CN104313365B

CN104313365B - 一种镍铝青铜的制备方法

Info

Publication number: CN104313365B
Application number: CN201410541694.XA
Authority: CN
Inventors: 吕玉廷; 吕维洁; 王立强; 徐小严; 毛建伟
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: CN104313365A

Abstract

本发明公开了一种镍铝青铜的制备方法；所述方法包括如下步骤：将纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉在1200～1300℃真空熔炼30～60分钟，非真空浇铸得铸锭，去除所述铸锭表面氧化物；对去除表面氧化物的铸锭表面进行搅拌摩擦处理；在500～675℃退火2～6小时后空冷。与现有技术相比，本发明经真空熔炼非真空浇铸‑搅拌摩擦加工‑热处理工艺制备的镍铝青铜的综合性能得到了明显提高，与非真空制备的镍铝青铜相比，组织更加细小均匀，强度和耐腐蚀性能明显提高。

Description

一种镍铝青铜的制备方法

技术领域

本发明属于海洋装备领域的材料制备方法，具体涉及一种镍铝青铜的制备方法。

背景技术

镍铝青铜是由铝青铜发展起来的一种合金，稳态二元合金铝青铜中含有γ”相，对铝青铜的机械和耐腐蚀性能产生不利影响，在铝青铜中加入镍、铁以及锰元素不但可以抑制γ”相的形成，而且可以细化晶粒，因其具有较高的强度、较好的断裂韧性以及耐腐蚀性能，是海洋装备螺旋桨桨叶、泵以及阀等部件的主要材料，提高其在复杂海洋工况下的腐蚀疲劳性能是制造高服役性能海洋装备的核心之一。

目前，在实际生产中使用的镍铝青铜一般为铸态，典型的铸态镍铝青铜的组织由粗大的α晶粒、多种κ相(κ_I、κ_II、κ_III、κ_IV)以及马氏体β’相组成，而且在铸造的过程中容易形成成分不均匀和孔洞等缺陷，粗大的显微组织和铸造过程中形成的缺陷降低了镍铝青铜的机械性能，复杂的显微组织容易使各个相之间发生电化学腐蚀，降低了材料的耐腐蚀性能。文献“WHARTON J A，BARIK R C，KEAR G，et al. The corrosion ofnickel-aluminium bronze in seawater[J].Corrosion Science，2005，47(12)：3336-67.”、“TAKALOO A V.Corrosion Behavior of Heat Treated Nickel-Aluminum Bronze Alloy in Artificial Seawater[J].MaterialsSciences and Applications，2011，02(11)：1542-55.”、“NAKHAIE D，DAVOODI A，IMANI A.The role ofconstituent phases on corrosion inifiaion of NiAl bronze in acidic media studied by SEM-EDS，AFM andSKPFM[J].Corrosion Science，2014，80(104-10.”己经报道了铸态镍铝青铜的腐蚀行为，研究表明铸态镍铝青铜具有腐蚀的pH依赖性，而且很容易受到选相腐蚀，一般来说，在pH小于3.5的弱酸性环境中，镍铝青铜的腐蚀起始位置为κ相，而在pH大于3.5或者在弱碱性环境中，镍铝青铜容易发生选相腐蚀，一般来说α+κ_III共析相中的α相首先发生腐蚀。另外，工业生产中一般采用非真空熔炼，在熔炼和浇铸的过程中容易引入杂质，对材料的机械和腐蚀性能产生不利影响。

