铍铜合金环及其制造方法
阅读说明：本技术 铍铜合金环及其制造方法 (Beryllium-copper alloy ring and manufacturing method thereof ) 是由 石井健介 于 2021-03-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供晶粒微细化了的铍铜合金环及其制造方法。本发明的铍铜合金环的制造方法包括：准备铍铜合金制的圆柱状锻造材的工序；从圆柱状锻造材的上表面中央沿与圆柱状锻造材的中心轴平行的方向开孔,制成环中间品的工序；通过对环中间品实施环锻造,以下式：P＝100×(T-t)/T(式中,P为加工率(％),T为环中间品的壁厚(mm),t为环锻造品的壁厚(mm))所规定的加工率成为63％以上的方式扩大孔,制成环锻造品的工序；对环锻造品实施固溶处理及时效处理,制成铍铜合金环的工序。(The invention provides a beryllium-copper alloy ring with refined crystal grains and a manufacturing method thereof. The manufacturing method of the beryllium-copper alloy ring comprises the following steps: preparing a beryllium-copper alloy cylindrical forged material; forming a hole in the center of the upper surface of the cylindrical forged material in a direction parallel to the central axis of the cylindrical forged material to form an intermediate ring product; by ring forging the ring intermediate, the following formula: a step of enlarging the hole so that the predetermined reduction ratio is 63% or more, wherein P is 100X (T-T)/T (wherein P is the reduction ratio (%), T is the thickness (mm) of the ring intermediate product, and T is the thickness (mm) of the ring forged product), to thereby produce a ring forged product; and (3) performing solution treatment and aging treatment on the ring forged product to prepare the beryllium-copper alloy ring.)
技术领域
本发明涉及铍铜合金环及其制造方法。
背景技术
以往，为了制造变压器用非晶箔等的合金带，使用铸造用环。铸造用环在通过对将合金等熔解铸造而得到的铸块进行锻造而得到锻造材之后，经过该锻造材的开孔、扩孔(即环锻造)、固溶处理及时效处理这样的工序而得到。
通过一边使如此得到的铸造用环高速旋转，一边向该环表面上滴下熔融合金，一边进行骤冷固化一边从环剥离，从而能够得到合金带。此时，环表面在与熔融合金接触的期间被快速加热，在熔融合金被剥离之后被骤冷。即，铸造用环反复进行膨胀收缩。因此，为了耐受这样的由热循环带来的严酷的温度变化，需要例如硬度(强度)高、热传导率优异、在高温时不易劣化、具有均匀的微细组织这样的铸造用环。作为以往的方法，为了使铸造用环的晶粒微细化，在锻造工序中提高了锻造材的锻造比。另外，作为热传导率等优异的铸造用环，例如使用铍铜合金制的铸造用环。
