一种ESP连铸结晶器窄面铜板母材及其加工方法、ESP连铸结晶器窄面铜板

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，具体而言，涉及一种ESP连铸结晶器窄面铜板母材及其加工方法、ESP连铸结晶器窄面铜板。

背景技术

随着连铸技术的发展，对铜合金材料性能的要求越来越高，由于导电性能与材料强度难以兼顾，铍镍铜的强度和硬度在常温下都比较高，导电性和导热性有点偏低，使得铍镍铜的结晶器铜板在连续铸造时，热面温度相对较高，通常材料随温度环境的提高，在高温状态下，其强度和硬度相对下降较多，耐磨性也相对下降，使得铍镍铜无法在最新研发的超高拉速ESP连铸技术中取得应用。

发明内容

本发明的第一目的包括提供一种ESP连铸结晶器窄面铜板母材，该母材具有良好的导电导热性能，在超高拉速下能够确保所需的导热性能满足使用需求，同时确保使用过程中不会出现下口磨损严重所致的使用寿命降低。

本发明的第二目的包括提供一种上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材的加工方法，该加工方法简单，使生产出的材料强度与铍镍铜相当，但具有较高的导电导热性能。

本发明的第三目的包括提供一种由上述母材制得的ESP连铸结晶器窄面铜板，该结晶器铜板在连铸时，热面温度有较大幅度降低，从而使结晶器铜板在较低温度下有更高的强度、更高的硬度，耐磨性更强，从而满足ESP连铸结晶器超高拉速的生产需求。

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ESP连铸结晶器窄面铜板母材，包括如下质量含量的化学成分：97.05-98.66wt％的Cu、1.0-2.2wt％的Ni、0.12-0.3wt％的Zr、0.2-0.4wt％的Be以及0.02-0.05wt％的Mg。

在一些优选的实施方式中，ESP连铸结晶器窄面铜板母材包括如下质量含量的化学成分：97.35-98.12wt％的Cu、1.5-2.0wt％的Ni、0.15-0.2wt％的Zr、0.2-0.4wt％的Be以及0.03-0.05wt％的Mg。

在一些实施方式中，ESP连铸结晶器窄面铜板母材的导电率为40-45S/m，IACS为72-76％，导热率为320-330W/(m·k)。

在一些优选的实施方式中，ESP连铸结晶器窄面铜板母材的导电率为42S/m，IACS为74％，导热率为325W/(m·k)。

此外，本发明还提出了一种上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材的加工方法，包括以下步骤：

混合提供Cu、Ni、Be、Zr以及Mg的合金材料，然后依次进行真空熔炼、真空铸锭、热锻、固溶、冷作硬化以及时效处理。

其中，时效处理是于500-530℃的条件下处理3-5h。

此外，本发明还提出了一种ESP连铸结晶器窄面铜板，该ESP连铸结晶器窄面铜板由上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材制得。

本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材及其加工方法、ESP连铸结晶器窄面铜板的有益效果包括：

本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材具有良好的导电导热性能，在超高拉速下能够确保所需的导热性能满足使用需求，同时确保使用过程中不会出现下口磨损严重所致的使用寿命降低。其加工方法简单，使生产出的材料强度与铍镍铜相当，但具有较高的导电导热性能。由上述母材制得的ESP连铸结晶器窄面铜板在连铸时，热面温度有较大幅度降低，从而使结晶器铜板在较低温度下有更高的强度、更高的硬度，耐磨性更强，从而满足ESP连铸结晶器超高拉速的生产需求。

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。

下面对本申请实施例提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材及其加工方法、ESP连铸结晶器窄面铜板进行具体说明。

本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材包括如下质量含量的化学成分：97.05-98.66wt％的Cu、1.0-2.2wt％的Ni、0.12-0.3wt％的Zr、0.2-0.4wt％的Be以及0.02-0.05wt％的Mg。

作为可选地，Cu的质量含量可以为97.05wt％、97.5wt％、98wt％、98.5wt％或98.66wt％等，也可以为97.05-98.66wt％范围内的任一质量含量。

Ni的质量含量可以为1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2wt％或2.2wt％等，也可以为1-2.2wt％范围内的任一质量含量。