为了提高镍铝青铜的机械和耐腐蚀性能，国内外专家学者对镍铝青铜在铸造、热加工以及表面覆层和改性方面进行了诸多尝试。镇江金叶螺旋桨有限公司和江苏大学分别申请了“锆微合金化、锆和锶以及钪、锆和锶复合微合金化的镍铝青铜及其制备方法”专利(专利号分别为：CN201210418967.2、CN201210417110.9和CN201210417859.3)，这些方法可以细化铸态组织的晶粒，提高镍铝青铜的机械和耐腐蚀性能。D.T.Mcdonald等人(GAO L，CHENG X.Microstructure and mechanical properties of Cu-10％Al-4％Fe alloy produced byequal channel angular extrusion[J].Materials&Design，2008，29(4)：904-8.)通过等径弯角挤压(ECAP)的方法对镍铝青铜进行大变形处理。J.A.Wharton等人(WHARTON JA，BARIK R C，KEAR G，et al. The corrosion of nickel-aluminium bronze in seawater[J].Corrosion Science，2005，47(12)：3336-67.)研究了锻态镍铝青铜的腐蚀性能。C.H.Tang等人(“TANG C H，CHENG F T，MAN H C.Improvement in cavitation erosion resistance of a copper-based propeller alloy by laser surface melting[J].Surface and Coatings Technology，2004，182(2-3)：300-7.”、“TANG C H，CHENG F T，MAN H C.Effect oflaser surface melting on the corrosion and cavitation erosion behaviors of a manganese-nickel-aluminiumbronze[J].Materials Science and Engineering：A，2004，373(1-2)：195-203.”)采用激光表面改性的方法对锰镍铝青铜(MAB)进行表面处理。K.Oh-ishi和D.R.Ni等人(“SWAMlNATHAN S，OH-ISHIK，ZHILYAEV A P，et al. Peak Stir Zone Temperatures during Friction Stir Processing[J].Metallurgical andMaterials Transactions A，2009，41(3)：631-40.”、“OH-ISHI K，CUEVAS A M，SWISHER D L，et al. TheInfluence of Friction Stir Processing on Microstructure and Properties of a Cast Nickel Aluminum BronzeMaterial[J].Materials Science Forum，2003，426-432(2885-90.”、“NI D R，XUE P，WANG D，et al.Inhomogeneous microstructure and mechanical properties of friction stir processed NiAl bronze[J].MaterialsScience and Engineering：A，2009，524(1-2)：119-28.”、“NI D R，XUE P，MA Z Y. Effect of Multiple-PassFriction Stir Processing Overlapping on Microstructure and Mechanical Properties of As-Cast NiAl Bronze[J].Metallurgical and Materials Transactions A，2011，42(8)：2125-35.”、“NI D R，XIAO B L，MA ZY，et al.Corrosion properties of friction-stir processed cast NiAl bronze[J].Corrosion Science，2010，52(5)：1610-7.”)研究了搅拌摩擦加工镍铝青铜后的机械和耐腐蚀性能。上述研究结果表明，经过微合金化铸造镍铝青铜以及镍铝青铜的热加工、表面覆层及改性，可以细化镍铝青铜的晶粒，在一定程度上改善材料的机械和腐蚀性能。但是还是存在一些问题，比如ECAP加工试样较小，无法应用于实际生产；热加工之后机械性能明显提高而耐腐蚀性能变化不大；而搅拌摩擦加工会产生较多的残余β相和残余应力，对材料的耐腐蚀性能产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种镍铝青铜的制造方法，从而改善材料的机械和耐腐蚀性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

本发明涉及一种镍铝青铜的制备方法，所述方法包括如下步骤：将纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉在1200～1300℃真空熔炼30～60分钟，非真空浇铸得铸锭，去除所述铸锭表面氧化物。温度较低或者熔炼时间较短容易产生成分不均匀，而温度较高或者熔炼时间太长容易使材料晶粒变大。更优选在1250℃真空熔炼40分钟。

优选的，所述方法还包括对去除表面氧化物的铸锭表面进行搅拌摩擦处理。

优选的，所述方法还包括从去除表面氧化物的铸锭中切割出块状铸体，对所述块状铸体表面进行搅拌摩擦处理；所述块状铸体为50mm×120mm×5mm的长方块。

优选的，所述搅拌摩擦处理时通入氩气进行冷却。

优选的，所述搅拌摩擦处理采用钨铼合金搅拌摩擦加工刀具；所述刀具轴肩直径为15mm，搅拌针端部直径为7mm，搅拌针根部直径为3mm，倾斜角为3°。

优选的，所述搅拌摩擦处理时，搅拌针的转速的变化范围为600～1200rpm，加工速度(搅拌针前进的速度)的变化范围为100～200mm。

优选的，所述搅拌摩擦处理后的块状铸体在500～675℃退火2～6小时后空冷。更优选在675℃退火4小时后空冷。675℃时发生残余马氏体相发生共析反应，能够提高基体的耐腐蚀。

优选的，所述镍铝青铜为国标铸造铝青铜9-4-4-2，按照组分占所述材料(纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉)总重的重量百分比含量：Al 3％、Ni 1.2％、Mn 2.5％、Fe 1.0％的比例准备纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉。