例如，在专利文献1(日本专利第3977868号公报)中公开了一种骤冷支撑体，其为用于使熔融合金快速凝固而成为带状的、具有微晶质组织或非晶质组织的骤冷支撑体，其骤冷面由导热性合金构成，且其组织实质上是均质的。作为该骤冷支撑体，举出了作为析出硬化铜合金的铍铜合金等。
另外，在专利文献2(日本专利第3194268号公报)中，公开了用于将熔融合金快速固化成具有微结晶结构或无定形结构的带的淬火表面。该淬火表面由导热性合金制成，该导热性合金具有仅由微细的等轴晶再结晶粒子构成的微观结构，上述粒子的平均尺寸为200μm以下，该粒子不大于500μm，该粒子具有致密的高斯分布。作为具有这样的淬火表面的铸造用环，使用了铍铜合金等。
进而，在专利文献3(WO2012/096238A1)中，公开了一种铜或铜合金的连续铸造方法，其中，利用轮带法制造的铜或铜合金粗轧线的表面缺陷的深度d(mm)满足式(I)。式(I)表示d≤r×0.1，d表示粗轧线表面缺陷的深度(mm)，r表示粗轧线的半径(mm)。作为构成铸造环的合金材料，认为优选铍铜合金等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3977868号公报
专利文献2：日本专利第3194268号公报
专利文献3：国际公开WO2012/096238A1
发明内容
然而，在将上述那样的以往的铍铜合金环用于合金带的制造的情况下，存在如下问题：在铸造合金带的过程中，由于热膨胀及热收缩的反复而在环表面产生裂纹。作为减少裂纹的方法，已知有将构成铍铜合金的晶粒进行微细化的方法。例如，在铍铜合金环的制造过程中，通过提高铸造后且开孔前进行的锻造工序的锻造比，能够实现晶粒的微细化，由此能够得到一定程度的裂纹减少效果。但是，通过提高锻造比来进行的晶粒微细化存在极限，期望进一步改善。另外，提高锻造比会导致制造成本上升。
此次，本发明人等得到了如下见解：对于开了孔的锻造材(即环中间品)，通过以预定值以上的加工率实施扩大该孔的环锻造，从而能够制造晶粒微细化了的铍铜合金环。
因此，本发明的目的在于提供一种晶粒微细化了的铍铜合金环及其制造方法。
根据本发明的一个方式，可提供一种铍铜合金环的制造方法，其包括：
准备铍铜合金制的圆柱状锻造材的工序；
从所述圆柱状锻造材的上表面中央沿与所述圆柱状锻造材的中心轴平行的方向开孔，制成环中间品的工序；
通过对所述环中间品实施环锻造，以下式：P＝100×(T-t)/T(式中，P为加工率(％)、T为所述环中间品的壁厚(mm)、t为环锻造品的壁厚(mm))所规定的加工率成为63％以上的方式扩大所述孔，制成环锻造品的工序，以及
对所述环锻造品实施固溶处理及时效处理，制成铍铜合金环的工序。
根据本发明的另一方式，可提供一种铍铜合金环，其由铍铜合金构成，所述铍铜合金的平均晶体粒径为20μm以下。
附图说明
图1为例1(比较例)中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图2为例2(比较例)中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图3为例3中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图4为例4中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图5为例5中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图6为例6中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
图7为例7(比较例)中制作的铍铜合金环截面的光学显微镜照片。
具体实施方式