Zr的质量含量可以为0.12wt％、0.15wt％、0.18wt％、0.2wt％、0.25wt％或0.3wt％等，也可以为1.0-2.2wt％范围内的任一质量含量。

Be的质量含量可以为0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％、0.35wt％或0.4wt％等，也可以为0.2-0.4wt％范围内的任一质量含量。

Mg的质量含量可以为0.02wt％、0.025wt％、0.03wt％、0.035wt％、0.04wt％、0.045wt％或0.05wt％等，也可以为0.02-0.05wt％范围内的任一质量含量。

在一些优选的实施方式中，ESP连铸结晶器窄面铜板母材包括如下质量含量的化学成分：97.35-98.12wt％的Cu、1.5-2.0wt％的Ni、0.15-0.2wt％的Zr、0.2-0.4wt％的Be以及0.03-0.05wt％的Mg。

作为参考地，在一具体的实施方式中，ESP连铸结晶器窄面铜板母材包括如下质量含量的化学成分：97.88wt％的Cu、1.6wt％的Ni、0.18wt％的Zr、0.3wt％的Be以及0.04wt％的Mg。

目前，铜合金领域始终存在着高强度和高导电性之间的矛盾，本申请中镍在铜中固溶度大，能够与铜无限互溶，其与铜能够形成连续固溶体，具有宽阔的单相区，能够明显提高铜的机械性能和耐蚀性能，但同时却导致铜的导电和导热性能降低。

而已有的CuNiBe材料在Cu和Ni的基础上，加入Be，虽该类材料进一步提高了材料的强度和硬度，但其导电导热性能依然不能满足ESP连铸结晶器在超高拉速下的生产需求。

发明人经对铜板母材的长期研究发现，将适量的有限固溶于铜的Zr与Cu、Ni、Be以及Mg配合，能够使Zr与Be在提高铜板的导电导热性上发挥协同作用。其原因可能在于，Zr和Be的固溶度随温度变化而激烈变化，也即高温和低温下在铜中的固溶度相差较大，当温度从合金结晶完成之后开始下降时，它们在铜中的固溶度也开始降低，以金属化合物或单质的形态从固相中析出，当它们固溶于铜中，能够明显提高其强度，具有固溶强化效应，当它们经本申请中特定的时效处理后，从固相中析出，又产生了弥散强化效果，从而利于提高铜板的导电和导热性。镁有限固溶于铜，可作为铜的脱氧剂，对液态金属起到脱氧、造渣以及细化晶粒的作用。

承上，通过将Cu、Ni、Zr、Be以及Mg按上述配比混合，与CuNiBe材料相比，在不降低强度及硬度的前提下，能使铜板导电性与导热性有较大提高。

与铍镍铜相比较，铍镍铜采用的时效温度为470℃，而本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材铍镍锆铜的时效温度为500-530℃，使生产出的材料强度与铍镍铜相当，但本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材铍镍锆铜与铍镍铜相比导电率及导热率有明显提高。

在一些实施方式中，上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材的导电率为40-45S/m(20℃)，IACS为72-76％(20℃)，导热率为320-330W/(m·k)(20℃)。同时，在20℃的条件下，屈服强度为480-520MPa，硬度为HB160-200，软化温度为580-600℃，再结晶温度为680-720℃。

在一些优选的实施方式中，上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材的导电率为43S/m(20℃)，IACS为74(20℃)，导热率为325W/(m·k)(20℃)。相比之下，CuNiBe的导电率仅为38S/m(20℃)，IACS仅为66％(20℃)，导热率仅为290W/(m·k)(20℃)。同时，在20℃的条件下，屈服强度为480-520MPa，硬度为HB160-200，软化温度为580-600℃，再结晶温度为680-720℃。

由此可以看出，本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材的确比现有的CuNiBe材料具有更优的导电导热性能，因此，以ESP连铸结晶器窄面铜板的热面温度比以CuNiBe为母材的结晶器窄面铜板的热面温度要低，在一组对比测试中，CuNiBe为母材的结晶器窄面铜板的热面温度为332℃，而本申请的ESP连铸结晶器窄面铜板热面温度为305℃，热面温度的降低使强度及硬度必然提高，耐磨性也就必然提高。

本申请还提供了一种上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材的加工方法，例如可以包括以下步骤：混合提供Cu、Ni、Be、Zr以及Mg的合金材料，然后依次进行真空熔炼、真空铸锭、热锻、固溶、冷作硬化以及时效处理。

