CN104372188B

CN104372188B - 一种高硅镍铜合金铸件的制备方法

Info

Publication number: CN104372188B
Application number: CN201310363031.9A
Authority: CN
Inventors: 郑启; 韦华; 张洪宇; 王志辉; 张朝威; 金涛; 孙晓峰; 胡壮麒
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2033-08-16
Also published as: CN104372188A

Abstract

本发明公开了一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，该方法首先按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3‑7min，然后降温至1260～1320℃进行浇铸，获得近成型合金铸件；凝固控制工艺为：初始冷却速度为90～180℃/s，铸件温度达到900～1100℃后，将冷却速度降至0.01～0.1℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。本发明可有效改善高硅镍铜合金塑性及其机械加工性能。

Description

一种高硅镍铜合金铸件的制备方法

技术领域

本发明涉及一种有色合金铸件的制备技术领域，具体涉及一种可有效改善高硅镍铜合金塑性及其机械加工性能的高硅镍铜合金铸件的制备方法。

背景技术

镍-铜合金（GB5235-38），是以70/30的镍铜固溶体为基体的一类合金，在工程应用上具有悠久的历史。合金具有易成型、易钎焊、易切削等特点，同时还具有高的强度和硬度及优良的耐热，耐腐蚀性能。因此被广泛的使用于航空、航海、化工、原子能、等领域。

高硅镍铜合金材料是一种弥散强化型合金，结合Cu、Fe、Mn等固溶强化。俄罗斯相近牌号为НМКЖМц30-4-2-1，美国相应牌号主要有S Monel和Monel505，也称高强度蒙乃尔合金。与普通镍铜合金比较，其中Si含量高达4wt.%，形成Ni₃Si弥散强化相，显著提高了合金的强度和再结晶温度，使合金具有高硬度、高强度、高耐磨和优良的抗粘合、抗高温、耐腐蚀等特点，综合性能超过铝青铜和普通镍铜合金，特别适合于制作先进航空发动机燃油调节系统的精密摩擦器件。俄罗斯现行生产的AЛ-31ф和HP-31B发动机主燃油泵、PCф-31B发动机喷口加力燃油泵、Aц25-TЛ发动机的燃油调节器等附件的摩擦零件，以及英国道蒂公司现行生产的燃油附件均采用高硅镍铜合金制造，显著提高了燃油调节系统的可靠性和工作寿命。

镍铜合金中加入显量Si元素后显著提高了合金的使用性能，但也大幅度降低合金的工艺性能，合金形成气孔、缩孔和裂纹倾向性增大，给合金冶炼和铸造带来新的难题。由于Cu30%左右的镍铜合金的液固相线间距约为50℃。凝固时，富镍树枝晶首先从熔体中析出，最后凝固的是相对富铜部分。其典型组织是单相固溶体，铸态下形成树枝晶并产生偏析，由于树枝晶相当发达，凝固时严重阻碍了合金液的补缩，这成为铸件内部产生显微缩松的主要原因。另外，常温下Ni和Cu在大气中很稳定，不易氧化。但在高温下，液态镍和铜很容易被空气中的氧所氧化，还有炉气中的水蒸气、一氧化碳、二氧化碳等都能使合金发生氧化。氧化产物Cu₂O、NiO以及Ni2C、Ni₃S₂等都可溶解在镍铜合金中，且随温度升高溶解度增加。在凝固时，一方面，由于Cu₂O、Ni₃S₂等以低熔点共晶体形式析出于晶界，使合金变脆。另一方面，NiO，Ni₂C，Ni₃S₂等的溶解度随温度下降而促使氧化反应逆向进行，在合金中产生析出性气孔。

国内一些部门也曾有类似合金的开发，但在合金工艺和综合性能上与国外相比性能差距较大。存在的最主要问题是在铸件中存在严重的褐色断口，部分铸件甚至出现了整体断裂的现象，难以铸造与加工成形。另外，高硅镍铜合金主要用作发动机燃油调控系统，其零件形状复杂，精度要求高。但由于现有工艺制备的合金铸件塑性低、加工性能差，故零件加工成品率极低，限制了其使用。所以就需要开发一种新的高硅镍铜合金及其铸件的铸造工艺和零件制备技术，满足零部件的制造和使用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种可有效改善合金塑性及机械加工性能，提高零件加工成品率的高硅镍铜合金铸件的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）合金熔炼：按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3-7min，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；

