有關(guān)高導(dǎo)碲銅合金棒材上引連鑄工業(yè)試驗研究
發(fā)布時間:2021-04-27點擊:2194
摘要:利用上引連鑄生產(chǎn)線,進(jìn)行新能源電動汽車充電樁用易切削高導(dǎo)碲銅合金的鑄桿生產(chǎn)工業(yè)試驗,對合金的熔煉與上引鑄造工藝技術(shù)進(jìn)行探索和優(yōu)化,摸索了出碲銅合金的大氣熔煉與鑄造技術(shù)的相關(guān)工藝,結(jié)果表明優(yōu)化后的熔煉和上引工藝可穩(wěn)定銅液中合金成分,實現(xiàn)含Te量0.3%~0.7 %Cu-Te合金的上引法連鑄坯桿。
關(guān)鍵詞:新能源電動汽車充電樁;用易切削高導(dǎo)碲銅合金;上引連鑄;連續(xù)熔煉與鑄造工藝;工業(yè)試驗
中圖分類號:TG249 文章編號:1009-3842(2021)01-0019-03
1.引言
高導(dǎo)碲銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越特點,國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)方法采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進(jìn)行生產(chǎn),該生產(chǎn)工藝生產(chǎn)效率和成品率低,不能提供連續(xù)長度的坯料,無法適應(yīng)現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。利用上引連鑄方法,先后進(jìn)行三次碲銅合金工業(yè)試驗,成功研制出連續(xù)長碲銅合金鑄桿,本文主要是對三次工業(yè)試驗進(jìn)行技術(shù)總結(jié),希望能為上引法規(guī)模化生產(chǎn)碲合金桿提供寶貴的實踐經(jīng)驗。
2.碲銅合金生產(chǎn)使用新趨勢
高導(dǎo)碲銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,抗腐蝕性、電弧性能優(yōu)越等特點,是高導(dǎo)精密接插件的理想材料,在新能源汽車充電樁領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。然而目前,國內(nèi)現(xiàn)有的充電樁主要使用黃銅,而黃銅導(dǎo)電率低導(dǎo)致充電時間長。另一方面,碲銅合金是一款有著60年歷史的很古老的合金,到目前為止,由于應(yīng)用需求、材料和生產(chǎn)成本等因素,卻沒有得到廣泛的應(yīng)用,故而市場上的易切削銅合金主要由鉛黃銅及無鉛黃銅(導(dǎo)電率在20%IACS左右)占據(jù)市場。因此,國內(nèi)外大型銅加工企業(yè)幾乎沒有研究和大規(guī)模生產(chǎn)碲銅合金的實績。國內(nèi)碲銅合金棒線材主要由一些小型的銅加工廠采用半連續(xù)鑄錠+熱擠壓+拉拔進(jìn)行生產(chǎn),該生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜,能耗高,投資大,建設(shè)周期長,生產(chǎn)效率和成品率低,無法實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)[1],不能滿足現(xiàn)今新能源汽車和充電樁工業(yè)的自動化生產(chǎn)需要。
3.試驗研究
3.1試驗的主要內(nèi)容
針對碲銅合金的熔煉特性,本試驗著重控制碲成份均勻的關(guān)鍵技術(shù)及工藝裝備研制。碲金屬昂貴且易揮發(fā),在熔化過程中,開發(fā)獨特的碲金屬加料裝置及攪拌裝置,確保碲在銅液中的含量均勻;同時在鑄造過程中,設(shè)計氮氣保護(hù)裝置減少碲的揮發(fā)用。同時優(yōu)化上引連鑄工藝,完成碲銅的連續(xù)鑄桿。上引連鑄的主要特點是可直接從熔融的銅液中制取連續(xù)的銅棒,可有效避免傳統(tǒng)的鐵模鑄造工藝的上述缺點,上引連鑄法雖然在純銅類得到應(yīng)用,但在銅合金特別是碲銅合金上的使用,國內(nèi)外尚屬***。
3.2試驗重點解決的技術(shù)難題
熔煉和鑄造工藝:Te比Cu輕、容易氧化、而且揮發(fā)溫度不到1000℃(988℃),能在空氣中燃燒,生產(chǎn)TeO2[2]。如何添加Te確保Te的燒損能得到控制;合金的吸氣性強,如何確保熔煉、鑄造過程中熔體不吸氣,保證鑄錠內(nèi)部無氣孔、疏松等缺陷,確保棒材沒有起皮、分層等缺陷。
4.工業(yè)試驗過程
4.1上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗的基本工藝流程
根據(jù)公司對充電樁用碲銅合金棒的總體工藝方案,本研究通過 “上引連鑄+連續(xù)擠壓+冷變形”方法,來獲得Cu-Te合金棒材。并對合金進(jìn)行變形和熱處理,分析Te元素含量、形變和熱處理等因素對合金組織和性能的影響。試驗的技術(shù)路線和主要方法如圖 1所示在本文中主要對熔鑄過程進(jìn)行總結(jié)闡述。
