本发明涉及铜合金技术领域，且特别涉及一种用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材及其加工方法。
背景技术
随着连铸的发展，连铸用的结晶器铜板坯料材质有：cuag、cucr、cucrzr等，是结晶器铜板坯料的主要材质，各有优缺点，但这些材质在用于电磁搅拌的环境中，屏蔽作用大，磁阻都比较大，电磁透过结晶器铜板的能力较弱，结晶器内部的钢液得到的搅拌能力弱，形成的钢坯偏析较严重，得到的钢材力学性能不够高，不能得到优质钢材。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电导率在45-55％iacs范围内一种结晶器铜板材质，同时，强度不低于通常结晶器铜板材质的强度。该结晶器铜板材质既能保证强度、具有良好的导热性、同时具备较小的磁阻，具有较强的电磁搅拌能力。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材，其包括以下化学成分：97.85-99.1wt％的cu、0.4-1.2wt％的cr、0.08-0.2wt％的zr、0.3-0.7wt％的al以及0.02-0.05wt％的mg。
上述cucrzral结晶器铜板母材以cucrzr结晶器铜板材质为基础，添加al元素，形成一种cucrzral材质，同时其中还包含脱氧元素mg。
本发明还提出一种上述用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的加工方法，包括以下步骤：
混合提供cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，然后进行真空熔炼、真空铸锭、热锻、固溶、冷作硬化以及时效处理。
本发明较佳实施例提供的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材及其加工方法的有益效果包括：
本发明较佳实施例提供的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中，cr和zr都可固溶于cu，溶解度都比较小，其中，cr最大固溶度为0.65％，zr的最大固溶度为0.15％，两元素在cu中的固溶度随温度下降而急剧减少，铜中加入的cr和zr，经高温淬火形成亚稳态过饱和固溶体，再通过时效处理，使过饱和固溶体发生分解，析出弥散分布的第二相，均匀分布于基体上，均布的质点对位错移动产生很大阻力，而使合金强化。这种强化，添加的合金少，强化作用大，同时，电导率和热导率下降小。
al的加入可使电导率下降较快，减小屏蔽效应，增加结晶器内部液态金属的电磁搅拌作用。综合的结果是，既能保证结晶器铜板的强度，又能保证一定的导热能力，同时保证结晶器的电磁搅拌效果。
mg的加入，主要起到对液态金属的脱氧作用、造渣作用、细化晶粒作用。其在真空条件下能够防止氧化，避免消耗过多的脱氧剂。
本发明较佳实施例提供的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材既能保证结晶器铜板所需的机械性能，热导率下降的不多，满足热交换，又满足连铸对电磁搅拌的要求。其加工方法简单便捷，易于生产。经该方法生产出的材料既能保证强度、具有良好的导热性、同时具备较小的磁阻，具有较强的电磁搅拌能力。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材及其加工方法进行具体说明。
本发明实施例所提供的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材，其主要包括以下化学成分：97.85-99.1wt％的cu、0.4-1.2wt％的cr、0.08-0.2wt％的zr、0.3-0.7wt％的al以及0.02-0.05wt％的mg。
在一些优选的实施方式中，用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分例如可以包括：98.3-98.97wt％的cu、0.5-0.8wt％的cr、0.1-0.2wt％的zr、0.4-0.65wt％的al以及0.03-0.05wt％的mg。
上述化学成分中，cr和zr都可固溶于cu，溶解度都比较小，其中，cr最大固溶度为0.65％，zr的最大固溶度为0.15％，两种元素在cu中的固溶度随温度下降而急剧减少。铜中加入的cr和zr，经高温淬火形成亚稳态过饱和固溶体，再通过时效处理，使过饱和固溶体发生分解，析出弥散分布的第二相，均匀分布于基体上，均布的质点对位错移动产生很大阻力，而使合金强化。这种强化，添加的合金少，强化作用大，同时，电导率和热导率下降小。
在化学成分中加入al，虽使铜板电导率下降，但却大大降低了结晶器铜板坯料的磁阻，增大了电磁透过结晶器铜板坯料的能力，使结晶器内部的钢液搅拌能力显著增强，连铸出的钢坯偏析现象得以很好消除。也即al的加入可使电导率下降较快，减小屏蔽效应，增加结晶器内部液态金属的电磁搅拌作用。综合的结果是，既能保证结晶器铜板的强度，又能保证一定的导热能力，同时保证结晶器的电磁搅拌效果。
进一步地，mg的加入，可对液态金属起到脱氧作用、造渣作用以及细化晶粒作用。
上述用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的抗拉强度、硬度和抗蠕变性能与铬锆铜相当，但是电导率的适当降低，有利于抑制高磁通量的衰减，适应钢厂电磁搅拌设备的生产需求。
由于现有技术中，在结晶器处安装电磁搅拌的主要困难在于结晶器铜质内壁有良好的热导性和电导性，当交变磁场穿过结晶壁时，在铜壁内产生很大的涡电流，加上磁场横穿铜壁时的阻尼损失，使电能效率很低。而本申请方案中用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材既具有满足导热性能和高温抗蠕变能力，又兼具电导率相对较低，从而能够增加磁力线的穿透能力，磁通量衰减较小，而且成本也较低，能够满足结晶器电磁搅拌系统的正常使用。通过结晶器内电磁搅拌形成的钢水流动，可使树枝晶中的非金属夹杂上浮到弯月面，上浮的非金属夹杂容易转移到保护渣中，被保护渣吸收。使钢坯皮下夹杂量减少，减少钢坯内部的夹杂量，起到净化钢水、去除非金属夹杂的作用。
