一种Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧方法及铸轧设备与流程

本发明属于有色金属薄带材的成型加工领域，尤其涉及一种高性能铜合金板带铸轧加工方法及其铸轧设备。

背景技术：

铜合金是电子、电力等行业工程应用的主要金属结构材料，在国防军事、电子通信技术等重要领域发挥了巨大的作用，并且随着电子、电力等行业的迅猛发展，行业需求大量的高强高导铜合金板带产品。Cu-Ni-Si系合金是一种较为典型的时效强化型合金，兼具高强度和高导电的特性，已逐渐成为高强度高电导率铜合金研究的焦点。

目前Cu-Ni-Si系合金板带毛坯的传统生产方法如下：配料及熔炼→半连续铸造“扁锭”→锯切成段→加热→热轧→固溶处理等工序。显然这种技术方法工序复杂，制备需要多次加热，对材料烧损比较大，能源消耗也比较大，生产效率比较低。

此外，这种传统工艺在生产异性截面的铜合金板带材时，还需要在原有的工艺基础上，添加模锻或者挤压等成型工艺，使得加工流程变得更加繁琐，不仅生产效率低，而且容易造成变形组织不均匀和变形微裂纹等缺陷。

因此，为了满足行业对高强度和高导电Cu-Ni-Si系铜合金的需求，亟需设计开发高效短流程的Cu-Ni-Si系合金成形新技术。

双辊连续铸轧是短流程金净成型的一种技术，该技术将连铸与轧制联系在一起，能够将材料从液体直接铸成厚为1-10mm厚的薄带，简化生产流程，提高生产效率。

目前该技术在铝合金加工中已经有广泛的应用。但是由于现有的双辊连续铸轧技术往往是直接在大气条件进行，如果直接将该技术用于Cu-Ni-Si系合金板带材将会出现如下问题：首先在大气环境下，Cu-Ni-Si系合金熔炼和铸轧过程容易发生氧化，轧制过程中氧化物夹杂将作为裂纹源导致轧制过程中开裂；其次，大气条件下获得的Cu-Ni-Si系铸轧板坯容易出现多种氧化物夹杂，将显著降低Cu-Ni-Si系铜合金的导电性和强度等综合性能指标。此外，Cu-Ni-Si系合金在平衡凝固过程条件下将有Ni2Si析出相，如果铸轧和后续冷却过程冷速缓慢，将会有的粗大的Ni2Si析出，对Cu-Ni-Si合金铸轧板坯的性能指标产生不利影响。

技术实现要素：

本发明克服现有技术的不足，提供一种Cu-Ni-Si-Mg铜合金板带铸轧设备及铸轧方法，该方法在真空条件下完成铜合金的铸轧以及快冷，这样既能通过铸轧工艺从而实现了高性能铜合金的短流程制造，提高了生产效率。同时，由于在真空下完成铜合金的铸轧，避免了铸轧过程氧化导致的铸轧开裂和铜合金性能减低的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧方法，包括以下步骤。

1）按照质量比Cu：Ni：Si：Mg=94-97：2-5：0.5-0.8：0.07-0.14，称取阴极纯铜、工业纯镍、工业纯硅、工业纯镁。

2）将阴极纯铜和工业纯镍放入熔炼坩埚，设备内真空度＜0.1Pa，加热至1250-1280℃，进行熔炼，熔炼完成后，将工业纯硅、工业纯镁加入到熔体内部，充分熔炼搅拌，获得Cu-Ni-Si-Mg合金熔体。

3）熔炼后，提升塞棒将Cu-Ni-Si-Mg合金熔液经布流器浇注到铸轧机中进行铸轧，铸轧板坯由铸轧辊出口位置的红外测温仪测温，并将温度反馈到铸轧控制系统，根据测定的温度由控制系统同步调节铸轧辊辊速。

4）轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯经过快速冷却；即获得Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带，打磨清洗后晾干得到成品。

优选的，按照原料质量比Cu：Ni：Si：Mg=96.2：3.0：0.7：0.1准备原材料。

优选的，熔炼后，提升塞棒将Cu-Ni-Si-Mg合金熔液经布流器浇注到铸轧机中铸轧成厚度2-5mm的薄板带。

优选的，铸轧前对布流器和侧封板进行预热，预热温度分别是800℃、400℃。

优选的，在铸轧前，对左轧辊和右铸轧辊的辊面均匀喷涂上石墨乳，然后用火焰喷涂烘烤，烘烤温度400℃，烘烤时间4h。

轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯由四周的高压喷嘴喷入高纯惰性气体快速冷却。

优选的轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯由四周的高压喷嘴喷入N2气体快速冷却。

一种Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧设备，熔炼铸轧机分别与真空系统和铸轧控制系统相连接，所述的熔炼铸轧机的上部设置有熔炼坩埚，所述的熔炼坩埚的顶部设置有加料仓，所述的熔炼坩埚壁上设有坩埚加热器，所述的熔炼坩埚内部中间设置有塞棒，所述的熔炼坩埚下部连接有布流器，所述的布流器下部连接有侧封板，所述的布流器的两侧分别设置有左轧辊和右轧辊，所述的左轧辊和右轧辊内部设置有封闭循环水路，封闭循环水路与冷却水管路连接，所述的右轧辊连接有辊缝间距控制液压装置，所述的左轧辊和右轧辊下部设置红外测温仪，红外测温仪与铸轧控制系统连接。红外测温仪下方沿圆周方向设置有多组高压气体喷嘴、高压离心式风机和水冷热交换器，所述的水冷热交换器外接水冷热交换器循环冷却水，高压气体喷嘴与高纯惰性气体罐连接，并设置有阀门。

