ЛИТЕЙНАЯ ФОРМА Российский патент 2000 года по МПК B22D11/04 C22C9/00 C22C9/04 

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейной форме, особенно к кристаллизатору для установок непрерывной разливки с электромагнитным перемешиванием, более конкретно к составу термически упрочняемого сплава с целенаправленной проводимостью, из которого изготавливается литейная форма.

Общеизвестно, что при непрерывной разливке, в частности стали, улучшение качества может быть достигнуто с помощью электромагнитного перемешивания расплава, находящегося в охлажденном кристаллизаторе установки непрерывной разливки. С помощью электромагнитных перемешивающих приспособлений в жидкой сердцевине расплава металла внутри застывшей оболочки образуется желаемое течение, которое препятствует ликвидациям при кристаллизации, отрицательно влияющим на структуру отливки.

Жидкий расплав металла направляется во время литья в перемешивающем приспособлении под воздействием вращающегося электрического поля в направлении поперек отвода отливаемого изделия и с помощью возникающих индукционных токов приводится во вращательное движение, которое происходит в основном концентрично продольной оси. В результате получают гомогенную структуру литья, которая удовлетворяет особенно высоким требованиям по качеству. Для того чтобы по возможности свести к минимуму технические затраты, перемешивающие приспособления обычно помещают под кристаллизатором, для того чтобы оставшийся жидкий металл в частично затвердевшем изделии можно было бы перемешивать непосредственно под кристаллизатором. Однако для того чтобы можно было оказывать влияние на кристаллическую структуру также и в наружных краевых зонах прутка, которые затвердевают в первую очередь, перемешивающие приспособления размещаются преимущественным образом либо на высоте кристаллизатора, либо в самом кристаллизаторе.

Материалы для кристаллизатора, используемые при непрерывной разливке стали, имеют, как правило, наряду с высокой механической прочностью одновременно высокую теплопроводность для обеспечения оптимального теплоотвода и скорости охлаждения. Связанная с этим высокая максимальная скорость разливки повышает экономичность процесса непрерывной разливки стали. Однако при применении индукционного перемешивающего приспособления высокая электропроводность материалов кристаллизатора, таких как, например, медно-хром-циркониевые сплавы, при значении IACS более 85% показала себя с отрицательной стороны. Высокая электропроводность ведет к нежелательному высокому экранирующему действию материала кристаллизатора в отношении магнитного поля, вызывающего перемешивание. Результатом этого ослабления магнитного поля является незначительное глубинное воздействие эффекта перемешивания. Хотя и можно усилить эффект перемешивания за счет повышения силы тока, однако при этом непропорционально повышаются технические затраты. Таким образом, в общей сложности не может быть достигнут оптимальный эффект перемешивания при изготовлении кристаллизатора из материала, обладающего высокой теплопроводностью.

Правда, известны материалы для кристаллизатора, обладающие меньшей теплопроводностью. Но они обладают чрезвычайно высокой прочностью, так что могут применяться предпочтительным образом при более высоких температурах. К тому же обработка материалов для изготовления кристаллизаторов в связи с их чрезвычайно высокой прочностью является дорогостоящей. Следующий недостаток состоит в том, что относительное удлинение при разрыве при температурах выше 350^oC слишком мало.

Таким образом, известные материалы, используемые при изготовлении кристаллизатора и обладающие незначительной теплопроводностью, не представляют собой экономической альтернативы материалам для кристаллизатора, обладающим высокой проводимостью, таким, как, например, медно-хром-циркониевые сплавы, в части использования в установках для непрерывной разливки с электромагнитным перемешивающим устройством.

Известна литейная форма, например кристаллизатор для непрерывной разливки, выполненная из медно-хром-циркониевого сплава, содержащего хром, цирконий и никель. Сплав содержит добавку алюминия в количестве от 0,05 до 0,8 и другие добавки, повышающие прочность. Однако в этом источнике не имеется никакого упоминания об электромагнитном перемешивании в кристаллизаторе для непрерывной разливки.

Задачей изобретения является изготовление литейной формы из термически упрочняемого медного материала, в частности для использования в разливочных установках с электромагнитным перемешивающим приспособлением, который обеспечивает незначительное поглощение энергии поля и обладает высокими свойствами прочности и относительного удлинения при разрыве.

Эта задача решается за счет того, что сплав содержит от 0,1 до 2,0% никеля, от 0,3 до 1,3% хрома, от 0,1 до 0,5% циркония, дополнительно 0,005-0,05% по меньшей мере одного элемента из группы, включающей фосфор, магний и бор, по выбору до 0,2% титана, до 0,4% железа и до 0,8% марганца и остальное медь, включая обусловленные процессом изготовления загрязнения.

Согласно предпочтительной форме выполнения сплав содержит 0,4-1,6% никеля, 0,6-0,8% хрома, 0,15-0,25% циркония, по меньшей мере один элемент из группы бор, магний, фосфор в количестве 0,005-0,02, 0,005-0,05 и 0,005-0,03% соответственно, а остальное медь, включая обусловленные процессом изготовления загрязнения.

Присадка бора может добавляться к расплаву, например в виде борида кальция.

Совершенно неожиданным образом медный сплав в соответствии с изобретением отличается особенно предпочтительной комбинацией механических и физических свойств при электрической проводимости, значение которой лежит ниже 80% IACS. Этот медный сплав выполняет также и существенное требование, предъявляемое к незначительному поглощению энергии поля стенки кристаллизатора, изготовленной из этого сплава.

Для дальнейшего целенаправленного повышения прочности следует предпочтительным образом к сплаву добавить еще и до 0,2% титана и/или 0,4% железа. Незначительное содержание титана образует с присутствующими в сплаве компонентами никелем и железом внутриметаллические соединения, действие которых направлено на повышение прочности.