其中，时效处理是于500-530℃的条件下处理3-5h。作为可选地，时效处理的温度例如可以为500℃、510℃、520℃、530℃，也可以为505℃、515℃或525℃等，还可以为500-530℃范围内的任一温度值。时效处理的时间例如可以为3h、3.5h、4h、4.5h或5h等。

本申请中将时效处理的温度设置为500-530℃，时效处理的时间设置为3-5h，以确保铜板母材既具有较佳的导电导热性能，同时还具有较佳的强度和硬度。

可参考地，本申请中真空熔炼的温度可以设置为1350-1410℃，如1350℃、1360℃、1370℃、1380℃、1390℃、1400℃或1410℃等。真空熔炼的真空度例如可以小于等于60Pa。

真空铸锭的温度可以设置为1250-1280℃，如1250℃、1255℃、1260℃、1265℃、1270℃、1275℃或1280℃等。真空铸锭的真空度例如可以小于等于60Pa。

通过上述真空熔炼和真空铸锭有利于得到组织致密、性能稳定以及耐磨性优良的合金母材。

热锻的始锻温度可以设置为900-920℃，如900℃、910℃或920℃等；终锻温度可以设置为600-650℃，如600℃、610℃、620℃、630℃、640℃或650℃等；热锻的加热时间可以设置为2.5-3h，如2.5h、2.8h或3h等。

热锻过程中优选按照先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打。热锻的变形量例如可控制在25-30mm范围内。

通过上述条件的热锻处理，有利于获得组织性能均匀的铜板母材。

固溶温度设置为870-890℃，优选880℃。固溶时间可以为1-2h，如1h、1.5h或2h等。

在一些优选地实施方式中，固溶时，铜板冷却下水前，冷却水温度不超过30℃，铜板从出炉到下水的时间控制在60s(含)内。

通过上述条件的固溶处理，能使本申请中的Zr和Be形成过饱和固溶体，从而利于后续的时效处理。

冷作硬化过程中冷作变形率为15-35％，如15％、20％、25％、30％或35％等。

优选地，冷作硬化过程中单次下轧量例如可控制在1-2mm。

通过上述条件的冷作硬化过程，有利于使铜板母材具有较高的硬度。

承上，按本申请提供的化学成分以上述加工方法加工而得的ESP连铸结晶器窄面铜板母材在具有较高硬度和强度的基础上还具有较高的导电率和导热率。

本申请还提供了一种ESP连铸结晶器窄面铜板，其由上述ESP连铸结晶器窄面铜板母材制得。该ESP连铸结晶器窄面铜板的热面温度不超过310℃，通常在305℃左右，其原因在于所用铜板母材的导电率及导热率高，向外传递热量较快，从而使工作面温度降低。

通过比较，同等条件下，CuNiBe结晶器铜板的热面温度高达332℃，而本申请中CuNiBeZr结晶器铜板的热面温度只有305℃左右，由于305℃下的铜板硬度高于332℃的铜板硬度，因此，CuNiBeZr结晶器铜板较CuNiBe结晶器铜板更耐磨，使用寿命更长。

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ESP连铸结晶器窄面铜板母材的化学成分含有97.05wt％的Cu、2.2wt％的Ni、0.3wt％的Zr、0.4wt％的Be以及0.05wt％的Mg。

其加工方法包括：

按配比混合提供Cu、Ni、Be、Zr以及Mg的合金材料，于1380℃以及真空度为60Pa的条件下进行真空熔炼，随后于1265℃以及真空度为60Pa的条件下进行真空铸锭。

于始锻温度为910℃、终锻温度为625℃的条件下进行热锻，热锻的加热时间为3h。热锻过程中，按照先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打，热锻的变形量为30mm。

于880℃的条件下固溶1.5h，随后进行冷作硬化。固溶时，钢板冷却下水前，冷却水温度为30℃，铜板从出炉到下水之间的时间为60s。冷作硬化的变形率为25％，单次下轧量为1.5mm。