本发明涉及铍铜合金环及其制造方法。通过本发明的方法制造的铍铜合金环由铍铜合金构成，构成铍铜合金的晶粒是微细化了的。如上所述，随着合金带的铸造，在以往的铍铜合金环中可能产生裂纹，但通过使构成铍铜合金的晶粒比以往的晶粒微细化，从而能够显著地减少裂纹。优选铍铜合金的平均晶体粒径为20μm以下，更优选为17μm以下，进一步优选为15μm以下。平均晶体粒径越小，则从减少裂纹的观点出发越有利，因此平均晶体粒径的下限没有特别限定，典型的是5μm以上，更典型的是7μm以上，进一步典型的是10μm以上。需要说明的是，平均晶体粒径通过后述的实施例中描述的步骤来确定。这样，制造平均晶体粒径小、即晶粒微细化了的铍铜合金环，在以往的方法的情况下存在极限，是困难的。但是，根据本发明的铍铜合金环的制造方法，通过对环中间品以高加工率实施环锻造，从而能够制造晶粒微细化了的铍铜合金环。
本发明的铍铜合金环的尺寸没有特别限定，可以根据用途适当确定。在铸造用环的用途的情况下，本发明的铍铜合金环的尺寸优选为320～2045mm的外径及265～1875mm的内径，更优选为620～2045mm的外径及460～1875mm的内径，进一步优选为830～2045mm的外径及680～1875mm的内径。
本发明的铍铜合金环的组成没有特别限定，典型的是，铍铜合金含有优选0.2～2.0重量％、更优选0.4～2.0重量％、进一步优选1.8～1.9重量％的Be，余量为Cu和不可避免的杂质。铍铜合金也可以进一步含有Ni、Co、Fe、Zr等任意元素。特别是通过含有Zr，能够减少裂纹。即，铍铜合金优选进一步含有Zr。
本发明的铍铜合金环的制造方法包括：(1)准备铍铜合金制的圆柱状锻造材，依次实施(2)开孔工序、(3)扩孔工序、(4)固溶处理工序及时效处理工序。
(1)准备圆柱状锻造材
首先，准备铍铜合金制的圆柱状锻造材。圆柱状锻造材只要通过公知的方法制作即可，没有特别限定，优选经过熔解铸造工序、均热处理工序及中间锻造工序而得到。
在熔解铸造工序中，将铍铜合金熔解而注入铸模，使其冷却凝固，得到铸块。此时的熔化温度优选为1100℃～1250℃。
在均热处理工序中，优选将铸块在800℃～850℃保持6小时以上。
在中间锻造工序中，通过对铸块反复进行镦锻和锻拉来进行锻造，得到容易加工的尺寸的圆柱状锻造材。此时的温度优选为530～760℃。锻造比优选为18～25。圆柱状锻造材的尺寸优选为直径450～850mm×高度200～600mm。
(2)开孔工序
从圆柱状锻造材的上表面中央沿与圆柱状锻造材的中心轴平行的方向开孔，制成环中间品。开孔的方法只要能够开设所希望的孔，就可以通过任何方法来进行，但优选例如通过利用模具的冲裁来进行。环中间品的尺寸没有特别限定，可以根据用途适当决定。在铸造用环的用途的情况下，优选为330～815mm的外径和150～250mm的内径，更优选为400～815mm的外径和150～250mm的内径，进一步优选为465～815mm的外径和160～250mm的内径。
在开孔工序中优选对圆柱状锻造材进行加热。圆柱状锻造材的温度优选为550～800℃、更优选为550～780℃、进一步优选为550～750℃。通过这样进行加热，从而容易在圆柱状锻造材开设孔。
(3)扩孔工序
通过对环中间品实施环锻造，从而以使加工率成为63％以上的方式扩大孔，制成环锻造品。该加工率由P＝100×(T-t)/T(式中，P为加工率(％)，T为环中间品的壁厚(mm)，t为环锻造品的壁厚(mm))的式子规定。在此，环中间品的壁厚T由T＝(DO-DI)/2(式中，DO为环中间品的外径，DI为环中间品的内径)规定，环锻造品的壁厚t由t＝(dO-dI)/2(式中，dO为环锻造品的外径，dI为环锻造品的内径)规定。加工率为63％以上，优选为65％以上，更优选为70％以上，进一步优选为73％以上。这样，通过对环中间品以高加工率实施环锻造，从而能够制造晶粒微细化了的铍铜合金环。因此，加工率的上限没有特别限定，典型的是90％以下，更典型的是85％以下，进一步典型的是80％以下。
如上所述，在铍铜合金环的制造过程中，通过提高铸造后且开孔前进行的锻造工序的锻造比，从而能够实现晶粒的微细化，由此能够得到一定程度的裂纹减少效果。但是，通过提高锻造比而带来的晶粒的微细化存在极限。另外，提高锻造比会导致制造成本的上升。这些问题通过在扩孔工序中以高的加工率进行环锻造从而能够很方便地消除。
进行环锻造的温度优选为530～780℃、更优选为530～750℃、进一步优选为530～720℃。通过这样降低加工温度，能够更有效地使构成铍铜合金环的晶粒微细化。
