CN104109776B - 一种核电轴承用合金材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电轴承用合金材料及其制备工艺，该合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu4.50～5.50，Sb10.00～13.00，Ni0.10～0.50，As0.30～0.70，Cd1.10～1.40，Sn79.00～82.50。该核电轴承用合金材料及其制备工艺为配料→装入部分原料→熔炼→投入余锡，并降温→精炼→投入砷→投入镉→再次精炼→浇注。采用本配方生产的合金材料的抗拉强度能够达到95MPa以上，布氏硬度能够达到40以上，抗压强度能达到150MPa以上，屈服强度能够达到60MPa以上；采用该种高强度高硬度的合金材料制备的轴承，具备耐高温、耐腐蚀、耐磨和润滑性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种核电轴承用合金材料及其制备工艺。
背景技术
核电机组常处于高温、高压、高湿环境，其轴处于连续不断的高速旋转中，因此对于作为核电机组的重要部件——轴承，其材料在耐高温、耐腐蚀、耐磨以及润滑性、适应性、抗咬合等性能有着非常高的要求；由于核电机组工作运行寿命、检修周期等都要求很长，因此对轴承材料的寿命也有严格的要求，即轴承合金需要具备更高的强度和硬度，以承受轴颈较大的单位载荷以及轴颈的周期性载荷冲击和振动。而目前国内的生产厂家难以生产出高强度和高硬度的轴承合金，只能完全依靠进口，并且是整机进口，一旦核电机组的轴承出现问题时，只能需要等待国外生产商来解决，浪费大量人力、物力和财力。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种核电轴承用合金材料及其制备工艺，采用该合金材料制备的轴承具有高强度和高硬度的优点。
为了达到上述发明目的，本发明的第一发明目的在于提供一种核电轴承用合金材料，该合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu4.50～5.50，Sb10.00～13.00，Ni0.10～0.50，As0.30～0.70，Cd1.10～1.40，Sn79.00～82.50。
本发明的第二发明目的在于，提供一种核电轴承用合金材料的制备工艺，其包括以下步骤：
步骤一，根据合金材料各组分重量百分比称取配料铜、锡、锑、锡镍合金、砷锑合金、镉；
步骤二，向熔炼炉中投入组分锡总重量1/2至2/3的锡，全部铜和全部锑以及全部锡镍合金；
步骤三，启动熔炼炉，将炉温升至800℃～850℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在合金液体温度800℃～850℃下保温1h；
步骤四，将上述合金液体保温后自然冷却至合金液体温度680℃～700℃，加入余量锡；
步骤五，将合金液体温度降温至520℃～540℃进行充分搅拌，并在520℃～540℃下加入精炼剂精炼除渣5min～10min；
步骤六，除渣处理后，将合金液体温度降至500℃，采用钟罩(由于砷锑合金密度较合金溶液密度低，会漂浮在表面，采用钟罩把砷锑合金直接压入合金溶液中，利于熔化。)加入砷锑合金，熔化后保温20min-30min；
步骤七，待步骤六中保温处理完成后，将合金液体温度降至480℃，加入镉；
步骤八，待镉融化之后，在合金液体温度480℃下加入精炼剂，用氩气进行除气精炼5min～10min；
步骤九，精炼完成后将合金液体温度恒定在470℃～480℃下进行浇铸。
本发明的有益效果为：采用本配方生产的合金材料的抗拉强度能够达到95MPa以上，布氏硬度能够达到40以上，抗压强度能达到150MPa以上，屈服强度能够达到60MPa以上；采用该种高强度高硬度的合金材料制备的轴承，具备耐高温、耐腐蚀、耐磨以及润滑性好等优点。
制备工艺过程添加的精炼剂能够有效地解决合金材料中的Zn、Al、Fe、Pb等杂质元素的含量，从而有效地提高了合金材料的力学性能。
由于As和Cd为有毒金属，采用真空状态下在中频炉中对合金进行振荡密闭熔炼，解决了As和Cd对环境的污染及对工作人员身体健康的危害。