可参考地，上述cucrzral结晶器铜板母材的加工方法，例如可以包括以下步骤：
混合提供cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，然后进行真空熔炼、真空铸锭、热锻、固溶、冷作硬化以及时效处理。
其中，真空熔炼以及真空铸锭的真空度均小于等于50pa。
在一些实施方式中，真空熔炼的真空度绝对压力可以为5-30pa。真空熔炼的温度可以为1350-1410℃。
在一些实施例方式中，真空铸锭过程中浇注时可进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力可以为-0.08mpa，真空铸锭的浇注温度可以为1250-1280℃。
通过上述的真空熔炼和真空浇注条件可以得到组织致密，性能稳定，耐磨性优良的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材。
在一些实施例方式中，热锻的始锻温度可以为900-920℃，终锻温度可以为600-650℃，热锻加热时间可以为2.5-3h。
较佳地，热锻过程中热锻变形方向例如可以按先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打。锻造变形量例如可以为25-30mm。
通过上述的热锻、终锻控温，以及热锻过程的变形方向，可以获得组织性能均匀的结晶器铜板母材。
在一些实施例方式中，固溶的温度可以为800-900℃，固溶的时间可以为1-2h。
通过上述的固溶处理可以使cr、zr等元素充分固溶于铜基体内，获得成分及性能均匀的结晶器铜板母材。
在一些实施例方式中，冷作硬化过程中冷作变形率可以为15-35％，单次下轧量例如可以为1-2mm。
通过上述的冷作硬化可获得较高硬度的结晶器铜板母材。
在一些实施例方式中，时效处理可以是于400-500℃的条件下处理3-5h。
通过时效处理可以使固溶于基体内的固溶体充分析出，从而获得强度和电导率较高的结晶器铜板母材。
值得说明的是，在固熔时，铜板冷却下水前，优选将冷却水温度控制在不超过30℃，铜板出炉到下水时间控制在1min内。
通过控制冷却水的水温和下水速度，可以使高温下固溶于基体内的合金，来不及析出，充分保留在基体内部，获得较饱和的固溶体保留至室温，起到固溶强化的效果。
经上述加工方法加工而得的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材具有包括如下的性能：力学性能达到：抗拉强度rm≥390n/mm2；屈服强度rp0.2≥275n/mm2；断面收缩率a≥20％；硬度hb≥100；软化温度≥450℃；45％iacs≤电导率≤55％iacs。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有98.36wt％的cu、1.0wt％的cr、0.1wt％的zr、0.5wt％的al以及0.04wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为5pa以及精炼温度为1410℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1250℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为900℃、终锻温度为600℃的条件下热锻。热锻过程中热锻变形方向按先拔长、再拔宽、然后保厚度的顺序进行锻打。
于830℃的条件下固溶120min，水淬；冷作变形率为20％。于430℃的条件下时效处理4h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝420n/mm2；屈服强度rp0.2＝290n/mm2；断面收缩率a＝25％；硬度hb＝118；软化温度＝480℃；电导率为49％iacs。
实施例2
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有97.85wt％的cu、0.55wt％的cr、0.15wt％的zr、0.42wt％的al以及0.02wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为30pa以及精炼温度为1350℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1280℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为920℃、终锻温度为650℃的条件下热锻。热锻过程中热锻变形方向按先拔长、再拔宽、然后保厚度的顺序进行锻打。
于860℃的条件下固溶80min，水淬；冷作变形率为20％。于500℃的条件下时效处理3h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝410n/mm2；屈服强度rp0.2＝285n/mm2；断面收缩率a＝22％；硬度hb＝110；软化温度＝470℃；电导率为55％iacs。
实施例3
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有97.85wt％的cu、1.2wt％的cr、0.2wt％的zr、0.7wt％的al以及0.05wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为20pa以及精炼温度为1400℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1260℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为910℃、终锻温度为620℃的条件下热锻。热锻过程中热锻变形方向按先拔长、再拔宽、然后保厚度的顺序进行锻打。
于800℃的条件下固溶60min，水淬；冷作变形率为15％。于400℃的条件下时效处理5h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝430n/mm2；屈服强度rp0.2＝310n/mm2；断面收缩率a＝24％；硬度hb＝120；软化温度＝490℃；电导率为36％iacs。
