CN104862522B - 一种镍铝青铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍铝青铜合金，该镍铝青铜合金含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 9.5‑11.5、Fe 3.0‑4.5、Ni 3.5‑4.5、Mn 3‑4，余量为Cu。本发明还提供了该镍铝青铜合金的制备工艺，先根据各化学元素质量百分比并考虑烧损量配置原材料；然后将原材料投入炉中熔化并冷却成锭，然后以8‑10℃/min的速度从室温加热至950℃‑980℃，保温2小时以上，取出样品放入水中淬火，再以8‑10℃/min的速度加热至300‑450℃，保温1‑3小时，放入空气中冷却即得。本发明的镍铝青铜合金具有高硬度和高耐磨性能，干摩擦系数在0.25左右，显微硬度可达460HV，在船用螺旋桨、大型泵用叶片、紧固件、海水管件、焊接、防爆器材以及海水淡化等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种镍铝青铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属合金材料的制造领域，尤其涉及一种镍铝青铜合金材料及其制备方法。
背景技术
镍铝青铜合金具有良好的综合力学性能及优异的耐应力腐蚀开裂、耐腐蚀疲劳、耐空泡腐蚀、耐冲蚀和抗海生物污损等性能。镍铝青铜合金在耐海水腐蚀疲劳方面远远超过不锈钢和黄铜，比锰青铜还好；镍铝青铜合金在耐冲蚀方面也远远高于黄铜，与B30合金相近，而且耐空泡腐蚀性能格外好，镍铝青铜合金在船用螺旋桨、大型泵用叶片、紧固件、海水管件等部件上获得了广泛的应用。随着工业的发展，镍铝青铜合金在焊接、防爆器材以及海水淡化方面也具有广泛的应用前景。在实际使用中，为满足不同的要求，常在镍铝青铜合金中添加一定量的Fe、Mn等合金元素来改善合金的性能。近年来，通过添加微量合金元素来进一步增加合金的综合性能，这些微量元素主要包括Si、Sn、Pb、Zn、Zr和稀土元素等。这样无疑增加了镍铝青铜合金熔炼过程中的工艺难度及整体成本。
《材料导报》杂志2007年11月第21卷专辑IX第450页至第452页及第459页“镍铝青铜合金的应用与研究现状”一文介绍了镍铝青铜合金螺旋桨铸件，该产品化学元素成分及其质量百分比为：Cu 77-82、Al7.0-11.0、Mn 0.5-4.0、Zn 0.1、Fe 2.0-6.0、Ni 3.0-6.0、Sn 0.1、Pb 0.03。同时还介绍了其它常规镍铝青铜合金，但其仅列出了一些含量的范围，并没有数据支持是否具有良好的性能。
发明内容
本发明提供一种镍铝青铜合金，该镍铝青铜合金材料具有高硬度、高耐磨性，成分简单可控制，成本低廉的优点。
本发明的技术方案如下：
一种镍铝青铜合金，该材料含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 9.5-11.5、Fe 3.0-4.5、Ni 3.5-4.5、Mn 3-4，余量为Cu。
本发明对镍铝青铜中Mn含量的成分范围进行了优化，发现Mn含量在3.8-4.0范围内时，经过固溶处理，水冷和时效处理后空冷得到的合金具有较高的显微硬度和较好的耐磨性能。在此成分范围内的Mn含量提高了镍铝青铜合金淬火组织中残余马氏体相β'，使其在时效过程中可以在更高的温度进行，从而既能使镍铝青铜合金在时效过程中K相析出强化和弥散强化作用更加明显，又能保留镍铝青铜合金中马氏体相β'，综合提高镍铝青铜合金的硬度及耐磨性能。同时，Mn元素在镍铝青铜合金中有一定固溶度，有很明显的细化晶粒和固溶强化的作用，特别是Mn元素和Fe元素的综合作用可以进一步细化镍铝青铜合金的晶粒，起到提高镍铝青铜合金的综合力学性能的作用。
由于Al元素在高温时氧化严重，产生的氧化铝或分散或集中于铜液中，很难上浮，浇铸时会带入铸件，形成疏松，使铸件的致密性下降。含铝高的铜合金在浇铸时，由于二次氧化严重，也会产生疏松，影响致密性。而Mn元素在熔炼过程中可以作为脱氧剂，增加熔体的流动性，提高铸件的致密性，从而提高镍铝青铜合金的综合力学性能。经过热处理强化的Mn含量为3.8-4.0的镍铝青铜合金干磨摩擦系数达到0.25左右，显微硬度值最高可达460HV。
优选地，所述镍铝青铜合金含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 11.11、Fe 3.21、Ni 4.58、Mn 3.84，余量为Cu。
本发明发现当镍铝青铜合金含有的Mn的质量百分比在3.84时，对所述镍铝青铜合金晶粒细化和固溶强化作用最强、铸件致密性最高，对同时保留马氏体相β'与K相析出强化、弥散强化起到的作用最大，得到性能优良的镍铝青铜合金。
本发明还提供了所述镍铝青铜合金的制备方法。该制备方法通过一次熔化而成，其热处理工艺参数选择范围广。
所述镍铝青铜合金材料的制备方法，依次包括：