说明附图
图1为核电轴承用合金材料的制备工艺的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
图1为本核电轴承用合金材料的制备工艺，下面参考图1对本发明的各个实施例进行描述。
实施例1
合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu为5.00，Sb为12.00，Ni为0.25，As为0.50，Cd为1.25，余量为Sn。
该合金材料的制备工艺步骤包括：根据上述合金材料各组分重量百分比称取配料铜、锡、锑、锡镍合金、砷锑合金、镉；向熔炼炉中投入组分锡总重量0.5倍的锡，全部铜、全部锑以及全部锡镍合金；启动熔炼炉，将炉温升至830℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在合金液体温度810℃下保温1h。
将上述合金液体保温后自然冷却至合金液体温度680℃，加入余量锡；将合金液体温度温至525℃进行充分搅拌，并在520℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，进行精炼除渣5min；除渣处理后，将合金液体温度降至500℃，采用钟罩加入砷锑合金，熔化后保温20min；待保温处理完成后，将合金液体温度降至480℃，加入镉；待镉融化之后，在合金液体温度480℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，并用氩气进行除气精炼10分钟；精炼完成后将合金液体温度恒定在470℃下进行浇铸。
在本发明的一个实施例中，所述熔炼炉为中频炉，整个制备工艺是在真空状态下的中频炉中振荡密闭进行熔炼。
对本实施例制备的合金材料进行成分分析，成分分析见下表：
| 原料 | Cu | Sb | Ni | As | Cd | Sn+杂质 |
| 成份分析(％) | 5.01 | 11.88 | 0.22 | 0.45 | 1.21 | 余量 |
上述的杂质为Pb、Zn、Fe和Al，其中，Pb为0.021，Zn为0.00019，Fe为0.0018，Al为0.00034。而生产要求Pb≤0.06；Zn≤0.050，Fe≤0.10；Al≤0.050。
下面对本实施例制备的合金材料进行力学试验，
(1)试样的选取：
用本实施例制备的合金制备5块15mm厚的试块作为布氏硬度试验的试样；布氏硬度的试验方法采用的是GB/T231《金属材料布氏硬度试验》；
用本实施例制备的合金制备5块直径为13mm、长为38mm的试块作为抗压试验的试样；抗压强度的试验方法采用的是GB/T7314《金属材料室温压缩试验方法》。
用本实施例制备的合金制备5块直径为10mm，有效长度为100mm的条形试样作为屈服强度和抗拉强度的试样，屈服强度、抗拉强度试验方法采用的是GB/T228.1《金属材料室温拉伸试验方法》。
(2)试验条件
布氏硬度值是使用一个直径10mm的钢球和500kg的负荷对试样施加30s形成的3个压痕的平均值。抗压强度值是形成试样长度25％的变形所需的单位负荷。屈服强度值是试样的一个确定测量长度的0.125％变形时所需的单位负荷。抗拉强度值是将试样拉断时所需的单位负荷。
布氏硬度、抗压强度、屈服强度、抗拉强度试验的室内温度10～25℃。
(3)试验结果见下表：
实施例2
合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu为4.80，Sb为11.50，Ni为0.20，As为0.40，Cd为1.30，余量为Sn。
该核电轴承用合金材料的制备工艺步骤包括：根据合金材料各组分重量百分比称取配料铜、锡、锑、锡镍合金、砷锑合金、镉；向熔炼炉中投入组分锡总重量0.56倍的锡，全部铜、全部锑以及全部锡镍合金；启动熔炼炉，将炉温升至800℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在合金液体温度850℃下保温1h；