进一步，所述的左铸轧辊与右轧辊外表面沿圆周方向可设置有异型沟槽，形成异型截面的孔型。

进一步，所述的左轧辊、右轧辊、辊缝间距控制液压装置均设置有橡胶密封圈型形式的旋转轴密封系统。

本发明与现有技术相比具有如下列有益效果。

1）本发明是在真空条件下完成铸轧，实现了直接将液态金属到板材的成型过程，简化生产工序，缩短生产周期，显著提高Cu-Ni-Si-Mg合金板带薄板材的生产效率。

2）本发明通过铸轧后快速冷却的方法有效抑制铸轧Cu-Ni-Si-Mg合金板带在传统冷却过程中Ni2Si析出相的析出，制备的Cu-Ni-Si-Mg合金板带带金相组织为细小等轴晶组织，不存在铸态发达枝晶组织，铸轧快冷后得到α-Cu基体。

3）本发明既防止氧化造成的铸轧开裂，又减少铸轧过程中Cu-Ni-Si-Mg合金板带的氧化，减少铣面扒皮量，是一种新型的生产高性能Cu-Ni-Si-Mg合金薄板的成形的加工技术。

4）通过异型截面铸轧辊配合，可实现异性截面的铜合金板材制备，丰富了Cu-Ni-Si-Mg合金板带的加工方法。

附图说明

图1为本发明Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧设备的结构示意图。

图2为本发明铸轧矩形截面Cu-Ni-Si-Mg合金板带材截面图。

图3为本发明铸轧Cu-Ni-Si-Mg合金带材沿成型方向截面金相组织形貌图。

图4为本发明铸轧Cu-Ni-Si-Mg合金带材X射线衍射强度图谱。

图5为异型“工字”截面产品辊型示意图。

图6为异型“齿状”截面产品辊型示意图。

其中，1为熔炼铸轧机，2为熔炼坩埚，3为加料仓，4为Cu-Ni-Si-Mg合金熔体，5为坩埚加热器，6为塞棒，7为布流器，8为侧封板，9为左轧辊，10为右轧辊，11为辊缝间距控制液压装置，12为红外测温仪，13为高压气体喷嘴，14为高压离心式风机，15为Cu-Ni-Si-Mg合金板带，16为惰性气体罐，17为阀门，18为水冷热交换器，19为真空系统，20为铸轧控制系统，21为铸轧辊冷却水管路。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图1所示，Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧设备，熔炼铸轧机1为立式，熔炼铸轧机1分别与真空系统19和铸轧控制系统20相连接，熔炼铸轧机1的上部设置有熔炼坩埚2，熔炼坩埚2的顶部设置有加料仓3，熔炼坩埚2内为Cu-Ni-Si-Mg合金熔体4，熔炼坩埚2壁上设有坩埚加热器5，熔炼坩埚2内部中间设置有塞棒6，熔炼坩埚2下部连接有布流器7，布流器7下部连接有侧封板8，布流器7的两侧分别设置有左轧辊9和右轧辊10，左轧辊9和右轧辊10内部设置有封闭循环水路，封闭循环水路与冷却水管路21连接，右轧辊10连接有辊缝间距控制液压装置11，左轧辊9和右轧辊10下部设置红外测温仪12，红外测温仪12与铸轧控制系统20连接，红外测温仪12下方沿圆周方向设置有多组高压气体喷嘴13、高压离心式风机14和水冷热交换器18，水冷热交换器18外接水冷热交换器循环冷却水，高压气体喷嘴13与高纯惰性气体罐16连接，并设置有阀门17，通过阀门17控制高压气体喷嘴气体流量与流速。

如图5、6所示，左铸轧辊9与右轧辊10外表面沿圆周方向另外还设置有 “工字”或“齿状”异型沟槽，形成异型截面的孔型。

左轧辊9、右轧辊10、辊缝间距控制液压装置11均设置有橡胶密封圈型形式的旋转轴密封系统。

具体工作过程为：真空系统19抽真空后，熔炼获得Cu-Ni-Si-Mg合金熔体4，Cu-Ni-Si-Mg合金熔体4，经过布流器7内进入侧封板8、左轧辊9和右轧辊10之间，铸轧形成Cu-Ni-Si-Mg合金板带15。由红外测温仪12测量铸轧Cu-Ni-Si-Mg合金板带15温度，根据测温反馈铸轧控制系统20，由铸轧控制系统20同步调节左轧辊9和右铸轧辊10辊速。铸轧结束后，由高压气体喷嘴13对铸轧形成的Cu-Ni-Si-Mg合金板带15进行冷却，由高压气体喷嘴13与高纯惰性气体罐16之间的阀门17控制高压气体喷嘴气体流量与流速，由高压离心式风机14加速熔炼铸轧机1内惰性气体对流，由水冷热交换器18降低熔炼铸轧机1内惰性气体的温度。