优选的，所述真空熔炼前放置材料时将铜铝合金放在最上方。

优选的，所述铸锭的尺寸为Φ150mm×240mm。

与现有技术相比，本发明经真空熔炼非真空浇铸-搅拌摩擦加工-热处理工艺制备的镍铝青铜的综合性能得到了明显提高，与非真空制备的镍铝青铜相比，组织更加细小均匀，强度和耐腐蚀性能明显提高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明工艺熔炼的镍铝青铜显微组织OM图；

图2为本发明工艺搅拌摩擦加工之后的镍铝青铜显微组织OM图；

图3为本发明工艺热处理之后的镍铝青铜显微组织OM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

准备纯铜板、铜铝合金块(铜铝质量比为1：1)、纯镍板、纯铁板以及锰粉，质量分别为37.4kg、10.5kg、2.3kg、2.2kg和0.65kg。熔炼之前首先对板材进行表面处理，去除油污和表面氧化皮，然后将材料放入炉膛内，其中铜铝合金放在最上面，关闭炉膛，然后抽真空，在1250℃熔炼40分钟，在此期间不断用搅拌棒搅拌，打开炉膛，在溶液上面撒些结渣剂，然后浇铸到圆柱形模具中。冷却后，用车床车掉铸件表面的氧化皮直至看不到大大夹杂和气孔。用电火花线切割成拉伸试样，制得国标铸造铝青铜9-4-4-2，测得室温拉伸性能数据为：

抗拉强度：710MPa，屈服强度：424MPa，延伸率：15.4％，显微硬度：195HV

实施例2

其他条件同实施例1，实施例2中采用非真空熔炼，在1250℃达到沸腾时，在上面撒些覆盖粉，熔炼40分钟，在此期间不断用搅拌棒搅拌，浇铸前捞出覆盖粉，撒入一些结渣粉，然后浇铸。图1表明，用本工艺成功地获得杂质较少，烧损率较小的镍铝青铜合金。测得室温拉伸性能数据为：

抗拉强度：597MPa，屈服强度：413MPa，延伸率：7.0％，显微硬度：170HV。

实施例3

其他条件同实施例1，实施例3中将车好的铸件线切割出50mm×120mm×5mm长方块，清洗掉上面的油污，然后用磨床将表面磨平，对其表面进行搅拌摩擦加工，搅拌针对转速为2000rpm/min，加工速度为150mm/min，倾斜角为3°，在加工的过程中吹氩气冷却。将试样表面抛光后测得的显微硬度为292HV，但是试样的显微组织主要由魏氏体α和残余β相组成(见图2)，具有较差的腐蚀性能。由图2可见，经搅拌摩擦加工表面处理后，得到了组织均匀细小的镍铝青铜，显微组织主要由魏氏体组织组成。

实施例4

其他条件同实施例3，实施例4中搅拌摩擦加工后的样品在675℃退火4小时之后空冷。将试样表面抛光后测得的显微硬度为260HV，显微组织由均匀细小的α相和较少的残余β组成(见图3)，具有较好的耐腐蚀性能。

由图3可见，搅拌摩擦加工试样经热处理后，魏氏体组织转化成细小的α晶粒，晶粒大小约为2～3μm。

综上所述，本发明工艺所得到的镍铝青铜合金的组织均匀细小，减少了残余α和残余应力，明显改善了镍铝青铜合金的机械和耐腐蚀性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉在1200～1300℃真空熔炼30～60分钟，非真空浇铸得铸锭，去除所述铸锭表面氧化物；

所述方法还包括对去除表面氧化物的铸锭表面进行搅拌摩擦处理；所述搅拌摩擦处理采用钨铼合金搅拌摩擦加工刀具；所述刀具轴肩直径为15mm，搅拌针端部直径为7mm，搅拌针根部直径为3mm，倾斜角为3°；所述搅拌摩擦处理时，搅拌针的转速为600～1200rpm，搅拌针前进的速度为100～200mm；

所述搅拌摩擦处理后的块状铸体在500～675℃退火2～6小时后空冷。

2.根据权利要求1所述的镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述方法还包括从去除表面氧化物的铸锭中切割出块状铸体，对所述块状铸体表面进行搅拌摩擦处理；所述块状铸体为50mm×120mm×5mm的长方块。

3.根据权利要求1所述的镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述搅拌摩擦处理时通入氩气进行冷却。

4.根据权利要求1所述的镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述镍铝青铜为国标铸造铝青铜9-4-4-2。

5.根据权利要求1所述的镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述真空熔炼前放置材料时将铜铝合金放在最上方。

6.根据权利要求1所述的镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述铸锭的尺寸为Φ150mm×240mm。