专利名称：一种铜合金板带水平连铸用施加超声场的装置及其方法
技术领域：
本发明属于有色金属材料制备技术领域，特别涉及到铜合金板带坯的水平连铸生
产工艺。
背景技术：
锡磷青铜(Cu-Sn-P)具有良好的力学性能，优良的弹性，耐磨、抗蚀、抗磁，容易进行钎焊、电镀，以及良好的加工性能，是目前应用最广泛、最重要、最经济的弹性铜合金材料。在电子、电气设备中被广泛用于制作各种接插件、连接件、继电器、接触器、导线端子、触头、和弹簧等元器件。
当前锡磷青铜带材生产工艺通常采用水平连铸获取大卷重带坯，经均匀化退火后铣面，再用大加工率冷轧开坯，用冷轧和退火的方式生产。然而铸坯质量不高影响了后续加工的铜合金板带质量和成材率，主要表现为板带的铸态组织为粗大的树枝晶，Sn、P元素在晶间发生了极大的偏析，同时在枝晶间还形成疏松及有害杂质，前者导致了表面形成δ相(Cu31Sn8),这种脆硬相热塑性极差，不利于轧制，在后续轧制过程中易产生裂纹；而铸态组织中的缩松及夹杂也必然成为裂纹源，轧制到成品时会出现明显的裂纹、起皮等废品。质量不高的铸坯引起的这些缺点不仅难符合现代工业所需的高性能、高质量的产品要求，同时加大了生产成本。如锡磷青铜带在生产过程中为了消除偏析，铸坯加工前需要进行的均匀化退火在670 690° C下长达7 9小时，既延长了生产周期，又消耗了能源，增加成本。因此如何使铸态疏松减至最轻、抑制凝固过程中的Sn的反偏析，获得组织均匀、表面反偏析小、内应力小的高质量铸坯，有着极重要的经济意义。工程上改善铸坯组织、减轻反偏析的方法目前研发的有两种(1)快速凝固的双辊连续铸轧技术，利用较高的冷却速度抑制了溶质元素在合金非平衡凝固过程中的偏析，同时轧制的压力能够形成细小均匀的晶粒组织；(2)在合金凝固过程中进行搅拌，如连铸工艺中电磁搅拌的应用，利用搅拌带来的溶质和温度的均布，以及液相中悬浮晶核的形成，在合金凝固过程中改善溶质元素的偏析状况。连续铸轧的技术难点主要是金属液流在进入轧辊前的控制和轧辊对金属液冷却能力的反馈和调整；而电磁搅拌已经在连铸生产中得到广泛的应用，但是由于板带铸坯的形状抑制了电磁力的搅拌效果，如专利号为200510047193. 7的一种铜合金板带的水平电磁连续铸造方法和装置，采用了行波磁场施加在结晶器的上下两面来改善铜合金板坯的凝固组织，基于上述板带坯的连铸特点和较快的冷却速度，板坯的凝固组织得到细化，但是Sn、P的反偏析程度改善不是很理想，因此需要在生产中进行进一步技术改造。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的在于提供一种铜合金板带水平连铸用施加超声场的结晶器装置和方法，是在不改变原有设备整体和加工流程的条件下，应用了功率超声外场改性技术来提高铸坯质量的装置和方法。
本发明的技术方案是通过以下方式实现的—种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，包括石墨结晶器、中间包、超声波发生器和矩形辐射板、所述的石墨结晶器设置在分隔为上水冷套和下水冷套的水冷套中，水冷套内注满水，形成冷却系统，石墨结晶器下部设有一通道，与中间包的金属液出水口连接，供铸坯出料，石墨结晶器上设有矩形辐射板和一台超声波发生器，其特征在于所述的矩形辐射板与超声波发生器通过波导杆螺纹连接，与石墨结晶器通过双阶式连接。所述的矩形辐射板的上面设有一圆柱台，其上开有螺孔，超声波发生器上的波导杆旋入螺孔中，实现螺纹连接。所述的矩形辐射板与石墨结晶器的连接是矩形辐射板的下面设有凸台，呈梯形状，与石墨结晶器上开有的凹槽相对应，实现双阶式配合。所述的矩形辐射板采用奥氏体不锈钢材质。所述的超声波发生器的功率为2 5Kw，频率在20KHz。