[发明专利]CuNiSn系合金及带坯组合外场水平连铸制备方法及装置

说明书

本发明公开了一种CuNiSn系合金及带坯组合外场水平连铸制备方法及装置。CuNiSn系合金是在Cu基体中，同时含有微合金化元素B、Sr、V；且微合金化元素B、Sr、V的含量之和小于等于CuNiSn系弹性铜合金基体质量的0.3％；制备方法包括合金熔化；水平连铸，所述水平连铸工艺流程为：拉伸—停顿一—反推—停顿二—拉伸；所述水平连铸设备的结晶器出口端设有在带坯周边形成气帘的氮气喷嘴；在保温炉中还设有采用高耐热低超声衰减的氮化硼陶瓷套管封闭的超声波发生器；在结晶器入口环套有电磁感应线圈。本发明所制备的CuNiSn系弹性铜合金具有超高强度、高抗应力松弛等特性，可适用于航天、航空以及微电子工业用的高性能导电弹性器件。

技术领域

本发明涉及一种CuNiSn系铜合金及制备方法及装置，特别是指一种CuNiSn系弹性铜合金及带坯组合外场水平连铸制备方法及装置。属于高强弹性铜合金及连铸制备技术领域。

背景技术

相对于铍青铜，CuNiSn合金具有成本低、无毒、抗蚀性和焊接性好、高温下有较高的强度和热稳定性等诸多优点，在250℃以上性能优于铍青铜,目前国际上开发的系列CuNiSn合金，如Cu9Ni6Sn系、Cu15Ni8Sn系、Cu9Ni2Sn系等合金已成功用于继电器、电位器、开关、接插件以及高精度仪器仪表传感器中的敏感元件。在CuNiSn系合金制备过程中，由于Sn的熔点与Cu的熔点差异较大，二者液态表面张力差别大，同时，对于高镍和锡含量的合金固液相线温差大，在冷却凝固过程中极易产生Sn的反偏析以及枝晶偏析，从而恶化组织，给合金的后续加工带来困难，造成性能下降，性能的均匀性更是降低。为此人们采取了各种相应措施来抑制锡的反偏析。为了克服Sn在常规铸造工艺中的反偏析问题，目前常用的CuNiSn系合金制备工艺主要有以下几种：

(1)真空熔炼法。与非真空熔炼法相比，真空熔炼法可以在一定程度上抑制Sn的区域偏析。此工艺是将Cu、Ni、Sn以及其他元素，按照设定的比例放入感应炉中坩埚内，边加热边抽真空，达到要求的真空度后，熔炼并进行浇铸。此时得到的合金的坯锭的区域偏析有一定程度的改善，但不能根除。该方法最大的缺陷是真空熔炼工艺流程长、晶粒粗大，坯锭制造成本高、且铸锭规格受到限制。

(2)粉末冶金法。研究者们较多选用另一种制备方法是粉末冶金法，以此来抑制传统熔铸工艺中Sn元素的区域偏析问题。具体工艺是：先通过雾化法等制备得到设定成分的CuNiSn合金粉，再采用如压制-成型-烧结-包套挤压等粉末冶金工艺来制备合金型材。该方法能有效的减少坯锭中Sn的区域偏析，但其主要缺点是制备工艺流程长，制造成本高。

(3)快速凝固法。因为具备冷却速度非常高这一特点，快速凝固法能够抑制合金元素的扩散和聚集，使得难以形成成分偏聚，因而该方法能够抑制凝固过程中Sn的区域偏析。喷射沉积法是常用的快速凝固方法，喷射沉积法是将金属熔体和沉积两个过程合为一体,可直接由液态金属制取快速凝固预成形毛坯，可以得到低偏析、细晶粒、高密度和近终成形尺寸的坯料。该方法的最主要的缺点是制备装置复杂，制备工艺参数控制复杂，坯锭制造成本高，坯锭尺寸受限等。

(4)水平连铸法。因为水平连铸工艺的特点是铸坯外表面率先形成凝壳，从而在一定程度上限制锡元素在铸坯表面的反偏析，但是沿着拉铸方向的反偏析和枝晶偏析的抑制能力有限。对于枝晶偏析，现有技术通常采用合金化的手段细化晶粒，减少枝晶偏析，如添加Fe、Si、Al、Mn、Cr、Zr、Ti等微合金化元素，研究结果表明：上述元素的添加均在一定程度上可以提高合金的强度或塑性或使用温度等；但不能有效的减少CuNiSn系弹性铜合金熔铸过程中Sn的反偏析问题，这已成为本领域长期以来一直希望解决而未能解决的技术难题。另外，传统水平连铸时，合金元素易氧化，一方面，抑制枝晶偏析的效果下降，另一方面，结晶器内已经结晶的铸坯表面氧化，会使石墨结晶器内壁划伤、破损，影响结晶器寿命以及铸坯表面质量，甚至使铸坯拉断。

发明内容