实施例4
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有99.1wt％的cu、0.4wt％的cr、0.08wt％的zr、0.3wt％的al以及0.02wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为25pa以及精炼温度为1380℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1270℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为910℃、终锻温度为640℃的条件下热锻2.8h。热锻过程中热锻变形方向按先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打。锻造变形量为28mm。
于900℃的条件下固溶90min，水淬；冷作变形率为35％，单次下轧量为1.5mm。于450℃的条件下时效处理4h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝405n/mm2；屈服强度rp0.2＝280n/mm2；断面收缩率a＝24％；硬度hb＝110；软化温度＝470℃；电导率为65％iacs。
实施例5
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有98.3wt％的cu、0.75wt％的cr、0.2wt％的zr、0.65wt％的al以及0.05wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为25pa以及精炼温度为1400℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1260℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为905℃、终锻温度为620℃的条件下。热锻过程中热锻变形方向按先拔长、再拔宽、然后保厚度的顺序进行锻打。
于850℃的条件下固溶90min，水淬；冷作变形率为20％。于400℃的条件下时效处理4h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝425n/mm2；屈服强度rp0.2＝315n/mm2；断面收缩率a＝25％；硬度hb＝125；软化温度＝500℃；电导率为40％iacs。
实施例6
本实施例中的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的化学成分含有98.97wt％的cu、0.5wt％的cr、0.1wt％的zr、0.4wt％的al以及0.03wt％的mg。
其加工方法包括：混合提供上述cu、cr、zr、al以及mg的合金材料，于真空度绝对压力为15pa以及精炼温度为1380℃的条件下进行真空熔炼。浇注时进行充氩保护，充氩后的真空度相对压力为-0.08mpa，于1270℃的条件下进行真空铸锭。
于始锻温度为915℃、终锻温度为640℃的条件下。热锻过程中热锻变形方向按先拔长、再拔宽、然后保厚度的顺序进行锻打。
于850℃的条件下固溶90min，水淬；冷作变形率为25％，单次下轧量为1mm。于500℃的条件下时效处理3h。
由此得到的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能包括：抗拉强度rm＝400n/mm2；屈服强度rp0.2＝300n/mm2；断面收缩率a＝25％；硬度hb＝115；软化温度＝500℃；电导率为55％iacs。
对比例
以实施例1为例，设置对比例1-5，对比例1-5与实施例1的区别分别在于：对比例1的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中al的含量为0.05wt％；对比例2的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中al的含量为0.1wt％；对比例3的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中al的含量为0.15wt％；对比例4的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中al的含量为1wt％；对比例5的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材中al的含量为1.2wt％。
采用相同的试验方式，其结果显示：对比例1-5的cucrzral结晶器铜板母材较实施例1的cucrzral结晶器铜板母材的理化性能均更差，具体体现在：
对比例1的cucrzral结晶器铜板母材的电导率为75％iacs。
对比例2的cucrzral结晶器铜板母材的电导率为72％iacs。
对比例3的cucrzral结晶器铜板母材的电导率为68％iacs。
对比例4的cucrzral结晶器铜板母材的电导率为35％iacs。
对比例5的cucrzral结晶器铜板母材的电导率为32％iacs。
此外，就实施例2-6分别按照上述方式，对比仅当al含量发生变化时对比例与实施例所得的cucrzral结晶器铜板母材的性能，具体地，al含量分别为0.05wt％、0.1wt％、0.15wt％、1wt％以及1.2wt％。其结果显示，无论哪个实施例，实施例均较al含量发生变化后的对比例所得的cucrzral结晶器铜板母材的电导率更符合电磁搅拌的要求。
由上可以看出，cucrzral结晶器铜板母材中al的含量对其性能有较大影响。
综上，本发明较佳实施例提供的用于电磁搅拌的cucrzral结晶器铜板母材既能保证结晶器铜板所需的机械性能，热导率下降的不多，满足热交换，又满足连铸对电磁搅拌的要求。所提供的加工方法简单便捷，易于生产，经该方法生产出的材料既能保证强度、具有良好的导热性、同时具备较小的磁阻，具有较强的电磁搅拌能力。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。