一种铜合金板带水平连铸用施加超声场的方法，包括以下步骤I)、铸坯的拉坯加温中间包中的熔融铜合金液的温度至1120 1150° C时，水冷套内的冷却系统启动，取进水口温度25 30° C，水压O. 8MPa，接通超声发生器电源开始工作，牵引机牵引铸还拉还速度150 180mm/min,引拉工艺采用停-反推-拉-停，其中引拉长度为10 15mm，停顿为2 3秒，反推1. O 2. Omm ;连续生产形成板带铸坯；2)质量检测截取一段板带，取样打磨抛光后采用电子显微镜观察其断面微观组织，并进行拉伸试验，力学性能测试结果硬度为HB74-80，抗拉强度为350±10MPa、屈服强度为184±15MPa和伸长率为54±6%。3)均匀化退火处理带坯表面两侧铣去各O.1 O. 3mm后将板带铸坯放入罩式加热炉中在670 690° C下进行退火热处理,炉内还原性退火气氛成分为1 5%的氢气，其余为氮气；退火时间为3小时。4)、热处理后的板带铸坯经过初轧、中轧和精扎后形成带卷。本发明，采用双阶式矩形辐射板换和石墨结晶器的结合，实现了功率超声波在金属液中二维平面式的均匀传播，在不改变原有工艺布置的情况下改善连铸生产的板坯内外质量；使获得的铸坯凝固组织为均匀细小的等轴晶组织，同时铸坯表面振动痕平滑，因此降低铣削量，提高成材率，同时细小的等轴晶组织大大减少均匀化退火时间，由传统工艺中的7 9小时均匀化退火时间降为3小时。
图1是本发明的装置结构示意图。图2为图1中的A-A剖面图。图3为结晶器和矩形辐射板的装配图。图中1-中间包；2_金属液；3_超声波发生器；4_上冷却水套；5_矩形辐射板，6-石墨结晶器；7_板带铸坯；8_下冷却水套。
具体实施例方式一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，由石墨结晶器6、中间包1、超声波发生器3、矩形辐射板5和上下水冷套4、8组成，石墨结晶器6设置在分隔为上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套内注满水，形成冷却系统，石墨结晶器6下部设有一通道，与中间包I的金属液出水口连接，供铸坯出料，石墨结晶器6上设有矩形辐射板5和一台超声波发生器3，矩形辐射板5的上面设有一圆柱台，其上开有螺孔，超声波发生器3上的波导杆旋入螺孔中，实现螺纹连接。矩形辐射板5与石墨结晶器6的连接是矩形辐射板5的下面设有凸台，呈梯形状，与石墨结晶器6上开有的凹槽相对应，实现双阶式配合。一种铜合金板带水平连铸用施加超声场的方法，包括以下步骤1、铸坯的拉坯加温中间包中的熔融铜合金液的温度至1120 1150° C时，水冷套内的冷却系统启动，取进水口温度25 30° C，水压O. 8MPa，接通超声发生器电源开始工作，牵引机牵引拉还拉还速度150 180mm/min,引拉工艺采用停_反推-拉-停，其中引拉长度为10 15mm，停顿为2 3秒，反推1. O 2. Omm ;连续生产形成板带铸坯7 ；2)质量检测截取一段板带，取样打磨抛光后采用电子显微镜观察其断面微观组织，并进行拉伸试验，力学性能测试结果硬度为HB74-80，抗拉强度为350±10MPa、屈服强度为184±15MPa和伸长率为54±6%。3)均匀化退火处理带坯表面两侧铣去各O.1 O. 3mm后将板带铸坯放入罩式加热炉中在670 690° C下进行退火热处理,炉内还原性退火气氛成分为1 5%的氢气，其余为氮气；退火时间为3小时。4)、退火热处理后的板带铸坯经过初轧、中轧和精扎后形成带卷。实施例1:QSn6. 