随后于530℃的条件下时效处理4h。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：ESP连铸结晶器窄面铜板母材的化学成分含有98.66wt％的Cu、1wt％的Ni、0.12wt％的Zr、0.2wt％的Be以及0.02wt％的Mg。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：ESP连铸结晶器窄面铜板母材的化学成分含有97.35wt％的Cu、2wt％的Ni、0.2wt％的Zr、0.4wt％的Be以及0.05wt％的Mg。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于：ESP连铸结晶器窄面铜板母材的化学成分含有98.12wt％的Cu、1.5wt％的Ni、0.15wt％的Zr、0.2wt％的Be以及0.03wt％的Mg。

实施例5

本实施例与实施例1的区别仅在于：ESP连铸结晶器窄面铜板母材的化学成分含有97.88wt％的Cu、1.6wt％的Ni、0.18wt％的Zr、0.3wt％的Be以及0.04wt％的Mg。

实施例6

本实施例与实施例1的区别仅在于加工方法不同：

按配比混合提供Cu、Ni、Be、Zr以及Mg的合金材料，于1350℃以及真空度为55Pa的条件下进行真空熔炼，随后于1250℃以及真空度为55Pa的条件下进行真空铸锭。

于始锻温度为900℃、终锻温度为600℃的条件下进行热锻，热锻的加热时间为2.8h。热锻过程中，按照先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打，热锻的变形量为25mm。

于880℃的条件下固溶2h，随后进行冷作硬化。固溶时，钢板冷却下水前，冷却水温度为28℃，铜板从出炉到下水之间的时间为55s。冷作硬化的变形率为15％，单次下轧量为2mm。

随后于500℃的条件下时效处理4h。

实施例7

本实施例与实施例1的区别仅在于加工方法不同：

按配比混合提供Cu、Ni、Be、Zr以及Mg的合金材料，于1410℃以及真空度为50Pa的条件下进行真空熔炼，随后于1280℃以及真空度为50Pa的条件下进行真空铸锭。

于始锻温度为920℃、终锻温度为650℃的条件下进行热锻，热锻的加热时间为2.5h。热锻过程中，按照先沿长向，后沿厚度方向的顺序进行锻打，热锻的变形量为28mm。

于880℃的条件下固溶1.5h，随后进行冷作硬化。固溶时，钢板冷却下水前，冷却水温度为25℃，铜板从出炉到下水之间的时间为50s。冷作硬化的变形率为35％，单次下轧量为1mm。

随后于530℃的条件下时效处理5h。

试验例

设置对照组1-3：

对照组1与实施例1的区别在于：母材中含有97.05wt％的Cu、2.2wt％的Ni、0.4wt％的Be以及0.05wt％的Mg，时效处理温度为470℃保温4小时；

对照组2与实施例1的区别在于：母材中含有97.25wt％的Cu、2.2wt％的Ni、0.2wt％的Be以及0.05wt％的Mg，时效处理温度为470℃保温4小时；

对照组3与实施例2的区别在于：母材中含有97.25wt％的Cu、2.2wt％的Ni、0.2wt％的Be以及0.05wt％的Mg，时效处理温度为470℃保温5小时。

按照《GB/T351金属材料电阻系数测量方法》、《GB/T3651金属高温导热系数测量方法》、《GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法》、《GB/T231.1-2009金属材料布氏硬度》的方法对实施例1-7以及对照组1-3所得的ESP连铸结晶器窄面铜板母材进行性能测试，其结果如表1所示。

表1性能测试结果

由表1可以看出，通过在CuNiBe合金里面添加0.12-0.3％的Zr，通过提高CuNiBeZr时效温度，可以在硬度、屈服强度与CuNiBe母材相当的条件下大幅提高母材的导电率和导热率，以CuNiBeZr为ESP连铸结晶器窄面铜板母材，耐磨性会有明显提高，过钢量相应提高。

综上，本申请提供的ESP连铸结晶器窄面铜板母材具有良好的导电导热性能，在超高拉速下能够确保所需的导热性能满足使用需求，同时确保使用过程中不会出现下口磨损严重所致的使用寿命降低。其加工方法简单，使生产出的材料强度与铍镍铜相当，但具有较高的导电导热性能。由上述母材制得的ESP连铸结晶器窄面铜板在连铸时，热面温度有较大幅度降低，从而使结晶器铜板在较低温度下有更高的强度、更高的硬度，耐磨性更强，从而满足ESP连铸结晶器超高拉速的生产需求。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。