（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得近成型合金铸件；浇铸温度1260～1320℃；

（3）凝固过程：近成型合金铸件凝固控制工艺为：初始冷却速度为90～180℃/s，铸件温度达到900～1100℃后，将冷却速度降至0.01～0.1℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。

制得的高硅镍铜合金铸件按使用要求不同，可在铸态或热处理状态下使用。

热处理制度为：固溶处理：920～980℃，保温30～45min，油淬；

时效处理：580℃，保温6～8h，空冷。

步骤（2）浇铸过程中，浇铸近成型合金铸件采用Al₂O₃制备陶瓷型壳。

步骤（2）浇铸前，浇铸的模壳在850℃以上预热3～5h。

冶炼坩埚选用MgO坩埚，测温系统为W－Re电偶，测温保护套管为外层涂覆ZrO₂(或CeO)和BN的Mo-Al₂O₃金属陶瓷管。

按重量百分含量计，本发明高硅镍铜合金的化学成分为：Cu：29～32％；Si：3.5～4.7％；Fe：1.5～2.8％；Mn：0.5～1.5％；C≤0.2％；Ni余量。

本发明设计原理如下：

本发明在高硅镍铜合金铸件的制备中采用一种新型的分段式凝固控制工艺，控制高硅镍铜合金铸件凝固过程中不同阶段的凝固速度，在凝固初期，采用较快冷却速度，使合金铸件中形成细晶；在凝固中期，采用较为缓慢的冷却速度，减小合金中内应力生成；在凝固后期，可使铸件自然冷却至室温。

高硅镍铜合金是典型的枝晶结构（图2-a），主要依靠脆性的Ni₃Si相在基体中弥散析出，达到沉淀强化作用（图2-b）。但现有合金铸件制备工艺由于凝固过程冷却速度快，合金内部容易产生较大内应力，在应力作用下，合金凝固过程会生成大量位错，位错的运动和聚集会形成部分高能量区，致使Ni₃Si相在该区域聚集长大，这不仅达不到强化合金目的，反而成为合金内部的裂纹源，降低合金塑性和加工性能。本发明通过控制合金冷却速度，调整合金在不同凝固阶段的晶粒尺寸及组织状态，减小了合金中的内应力，抑制合金中的位错生成，从而避免脆性Ni₃Si相在某一区域的聚集长大，促使其在合金基体中均匀弥撒的析出，达到强化合金的目的。解决了以往此类合金中存在的内裂纹及加工成型难的问题。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、工艺简单：在不改变合金成分和冶炼工艺的基础上，通过对凝固过程的控制，达到改善合金性能的目的。

2、合金组织改善：合金中脆性Ni₃Si相细小弥散分布，无聚集长大，强化合金效果明显。

3、合金性能提高：合金拉伸塑性可达4%，加工成形性良好。

4、铸造性能好：可浇铸出形状复杂的部件，铸件不发生热裂，内部无微裂纹。

附图说明

图1是本发明的凝固工艺曲线图。

图2是采用本发明工艺的合金组织形态；图中：（a）合金典型铸态组织；（b）合金中Ni₃Si相的形貌。

图3是合金的拉伸性能曲线。

图4是合金铸件毛坯的断口形貌；图中：（a）对比例1；（b）实施例1。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

实施例1

合金采用10Kg真空感应炉熔炼，浇铸合金试棒。精炼温度为1450℃，精炼时间为3min，真空度是0.1Pa，浇注温度为1300℃。

合金试棒在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为120℃/s，铸件温度达到1000℃后，将冷却速度降至0.04℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，使铸件自然冷却至室温，合金凝固工艺曲线如图1。本实施例合金成分见表1。