5-0.1锡磷青铜水平连铸薄板带的规格为16mmX430mm,石墨结晶器6上侧板厚为40mm,其余板厚均为15mm,矩形福射板5厚度为25mm,尺寸为400mmX 500mm,材质为奥氏体不锈钢，采用整板机械加工成形，与石墨结晶器上侧板面镶嵌结合，保证与冷却水套平面接触。超声波发生器3的频率为20000HZ，功率为10KW，通过波导杆和连接螺杆与矩形辐射板结合在一起；其中超声波波导杆安装在柔性支撑上，并设置弹性垫圈。施加超声场的石墨结晶器连同冷却系统安装到中间包I的金属液出水口上，同时安装连接超声发生器的控制电源，并安装循环水冷却系统。操作过程如下在中间包I中的熔融铜合金液的温度为1120 1150° C时，一冷水系统启动，接通超声波发生器3电源开始工作，牵引机拉坯板带铸坯7，观察铸坯表面的氧化色和振动痕，调整拉坯速度，在振动痕均匀后，保持这一稳定状态持续拉坯，并根据情况调配二冷水系统，对结晶器出口的铸坯进行二次冷却，确保铸坯的拉坯过程的连续稳定。质量检测(I)观察铸坯的表面质量，包括氧化程度，裂纹和夹杂，以及振痕的深度和宽度。( 2 )铸坯内部质量检测截取一段板带，取样打磨抛光后采用电子显微镜观察其断面微观组织，包括晶粒大小和形貌以及夹杂物的形貌和分布等。同时利用电子探针或扫描电镜检测Sn在截面厚度方向含量的分布。(3)力学性能测试采用布氏硬度计测试其表面硬度，并采用万能电子拉伸设备测试其抗拉强度、屈服强度和伸长率及断面收缩率。(4)对铸坯两侧铣除各O.1 O. 3mm后进行后续均匀化退火处理将卷板坯放入罩式加热炉中670 690° C下进行均匀化退火热处理，热处理时间3小时。
热处理后的板坯取样后分别进行上述(2)和(3)步骤，分析内部质量和S η的分布情况，以及退火处理后的力学性能。针对锡磷青铜水平连铸板坯内存在的树枝状粗大组织、缩松严重、反偏析程度高的缺点，应用功率超声的声空化和声流作用对锡磷青铜金属液进行高效形核和除气净化，同时超声振动促进了游离晶核的生产和分布均匀化，实现结晶器中的铸坯是在金属浆料温度较低、游离晶核密度高的情况下凝固成形，薄板坯在凝固过程中，密度高的游离晶核存在和较快的冷却速度大大抑制了在粗大柱状晶形成过程中Sn、P等元素的偏析，因而形成内部晶粒细小、负偏析程度较小、外表相对光滑的高质量板带。本发明采用矩形辐射板双阶式换能器将功率超声导入到结晶器内的金属液中，超声波以二维平面辐射行径在金属液中均匀传播，实现超声场在不破坏结晶器结构条件下传递到金属液中，并且可控性大面积的将超声能量转化为动能、物理和化学效应，从而获取化学成分均匀，凝固组织细化的板带铸坯；同时频率超过上万赫兹结晶器的振动对改善铸坯的拉坯条件和铸坯表面质量有着很大的提闻。
使用方法和原理如下在中间包中铜合金液的温度在1120 1180° C时牵引机开始拉坯，冷却系统提前工作，随即超声波发生器工作。频率为20000ΗΖ的超声波由换能器通过波导杆和矩形辐射板导入金属液，在过冷合金液凝固过程中，由于超声的声空化和声流效应，在结晶器内表面附着形核并长大的晶粒脱落形成游离晶核，同时声流效应将过冷的金属液中数目众多的游离晶核均匀分散，并且金属液的温度分布趋于一致，从而在结晶器内腔的前半部形成了具有高密度晶核的半固态浆料，这种浆料在后续的凝固过程中，由于晶粒生长前沿温度场和溶质浓度分布的重叠效应，初生的晶核以稳态方式长大，从而形成等轴晶粒的凝固组织形貌。对于晶粒细化带来的反偏析改善原因如下，游离晶核的存在不仅改善了溶质元素的分布状态，同时阻碍了柱状晶的发展，消除富Sn的残余金属液流向铸坯表面的通道，从而改善了反偏析的程度。和超声波换能器矩形辐射板镶嵌在一起的石墨结晶器同时能够获得频率达到上万赫兹的振动，对铸坯脱模具有良好的润滑效果，从而保证了其表面质量。
权利要求