将上述合金液体保温后自然冷却至合金液体温度700℃，加入余量锡；将合金液体温度降温至540℃进行充分搅拌，并在530℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，进行精炼除渣7min；除渣处理后，将合金液体温度降至500℃，采用钟罩加入砷锑合金，熔化后保温24min；待保温处理完成后，将合金液体温度降至480℃，加入镉；待镉融化之后，在合金液体温度480℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，并用氩气进行除气精炼10min；精炼完成后将合金液体温度恒定在475℃下进行浇铸。
在本发明的一个实施例中，熔炼炉为中频炉，整个制备工艺是在真空状态下的中频炉中振荡密闭进行熔炼。
对本实施例制备的合金材料进行成分分析，成分分析见下表：
| 原料 | Cu | Sb | Ni | As | Cd | Sn+杂质 |
| 成份分析(％) | 4.82 | 11.31 | 0.21 | 0.32 | 1.28 | 余量 |
上述的杂质为Pb、Zn、Fe和Al，其中，Pb为0.0244，Zn为0.00017，Fe为0.0021，Al为0.00056。而生产要求Pb≤0.06；Zn≤0.050，Fe≤0.10；Al≤0.050。
下面对本实施例制备的合金材料进行力学试验，
(1)试样的选取：
用本实施例制备的合金制备5块15mm厚的试块作为布氏硬度试验的试样；布氏硬度的试验方法采用的是GB/T231《金属材料布氏硬度试验》；
用本实施例制备的合金制备5块直径为13mm、长为38mm的试块作为抗压试验的试样；抗压强度的试验方法采用的是GB/T7314《金属材料室温压缩试验方法》。
用本实施例制备的合金制备5块直径为10mm，有效长度为100mm的条形试样作为屈服强度和抗拉强度的试样，屈服强度、抗拉强度试验方法采用的是GB/T228.1《金属材料室温拉伸试验方法》。
(2)试验条件
布氏硬度值是使用一个直径10mm的钢球和500kg的负荷对试样施加30s形成的3个压痕的平均值。抗压强度值是形成试样长度25％的变形所需的单位负荷。屈服强度值是试样的一个确定测量长度的0.125％变形时所需的单位负荷。抗拉强度值是将试样拉断时所需的单位负荷。
布氏硬度、抗压强度、屈服强度、抗拉强度试验的室内温度10～25℃。
(3)试验结果见下表：
| 物理性能 | 第一组 | 第二组 | 第三组 | 第四组 | 第五组 | 平均值 |
| 布氏硬度 | 39.6 | 39.5 | 39.4 | 38.8 | 38.9 | 39.24 |
| 抗拉强度MPa | 98.34 | 100.23 | 99.12 | 99.33 | 100.4 | 99.48 |
| 抗压强度MPa | 153.31 | 152.43 | 151.98 | 152.39 | 153.61 | 152.74 |
| 屈服强度MPa | 65.21 | 63.59 | 65.48 | 63.45 | 64.32 | 64.41 |
实施例3
合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu为5.20，Sb为12.50，Ni为0.40，As为0.60，Cd为1.40，余量为Sn。
核电轴承用合金材料的制备工艺步骤包括，根据合金材料各组分重量百分比称取配料铜、锡、锑、锡镍合金、砷锑合金、镉；向熔炼炉中投入组分锡总重量2/3的锡，全部铜和全部锑以及全部锡镍合金；启动熔炼炉，将炉温升至830℃，待炉料全部融化后进行充分搅拌，并在合金液体温度850℃下保温1h；
将上述合金液体保温后自然冷却至合金液体温度690℃，加入余量锡；将合金液体温度降温至540℃进行充分搅拌，并在530℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，进行精炼除渣10min；除渣处理后，将合金液体温度降至500℃，采用钟罩加入砷锑合金，熔化后保温28min；待保温处理完成后，将合金液体温度降至480℃，加入镉；待镉融化之后，在合金液体温度480℃下加入精炼剂NH4Cl和松香，并用氩气进行除气精炼10分钟；精炼完成后将合金液体温度恒定在480℃下进行浇铸。
