循环水冷结晶器)、水平牵引机构(含引锭杆)、喷水二次冷却装置等，其特点为：(1)所述石墨铸型内部添加BN或Al2O3涂层，以防止Cu-Cr-Zr合金熔体或凝固后仍处于高温状态的合金棒材与石墨发生反应；(2)所述石墨铸型装配在加热装置和循环水冷结晶器内，一端与保温系统出口处连接。
一种Cu-Cr-Zr合金的短流程水平连铸工艺具体包括以下步骤：
(1)将含0.1wt％～1.4wt％Cr，0.02wt％～0.20wt％Zr，杂质<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔炼炉中，加热至1200～1450℃熔化，根据需要，可在熔炼系统内通氩气保护、添加覆盖剂和精炼剂；
(2)对石墨铸型内表面施加BN或Al2O3涂层；
(3)启动铸型加热装置和冷却装置，将铸型加热段加热到1150～1300℃，水冷结晶器的冷却水流量为200～2000L/h；
(4)提起塞棒，将熔化的金属液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔化系统继续熔炼Cu-Cr-Zr合金；
(5)保温炉的温度设定为1200～1400℃，静置0.1～1h；
(6)启动水平牵引机构和铸型出口处的喷水二次冷却装置(水流量：100～1000L/h)，以拉铸速度为20～500mm/min进行连铸，获得大盘重、长尺度、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
本发明的优点：
(1)采用本发明提出的水平连铸生产工艺，在非真空熔化炉中采用气氛保护、添加覆盖剂和精炼剂等措施既可有效地解决Cu-Cr-Zr熔体易氧化的问题，又可突破常规真空熔炼带来的设备造价高、熔炼能力受限问题；
(2)采用热冷组合铸型连铸方式，可在凝固界面附近建立超高温度梯度和较高的冷却速率，有效解决Cu-Cr-Zr合金凝固过程成分偏析问题，提高了Cu-Cr-Zr合金连铸棒材的成分稳定性和均匀性；
(3)采用本发明提出的在石墨铸型内表面涂BN或Al2O3的方式，解决了Cu-Cr-Zr合金熔体或凝固后仍处于高温状态的合金棒材与石墨铸型发生反应的问题；
(4)采用本发明提出的水平连铸工艺生产Cu-Cr-Zr合金棒材，有利于合金熔体中的夹杂物和凝固析出气体排入液相，提高棒材组织致密性；有利于获得强轴向取向柱状晶组织提高合金棒材后续冷加工性能；
(5)采用本发明提出的水平连铸工艺制备Cu-Cr-Zr合金棒材可以通过调节拉铸速度控制合金凝固固液界面位于加热段和冷却段之间的过渡段中，有效减少合金凝固时凝壳长度和凝壳与铸型之间的摩擦力，改善棒材的表面质量，且可实现大盘重、长尺度Cu-Cr-Zr合金棒材的高效制备。
附图说明：
图1为本发明提出的高强高导Cu-Cr-Zr合金棒材的水平连铸设备的结构示意图。
图1中的标记说明：1-熔炼炉；2、5、9-为热电偶；3-塞棒；4-覆盖剂和精炼剂；6-保温炉；7-导流管；8-感应加热装置；10-循环水冷结晶器；11-Cu-Cr-Zr合金棒坯；12-水平牵引机构；13-Cu-Cr-Zr合金液；14-带内涂层的石墨铸型；15-喷水二次冷却装置；I-加热段；II-冷却段
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出的水平连铸设备由熔炼系统(1、3、4)、保温系统(6)和水平连铸系统(8、10、12、14、15)和辅助系统(2、5、9)等构成。熔炼系统的功能是将满足成分配比要求的合金快速熔化，并为保温系统提供合金熔体；保温系统的功能是将熔炼系统提供的合金熔体进行防氧化、静置、除气、除渣，并为水平连铸系统提供要求温度的熔体；水平连铸系统的功能是将保温炉内金属液通过控制凝固铸造成形所需尺寸的棒材，并实现连续铸造；辅助系统为整个系统参数检测和保存相关数据。
本发明提出的水平连铸基本原理如下：合金在熔炼炉(1)中熔化并静置后，拔出塞棒(3)后经导流管(7)进入保温炉(6)中保温；当保温炉的温度与加热段的温度达到设定值后，开启水平牵引机构(12)进行棒材连铸成形。实验时，可通过调整熔体温度、加热段温度、冷却段冷却水流量和拉铸速度等，控制棒材的表面质量与组织性能。
实施例1：直径Φ30mm Cu-1.0％Cr-0.16％Zr合金棒材的连铸成形
(1)将含1.0wt％Cr，0.16％Zr，杂质<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔炼炉中，加热至1350℃熔化，在熔炼系统内通氩气保护；
(2)对石墨铸型内表面施加Al2O3涂层；
(3)启动铸型加热装置和冷却装置，将铸型加热段加热到1300℃，水冷结晶器的冷却水流量为600L/h；
(4)提起塞棒，将熔化的金属液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼Cu-Cr-Zr合金；
(5)保温炉的温度设定为1300℃，静置0.6h；
(6)启动水平牵引机构和铸型出口处的喷水二次冷却装置(水流量300L/h)，以拉铸速度为200mm/min进行连铸，获得直径30mm、长尺度、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
实施例2：直径Φ50mm Cu-0.5％Cr-0.08％Zr合金棒材的连铸成形
(1)将含0.5wt％的Cr，0.08wt％的Zr，杂质<0.2％的Cu-Cr-Zr合金加入熔炼炉中，加热至1300℃熔化，添加覆盖剂和精炼剂；
(2)对石墨铸型内表面施加Al2O3涂层；
(3)启动铸型加热装置和冷却装置，将铸型加热段加热到1250℃，水冷结晶器的冷却水流量为800L/h；
(4)提起塞棒，将熔化的金属液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼Cu-Cr-Zr合金；
(5)保温炉的温度设定为1250℃，静置0.4h；
(6)启动水平牵引机构和铸型出口处的喷水二次冷却装置(水流量：500L/h)，以拉铸速度为80mm/min进行连铸，获得直径50mm、长尺度、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。
实施例3：直径Φ80mm Cu-0.2％Cr-0.04％Zr合金棒材的连铸成形
(1)将含0.2wt％Cr，0.04wt％Zr，杂质<0.2％的Cu-Cr-Zr合金放入熔炼炉中，加热至1250℃熔化，添加覆盖剂和精炼剂；
(2)对石墨铸型内表面施加BN涂层；
(3)启动铸型加热装置和冷却装置，将铸型加热段加热到1200℃，水冷结晶器的冷却水流量为1000L/h；
(4)提起塞棒，将熔化的金属液通过导流管转入保温炉中，关闭塞棒，熔炼系统继续熔炼Cu-Cr-Zr合金；
(5)保温炉的温度设定为1200℃，静置0.5h；
(6)启动水平牵引机构和铸型出口处的喷水二次冷却装置(水流量：800L/h)，以拉铸速度为50mm/min进行连铸，获得直径80mm、长尺度、具有强轴向取向柱状晶组织的高性能Cu-Cr-Zr合金棒材。