1.一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，包括石墨结晶器(6)、中间包(I)、超声波发生器3和矩形辐射板(5)、所述的石墨结晶器(6)设置在分隔为上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套内注满水，形成冷却系统，石墨结晶器(6)下部设有一通道，与中间包(I)的金属液出水口连接，供铸坯出料，石墨结晶器(6 )上设有矩形辐射板(5 )和一台超声波发生器(3)，其特征在于所述的矩形辐射板(5)与超声波发生器(3)通过波导杆螺纹连接、与石墨结晶器(6)通过双阶式连接。
2.根据权利要求1所述的一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，其特征在于 所述的矩形辐射板(5)的上面设有一圆柱台，其上开有螺孔，超声波发生器(3)上的波导杆旋入螺孔中，实现螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，其特征在于 所述的矩形辐射板(5)与石墨结晶器(6)的连接是矩形辐射板(5)的下面设有凸台，呈梯形状，与石墨结晶器(6)上开有的凹槽相对应，实现双阶式配合。
4.根据权利要求1所述的一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，其特征在于 所述的矩形辐射板(5)采用奥氏体不锈钢材质。
5.根据权利要求1所述的一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，其特征在于 所述的超声波发生器(3)的功率为2 5Kw，频率在20KHz。
6.一种根据权利要求1所述的铜合金板带水平连铸的方法，其特征在于包括以下步骤1)、铸坯的拉坯加温中间包中的熔融铜合金液的温度至1120 1150°C时，水冷套内的冷却系统启动，取进水口温度25 30° C，水压O. 8MPa，接通超声发生器电源开始工作，牵引机牵引铸还拉还速度150 180mm/min,引拉工艺采用停-反推-拉-停,其中引拉长度为10 15mm,停顿为2 3秒,反推1. O 2. Omm ;连续生产形成板带铸还；2)、质量检测截取一段板带，取样打磨抛光后采用电子显微镜观察其断面微观组织， 并进行拉伸试验，力学性能测试结果硬度为HB74-80，抗拉强度为350±10MPa、屈服强度为184±15MPa和伸长率为54±6% ;3)、均匀化退火处理带坯表面两侧铣去各O.1 O. 3_后将板带铸坯放入罩式加热炉中在670 690° C下进行退火热处理,炉内还原性退火气氛成分为1 5%的氢气,其余为氮气；退火时间为3小时；4)、退火处理后的板带铸坯经过初轧、中轧和精轧后形成带卷。
全文摘要
一种铜合金板带水平连铸用施加超声场装置，包括石墨结晶器(6)、中间包(1)、超声波发生器3和矩形辐射板(5)、所述的石墨结晶器(6)设置在分隔为上水冷套4和下水冷套8的水冷套中，水冷套内注满水，形成冷却系统，其特征在于所述的矩形辐射板(5)与超声波发生器(3)通过波导杆螺纹连接、与石墨结晶器(6)通过双阶式连接。本发明，实现了功率超声波在金属液中二维平面式的均匀传播，同时铸坯表面振动痕平滑，降低了铣削量，提高成材率，细小的等轴晶组织大大减少均匀化退火时间，由传统工艺中的7～9小时均匀化退火时间降为3小时。
文档编号B22D11/045GK102990026SQ20121017631
公开日2013年3月27日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者张小立, 卢冶, 凌向军, 金学云 申请人:江苏科技大学