在本发明的一个实施例中，熔炼炉为中频炉，整个制备工艺是在真空状态下的中频炉中振荡密闭进行熔炼。
对本实施例制备的合金材料进行成分分析，成分分析见下表：
| 原料 | Cu | Sb | Ni | As | Cd | Sn+杂质 |
| 成份分析(％) | 5.23 | 12.38 | 0.39 | 0.55 | 1.38 | 余量 |
上述的杂质为Pb、Zn、Fe和Al，其中，Pb为0.023，Zn为0.00019，Fe为0.0016，Al为0.00053。而生产要求Pb≤0.06；Zn≤0.050，Fe≤0.10；Al≤0.050。
下面对本实施例制备的合金材料进行力学试验，
(1)试样的选取：
用本实施例制备的合金制备5块15mm厚的试块作为布氏硬度试验的试样；布氏硬度的试验方法采用的是GB/T231《金属材料布氏硬度试验》；
用本实施例制备的合金制备5块直径为13mm、长为38mm的试块作为抗压试验的试样；抗压强度的试验方法采用的是GB/T7314《金属材料室温压缩试验方法》。
用本实施例制备的合金制备5块直径为10mm，有效长度为100mm的条形试样作为屈服强度和抗拉强度的试样，屈服强度、抗拉强度试验方法采用的是GB/T228.1《金属材料室温拉伸试验方法》。
(2)试验条件
布氏硬度值是使用一个直径10mm的钢球和500kg的负荷对试样施加30s形成的3个压痕的平均值。抗压强度值是形成试样长度25％的变形所需的单位负荷。屈服强度值是试样的一个确定测量长度的0.125％变形时所需的单位负荷。抗拉强度值是将试样拉断时所需的单位负荷。
布氏硬度、抗压强度、屈服强度、抗拉强度试验的室内温度10～25℃。
(3)试验结果见下表：
| 物理性能 | 第一组 | 第二组 | 第三组 | 第四组 | 第五组 | 平均值 |
| 布氏硬度 | 41.8 | 41.6 | 41.2 | 41.9 | 41.4 | 41.58 |
| 抗拉强度MPa | 95.21 | 95.34 | 96.78 | 94.33 | 93.63 | 95.06 |
| 抗压强度MPa | 149.51 | 150.79 | 149.65 | 150.58 | 149.81 | 150.07 |
| 屈服强度MPa | 61.449 | 60.32 | 60.67 | 61.98 | 61.3 | 61.16 |
Claims (3)
1.一种核电轴承用合金材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据合金材料各组分重量百分比称取配料铜、锡、锑、锡镍合金、砷锑合金、镉；
步骤二，向熔炼炉中投入组分锡总重量1/2至2/3的锡，全部铜和全部锑以及全部锡镍合金；
步骤三，启动熔炼炉，将炉温升至800℃～850℃，待炉料全部熔化后进行充分搅拌，并在合金液体温度800℃～850℃下保温1h；
步骤四，将上述合金液体保温后自然冷却至合金液体温度680℃～700℃，加入余量锡；
步骤五，将合金液体温度降温至520℃～540℃进行充分搅拌，并在520℃～540℃下加入精炼剂精炼除渣5min～10min；
步骤六，除渣处理后，将合金液体温度降至500℃，采用钟罩加入砷锑合金，熔化后保温20min-30min；
步骤七，待步骤六中保温处理完成后，将炉温降至480℃，加入镉；
步骤八，待镉熔化之后，在合金液体温度480℃下加入精炼剂，用氩气进行除气精炼5min～10min；
步骤九，精炼完成后将合金液体温度恒定在470℃～480℃下进行浇铸；
其中，该合金材料各组分重量百分比含量如下：Cu4.50～5.50，Sb10.00～13.00，Ni0.10～0.50，As0.30～0.70，Cd1.10～1.40，Sn79.00～82.50。
2.根据权利要求1所述的核电轴承用合金材料的制备工艺，其特征在于，所述熔炼炉为中频炉，整个制备工艺是在真空状态下的中频炉中振荡密闭进行熔炼。
3.根据权利要求1所述的核电轴承用合金材料的制备工艺，其特征在于，所述精炼剂为NH4Cl和松香。
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