实施例1

一种Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧方法，包括以下步骤。

1）按照质量比Cu：Ni：Si：Mg=94：2：0.5：0.07，称取阴极纯铜、工业纯镍、工业纯硅、工业纯镁。

2）将阴极纯铜和工业纯镍放入熔炼坩埚2，设备内真空度＜0.1Pa，加热至1250℃，进行熔炼，熔炼完成后，将工业纯硅、工业纯镁加入到熔体内部，充分熔炼搅拌，获得Cu-Ni-Si-Mg合金熔体。

3）熔炼后，提升塞棒6将Cu-Ni-Si-Mg合金熔液4经布流器7浇注到铸轧机中进行铸轧，实施过程中左铸轧辊9和右铸轧辊10的轧辊配合如图5所示，生产异型“工字”截面铸轧板带，铸轧板带厚度2mm；铸轧板坯由铸轧辊出口位置的红外测温仪12测温，并将温度反馈到铸轧控制系统20，根据测定的温度由控制系统同步调节铸轧辊辊速达到10-30m/min。

4）轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯由四周的高压喷嘴喷入高纯N2快速冷却，气体压力是0.4Mpa时，冷却速度为2℃/s；即获得Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带，将轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板带置于平板上，用400目砂纸打磨正反面及周边，待其光整；然后用无水乙醇清洗铸件正反表面及周边，使其洁净，清洗后晾干。

实施例2

一种Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧方法，包括以下步骤。

1）按照质量比Cu：Ni：Si：Mg=97：5：0.8：0.14，称取阴极纯铜、工业纯镍、工业纯硅、工业纯镁。

2）将阴极纯铜和工业纯镍放入熔炼坩埚2，设备内真空度＜0.1Pa，加热至1280℃，进行熔炼，熔炼完成后，将工业纯硅、工业纯镁加入到熔体内部，充分熔炼搅拌，获得Cu-Ni-Si-Mg合金熔体。

3）熔炼后，提升塞棒6将Cu-Ni-Si-Mg合金熔液4经布流器7浇注到铸轧机中进行铸轧，实施过程中左铸轧辊9和右铸轧辊10的轧辊配合如图6所示，生产异型“齿状”截面铸轧板带，铸轧板带厚度3mm；铸轧板坯由铸轧辊出口位置的红外测温仪12测温，并将温度反馈到铸轧控制系统20，根据测定的温度由控制系统同步调节铸轧辊辊速达到10-30m/min。

4）轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯由四周的高压喷嘴喷入高纯氩气快速冷却，气体压力是0.1Mpa时，冷却速度为1℃/s；即获得Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带，打磨清洗后晾干得到成品。

实施例3

Cu-Ni-Si-Mg合金板带铸轧方法，包括以下步骤：

1）按照质量比Cu：Ni：Si：Mg=96.2：3.0：0.7：0.1，称取阴极纯铜、工业纯镍、工业纯硅、工业纯镁。

2）将阴极纯铜和工业纯镍放入熔炼坩埚2，设备内真空度＜0.1Pa，加热至1260℃，进行熔炼，熔炼完成后，将工业纯硅、工业纯镁加入到熔体内部，充分熔炼搅拌，获得Cu-Ni-Si-Mg合金熔体。

3）熔炼后，提升塞棒6将Cu-Ni-Si-Mg合金熔液4经布流器7浇注到铸轧机中进行铸轧，铸轧板带厚度5mm；铸轧板坯由铸轧辊出口位置的红外测温仪12测温，并将温度反馈到铸轧控制系统20，根据测定的温度由控制系统同步调节铸轧辊辊速达到10-30m/min。

4）轧制后的Cu-Ni-Si-Mg合金板坯由四周的高压喷嘴喷入高纯N2快速冷却，气体压力是0.4Mpa时，冷却速度为2℃/s；即获得Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带，打磨清洗后晾干得到成品。

对实施例3中制备的Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带进行检测、分析、表征。

如图3、4，用金相显微镜对Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带横截面进行微观组织分析。

用XRD衍射仪对Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带进行物相分析。

用维氏硬度计对Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带进行显微硬度分析。

用万能拉伸试验机对Cu-Ni-Si-Mg合金铸轧板带进行强度分析。

结论：经过铸轧Cu-Ni-Si-Mg合金板带组织为细小的等轴晶组织，且组织中不存在粗大Ni2Si析出相，Ni、Si等合金元素固溶到基体α-Cu中形成了过饱和固溶体，板带硬度达到90HV、抗拉强度为330Mpa、延伸率40%。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。