环锻造品的尺寸没有特别限定，可以根据用途适当决定。在铸造用环的用途的情况下，环锻造品的尺寸优选为320～2045mm的外径及265～1875mm的内径，更优选为620～2045mm的外径及460～1875mm的内径，进一步优选为830～2045mm的外径及680～1875mm的内径。
(4)固溶处理工序及时效处理工序
对环锻造品依次实施固溶处理及时效处理，制成所期望的特性的铍铜合金环。铍铜合金是时效硬化型合金，因此通过经过固溶处理及后续的时效处理，能够呈现所期望的调质特性(例如高强度)。
固溶处理可以通过将环锻造品在预定的固溶处理温度下加热预定时间后，实施水冷处理来进行。优选的固溶处理温度为700～950℃、更优选为730～920℃、进一步优选为760～900℃。上述固溶处理温度下的保持时间优选为120～240分钟、更优选为120～180分钟、进一步优选为120～150分钟。
时效处理可以通过将经过固溶处理的环锻造品在预定的时效处理温度下保持预定时间来进行。优选的时效处理温度为280～450℃、更优选为300～450℃、进一步优选为320～450℃。上述时效处理温度下的保持时间优选为120～600分钟、更优选为180～300分钟、进一步优选为180～240分钟。
在时效处理的前后，也可以对环锻造品和/或铍铜合金环进行表面切削。通过这样操作，从而具有能够切削这些氧化面、能够使它们的尺寸成为所希望的尺寸这样的优点。
实施例
通过以下的例子进一步具体地说明本发明。
例1～7
通过以下的步骤制作铍铜合金环并进行了评价。
(1)铸造
关于例1～5和7，准备铍铜合金(Be含量：1.86～1.87重量％、Co含量：0.24～0.25重量％、Fe含量：0.02～0.03重量％、余量：Cu和不可避免的杂质、UNS号：C17200)，另一方面，关于例6，准备铍铜合金(Be含量：1.86～1.87重量％、Co含量：0.24～0.25重量％、Fe含量：0.02～0.03重量％、Zr含量：0.2重量％、余量：Cu和不可避免的杂质、UNS号：C17200)。将铍铜合金在1130～1170℃的温度下熔融而制成熔融金属，将其注入铸模中。用水对从铸模出来的铸块进行冷却。
(2)均热处理
将得到的铸块在800～850℃的温度下保持6小时以上，由此进行均热处理。
(3)中间锻造
将经过均热处理的铸块在668～749℃的温度下反复进行镦锻和锻拉以使锻造比成为18～25，制成直径440～460mm×高度110～460mm的圆柱状锻造材。
(4)开孔
在550～748℃的温度下，从圆柱状锻造材的上表面中央沿与圆柱状锻造材的中心轴平行的方向开设直径160～250mm的孔。此时，通过用冲床加压，对圆柱状锻造材的上表面中央进行冲裁。由此，得到表1所示的尺寸的环中间品。
(5)扩孔
在表1所示的温度下，对环中间品以成为表1所示的加工率的方式实施环锻造，由此扩大孔。此时，向冲压得到的孔中插入芯棒，一边从外侧按压环中间品进行加压一边使其旋转，从而将孔扩大。由此，得到具有表1所示的尺寸的环锻造品。
(6)固溶处理及时效处理
对于环锻造品，在700～800℃的温度下加热120分钟后进行水冷，由此进行固溶处理，进一步进行表面切削。然后，对进行了固溶处理的环锻造品，在300～350℃的温度下保持120～180分钟，由此进行时效处理，进一步进行表面切削。这样得到具有表1所示的外径的铍铜合金环。
(7)评价
对得到的铍铜合金环进行了以下的评价。
＜平均晶体粒径的算出＞
用光学显微镜观察沿厚度方向切断铍铜合金环而成的面，对得到的截面的微组织进行解析，由此通过切断法计算铍铜合金环的平均晶体粒径。具体而言，在拍摄得到的微组织图像上划出3条直线，将各直线横穿的晶粒的个数除以直线的长度而得到的值的算术平均值作为平均晶体粒径。结果如图1～7和表1所示。此外，图1、2、3、4、5、6及7分别对应于例1、2、3、4、5、6及7。
表1
*表示比较例。
T＝(Do-Dl)/2，t＝(do-dl)/2
由表1所示的结果可知，加工率P越大，则铍铜合金环的平均晶体粒径越小。
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