Содержание алюминия и/или марганца соответственно до 0,8% также влияет на повышение прочности, которое можно предпочтительным образом использовать только при незначительном воздействии низкой электропроводности.

Изобретение подробнее поясняется на некоторых примерах исполнения, приводимых ниже.

Состав девяти сплавов, приведенных в качестве примеров, указан в таблице соответственно в вес.%, X обозначает общее содержание отдельных элементов - бора, магния и/или фосфора, которые добавляются в количестве всего до 0,05% в качестве дезоксидирующего средства.

Медные сплавы с различным содержанием никеля от 0,2 до 2%, приблизительно 0,7%, хрома, 0,16-0,2% циркония, до 0,2% бора, магния и/или фосфора, остаток - медь, включая технологические загрязнения, были сначала расплавлены, отлиты в слитки, а затем при температуре 950^oC за несколько проходов подвергнуты горячей прокатке с общей степенью деформации 65%. После по меньшей мере одночасового диффузионного отжига при 1030^oC и последующей закалки в воде прокатанные пластины повергались термическому упрочнению в течение по меньшей мере 4 ч при температуре 475^oC. После последующей обработки режущим инструментом пластины для кокилей обнаружили соответственно в зависимости от доли никеля (0,2 до 2% никеля) значения, приведенные ниже. Если указывается диапазон, то назначенное вначале значение медного сплава, используемого в соответствии с изобретением, соответствует 0,2%-ному содержанию никеля.

Электропроводность - 80-35%IACS
Температура размягчения (10% спад прочности при R.T. после одночасового отжига - 525^oC
Твердость HBZ 2,5/62 - 130-150
Прочность на растяжение - 430-450 N/mm²
Предел текучести - 325-340 N/mm²
Относительное удлинение при разрыве - 28-22%
Термическая стойкость при 350^oC - 340-355 N/mm²
Предел текучести при 350^oC - 270-290 N/mm²
Относительное удлинение при разрыве при 350^oC - 22-10%
Сплавы, используемые согласно изобретению, имеют электропроводимость, которая может регулироваться выбором концентрации никеля внутри указанного диапазона от 35 до 80% IACS, причем механические свойства остаются в значительной мере в неизменном состоянии. С увеличением содержания никеля от 2,0% во всей зоне концентрации предел текучести и предел прочности при растяжении материала в термически упрочненном состоянии изменяются лишь незначительно в сторону более высоких значений. Незначительное увеличение действует также и для термической стойкости, например при 350^oC. И, наоборот, также и для относительного удлинения при разрыве получают значение, в значительной мере не зависящее от содержания никеля, которое уменьшается при температуре 350^oC лишь до 10% удлинения у сплава, в котором доля никеля составляет 2,0%.

В дополнительном испытании на усталость с регулированием удлинения была проверена устойчивость сплава, используемого в соответствии с изобретением как при комнатной температуре, так и при температуре до 350^oC в соответствии с циклической термической нагрузкой в литейном производстве. Процесс образования усталостных трещин продемонстрировал при этом широкую независимость от содержания никеля, так что имеет место известное позитивное поведение медно-хром-циркониевых сплавов, которые до этого находили свое применение в литейном производстве, также и в части высокого срока службы. Твердость, увеличивающаяся с увеличением содержания никеля, дает дополнительное улучшение свойств, из чего вытекают также положительные трибологические характеристики материала, используемого для кристаллизаторов.

Использование сплава, применяемого в соответствии с изобретением, ограничено не только пластинчатым кристаллизатором, описанным в примерах исполнения. Соответствующие преимущества имеют место также в случае других кристаллизаторов, с помощью которых могут изготавливаться полунепрерывным или полностью непрерывным способом металлические профильные изделия, такие как трубчатые кристаллизаторы, блок-кокили, колеса для литья, литьевые валки и кожухи литьевых валков.

Сущность: для изготовления литейных форм, в частности кристаллизаторов для установок непрерывной разливки, которые применяются при непрерывной разливке стали с использованием электромагнитного перемешивающего приспособления, предлагается в термически высокопроводимых материалах с малым поглощением энергии магнитного поля, который содержит 0,1 - 2% никеля, 0,3 - 1,3% хрома, 0,01 - 0,5% циркония, до 0,05% по меньшей мере одного элемента из группы, охватывающей фосфор, магний и бор, остаток - медь, включая технологические примеси. Сплав может содержать еще до 0,2% титана, и, кроме того, до 0,4% железа, и, кроме того, до 0,8% марганца, что позволит целенаправленно повысить прочность термически упрочняемого медного сплава. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Литейная форма, в частности кристаллизатор, для установок непрерывной разливки с электромагнитным перемешиванием, выполненная из термически упрочняемого медного сплава с целенаправленно регулируемой проводимостью, содержащего хром, цирконий и никель, отличающаяся тем, что сплав содержит 0,1 - 2,0% никеля, 0,3 - 1,3% хрома, 0,1 - 0,5% циркония, дополнительно 0,005 - 0,05% по меньшей мере одного элемента из группы, включающей фосфор, магний и бор, по выбору до 0,2% титана, до 0,4% железа и до 0,8% марганца, и остальное - медь, включая обусловленные процессом изготовления загрязнения. 2. Литейная форма по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена из сплава, содержащего 0,4 - 1,6% никеля, 0,6 - 0,8% хрома, 0,15 - 0,25% циркония, по меньшей мере один элемент из группы бор, магний, фосфор в количестве 0,005 - 0,02%, 0,005 - 0,05% и 0,005 - 0,03%, соответственно, а остальное - медь, включая обусловленные процессом изготовления загрязнения.