表1高硅镍铜合金成分（wt%）

化学成分

Cu

Si

Fe

Mn

C

Ni

含量（wt.%）

31.5

3.9

1.98

1.13

0.021

余量

表2是本实施例制备的合金铸件的拉伸性能，拉伸曲线如图3。可见，采用本发明凝固控制工艺后的合金拉伸强度和塑性，与技术标准比较，都得到了明显的提高。

表2高硅镍铜合金拉伸性能

拉伸性能	σ_b,MPa	δ,%
			技术标准	≥500	≥0.5	LTJ502-1990
实施例1合金铸件	1030	3.9

对比例1

高硅镍铜合金化学成分同实施例1，采用普通的高硅镍铜合金铸件的制备工艺，过程如下：

（1）母合金锭的熔炼及浇铸过程同实施例1。

（2）合金试棒在凝固过程中不采用凝固控制工艺：铸件浇铸后自然冷却至室温。

表3不同凝固工艺高硅镍铜合金拉伸性能

拉伸性能	σ_b,MPa	δ,%
			实施例1合金铸件	945	9.0
对比例1合金铸件	686	1.0

对比例1中采用普通的浇铸工艺，铸件在凝固过程中易生成微小的内裂纹，并在裂纹表面产生高温氧化，致使铸件断口曾现出轻微的氧化色（图4-a）。图4-b是实施例1合金铸件毛坯的断口形貌，铸件断口有明显的金属光泽并表现出良好的塑性。表明采用本发明凝固控制工艺后，合金在凝固过程中微裂纹得到抑制，避免了铸件内部高温氧化。

实施例1浇铸出的毛坯铸件，合金组织致密，强化相细小弥散，内部铸造缺陷少，经过长时的考核试验，铸件仍保持平稳性能，状况良好。解决了高硅镍铜合金铸造中的脆断和内裂纹这一难题，使合金性能得到改善。

实施例2

本实施例合金成分见表4。

表4高硅镍铜合金成分（wt%）

化学成分

Cu

Si

Fe

Mn

C

Ni

含量（wt.%）

30.9

4.05

2.12

0.98

0.025

余量

合金采用凝固控制工艺浇铸成型拉伸试棒，同时进行热处理，过程如下：

（1）合金采用10Kg真空感应炉熔炼，浇铸合金试棒。精炼温度为1480℃，精炼时间为5min，真空度是0.1Pa，浇注温度是1280℃。

（2）合金试棒在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为150℃/s，铸件温度达到1000℃后，将冷却速度降至0.05℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，使铸件自然冷却至室温。

（3）制得合金铸件的热处理制度为：

固溶制度：920～980℃，保温30～45min，油淬；

时效制度：580℃，保温6～8h，空冷。

表5列出了本实施例合金铸态与热处理后合金的室温拉伸性能及其硬度值。

表5合金热处理态与铸态性能对比

样品状态	σ_b,MPa	σ_0.2,MPa	δ,%	HRc
					热处理	1110	1010	7.0	42.0
铸态	990	870	4.0	37.0

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：所述高硅镍铜合金按重量百分比计的化学成分为：Cu：29～32％，Si：3.5～4.7％，Fe：1.5～2.8％，Mn：0.5～1.5％，C≤0.2％，Ni余量；该合金铸件的制备方法包括如下步骤：

(1)合金熔炼：按照高硅镍铜合金的化学成分配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3-7min，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；

(2)浇铸过程：经步骤(1)处理后的合金进行浇铸，获得近成型合金铸件；浇铸温度1260～1320℃；

(3)凝固过程：近成型合金铸件凝固控制工艺为：初始冷却速度为90～180℃/s，铸件温度达到900～1100℃后，将冷却速度降至0.01～0.1℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。

2.根据权利要求1所述的高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：所述高硅镍铜合金铸件的热处理制度为：

固溶处理：920～980℃，保温30～45min，油淬；

时效处理：580℃，保温6～8h，空冷。

3.根据权利要求1所述的高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤(2)浇铸过程中，浇铸近成型合金铸件采用Al₂O₃制备陶瓷型壳。

4.根据权利要求1或3所述的高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：步骤(2)浇铸前，浇铸的模壳在850℃以上预热3～5h。

5.根据权利要求1所述的高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：冶炼坩埚选用MgO坩埚，测温系统为W－Re电偶；测温保护套管为外层涂覆ZrO₂和BN的Mo-Al₂O₃金属陶瓷管，或者为外层涂覆CeO和BN的Mo-Al₂O₃金属陶瓷管。