本試驗研究通過“上引連鑄+連續(xù)擠壓” 制備不同成分的碲銅合金,完善連續(xù)上引和連續(xù)擠壓制備碲銅合金中各項工藝參數(shù),確定Te元素所加入的合理成分含量。本工藝技術(shù)路線加入傳統(tǒng)法做對比。試驗的技術(shù)路線和主要方法如圖1所示[4]。
4.2上引連鑄法碲銅合金工業(yè)試驗
試驗采用年生產(chǎn)能力8000 t的上海清浦豪申公司上引熔鑄機組,設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)為:上引速度:600~800mm/min,h),熔銅速率:1200kg/h,收線成圈規(guī)格:φ700mm×φ1500mm c),鑄桿直徑:φ18mm。如圖2所示為工業(yè)試驗現(xiàn)場。
4.2.1主要采用的試驗參數(shù)
(1)碲銅合金成份的設(shè)計。為了優(yōu)化碲銅合金的上引工藝,得到合理的工藝參數(shù),研究設(shè)計了6組不同成分的碲銅合金,通過不同工藝參數(shù)下制備的碲銅合金鑄桿情況,優(yōu)化了較佳工藝參數(shù)。其計算成分和實測成分如表1所示,從實測結(jié)果看,采用合理的工藝技術(shù),在上引生產(chǎn)裝備中可以保證碲元素的穩(wěn)定。
(2)按合金成份進(jìn)行上引鑄造碲銅桿試驗。對設(shè)計的六組不同成分碲銅合金進(jìn)行了上引連鑄試驗,合理的上引參數(shù)能保證連續(xù)上引,并且得到表面質(zhì)量較好、性能優(yōu)異的碲銅合金。試驗以高純銅(GB/T467-2010)和銅碲中間合金為原料,連續(xù)制備出Ф12.5 mm的碲銅合金桿坯。
(3)按不同的節(jié)距進(jìn)行上引鑄造碲銅桿試驗。目前制備碲銅合金的上引工藝尚不成熟,無經(jīng)驗可借鑒,為了優(yōu)化其工藝,得到工藝參數(shù),故本項目研究了在上引連鑄過程中,針對不同成分的碲銅合金設(shè)計了不同的牽引參數(shù)和節(jié)距,如表2所示,7個不同的節(jié)距和7個不同的牽引速度。6組不同成分的碲銅合金分別在各個節(jié)距下使用不同的牽引速度來制備,觀察鑄桿的質(zhì)量。
4.2.2 不同節(jié)距和速度鑄桿的表面質(zhì)量試驗優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)前期研究結(jié)論,為了提高生產(chǎn)效率,節(jié)距和牽引速度的選取原則是在能連續(xù)生產(chǎn)出高質(zhì)量的碲銅合金的前提下,節(jié)距和牽引速度越大越好。以Cu-0.7Te合金為例,首先固定節(jié)距為2.0 mm,嘗試8組不同的牽引速度,確定在該節(jié)距下***佳的牽引速度。然后依次在節(jié)距為2.5 mm、2.8 mm、3.0 mm、3.5mm、4.0 mm和4.5 mm下,使用不同的牽引速度,來確定***佳的工藝參數(shù)。如果節(jié)距和牽引速度過大,會導(dǎo)致結(jié)晶器內(nèi)循環(huán)冷卻水冷卻強度過低,容易造成上引桿表面氧化、顏色發(fā)紅、發(fā)暗,如圖3所示。
在一定的冷卻強度以及合理的引鑄溫度下,采用不同的節(jié)距、配合合理的牽引速度,正是體現(xiàn)了對結(jié)晶器內(nèi)凝固前沿加大冷卻強度的措施。試驗表明,碲銅合金的上引工藝中,對冷卻強度這一參數(shù)尤為敏感。
4.2.3 不同的“節(jié)間”與“節(jié)上”鑄桿的微觀組織
為了進(jìn)一步觀察上引連鑄狀態(tài)下的碲銅合金組織,尤其是了解碲元素的分布情況,對鑄桿進(jìn)行微觀組織觀察。此外,由于Cu-Te合金上引制備出來的坯料,每個節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡,如圖4 (a)黃色箭頭處,而Te元素銅中容易產(chǎn)生偏析,故選取Te含量較高的Cu-0.3Te合金鑄桿,在鑄桿的“節(jié)”間與“節(jié)”上分別取樣,進(jìn)行金相組織觀察,如圖4(b)和圖4 (c)所示。從圖中可見節(jié)上組織比節(jié)間組織存在更多的黑色顆粒,推測其可能是Te冷卻結(jié)晶時,容易在節(jié)上偏聚,使得節(jié)距之間能看到較為明顯的痕跡[5]
4.2.4 高導(dǎo)碲銅合金桿上引連鑄參數(shù)
經(jīng)過多次試驗,Te含量在0.3%~0.7%的碲銅合金桿,節(jié)距控制在2.0~2.5mm,牽引速度控制在250~300 mm/min;Te含量在0.1%~0.3%的碲銅合金桿,節(jié)距控制在2.5~3.0mm,牽引速度控制在350~450 mm/min之間;Te含量在0.02%~0.1%的碲銅合金桿,節(jié)距控制在3.0~4.0 mm,牽引速度控制在550~650mm/min之間,能連續(xù)不斷的制備出性能優(yōu)異的碲銅合金上引鑄桿。如圖5所示為:Te含量為0.30%,不同節(jié)距和不同牽引速度的碲銅合金(0.3%Te)鑄桿[6]。
5.小結(jié)
(1)采用合適的熔鑄工藝,可實現(xiàn)不同成分碲銅合金的連續(xù)上引,為下一步連續(xù)擠壓提供合格的連續(xù)坯料,提供了碲銅合金制備新工藝;
(2)碲銅合金上引對冷卻強度和這一參數(shù)尤為敏感,對牽引節(jié)距需要著重控制。
來源:中國知網(wǎng) 作者:魏安祥