(1)根据所述镍铝青铜合金各化学元素质量百分比及烧损量配置原材料；
(2)将上述原材料投入炉中熔化并冷却成锭；
(3)将上述预热处理后的材料以8-10℃/min的速度从室温加热至950℃-980℃，保温2小时以上，取出样品立刻放入水中淬火，再以8-10℃/min的速度加热至300-450℃，保温1-3小时，放入空气中冷却即得。
优选地，将所述锭以8-10℃/min的速度加热至950℃保温2小时，取出样品立刻放入水中淬火，再以10℃/min的速度加热至450℃，保温2小时，放入空气中冷却，即得镍铝青铜合金。此时制备的镍铝青铜合金具有较高怕硬度及耐磨性能。
上述配置原材料，可以根据计算镍铝青铜合金各化学元素质量百分比并考虑烧损量，取适量的纯铜、纯铝、纯镍、纯铁、纯锰，配置原材料；也可以根据计算镍铝青铜合金配比并考虑烧损量，用含以上各合金元素的各种中间合金配置原材料。
在所有原材料完全熔化后，可以通过搅拌达到均匀成分以及除气的作用，静置一段时间后再冷却成锭。
在上述较高温度下进行热处理，既能使镍铝青铜合金在时效过程中K相析出强化和弥散强化作用更加明显，又能保留镍铝青铜合金中马氏体相β'，从而综合提高了镍铝青铜合金的硬度及耐磨性能。
本发明的有益效果是：
本发明通过向镍铝青铜合金中添加适量的Mn元素，可提高镍铝青铜合金的硬度和耐磨性能。Mn元素的增加提高了镍铝青铜合金中残余马氏体相β'的热稳定性，允许在更高的温度下进行热处理，从而既能使镍铝青铜合金在时效过程中K相析出强化和弥散强化作用更加明显，又能保留镍铝青铜合金中马氏体相β'，综合提高镍铝青铜合金的硬度及耐磨性能，使其干磨摩擦系数达到0.25左右，显微硬度值最高可达460HV。
本发明制备的镍铝青铜合金在船用螺旋桨、大型泵用叶片、紧固件、海水管件、焊接、防爆器材以及海水淡化等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的镍铝青铜合金的金相组织。
图2是本发明对比例1制备的常规镍铝青铜合金的金相组织。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
分别取用电解铜、纯铝、纯镍、纯铁和纯锰作为原材料，原材料质量比例为74:10:4:4:8。将原材料一次填装于坩埚中并加热，先预热后迅速加热，待铜块开始熔化后搅拌，让高熔点金属铁、镍、锰更快熔化。待所有金属完全熔化后继续搅拌，达到均匀成分和除气的作用，静置一段时间后将金属液冷却成锭。
将上述锭由室温以8-10℃/min的速度加热至950℃保温2小时，取出样品立刻放入水中淬火。再以10℃/min的速度加热至450℃，保温2小时，放入空气中冷却，即得。
本实施例中镍铝青铜合金材料含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 11.11、Fe3.21、Ni4.58、Mn3.84，余量为Cu。
本实施例制备得到镍铝青铜合金的金相组织如图1所示，K相组织细小，显微硬度值为458.9HV，在往复式摩擦磨损机(频率2Hz，载荷5N，时间20min，往复距离为5mm，摩擦对偶件为直径为3mm的GCr15小球)上的干摩擦系数为0.2545，磨损量为0.01335mm3。
对比例1
分别取用电解铜、纯铝、纯镍、纯铁和纯锰作为原材料，质量比例为78:10:4:4:4。将原材料一次填装于坩埚中并加热，先预热后迅速加热，待铜块开始熔化后搅拌，让高熔点金属铁、镍、锰更快熔化。待所有金属完全熔化后继续搅拌，达到均匀成分和除气的作用，静置一段时间后将金属液冷却成锭。
将上述锭由室温以8-10℃/min的速度加热至950℃保温2小时，取出样品立刻放入水中淬火。再以10℃/min的速度加热至450℃，保温2小时，放入空气中冷却即得。
本对比例制备的镍铝青铜合金，含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 10.63、Fe 3.35、Ni 4.32、Mn 0.86，余量为Cu。
本实施例制备得到镍铝青铜合金的金相组织如图2所示，K相组织大，显微硬度值为409.0HV，在往复摩擦磨损试验机(频率2Hz，载荷5N，时间20min，往复距离为5mm，摩擦对偶件为直径为3mm的GCr15小球)上的干摩擦系数为0.2826，磨损量为0.01578mm3。
可见，相对于对比例1的镍铝青铜合金，实施例1的镍铝青铜合金的K相组织更小，显微硬度值增加了49.9HV，干摩擦系数降低了9.9％，磨损量降低了15.4％，具有显著优良的硬度和耐磨性能。
以上仅列出了一种优选的镍铝青铜合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实施例，适当地调整各组份的配比并按上述步骤进行制造，即可获得所需镍铝青铜合金。

Claims (5)

1.一种镍铝青铜合金，其特征在于，其含有的化学元素成分及其质量百分比为：Al 11.11、Fe 3.21、Ni 4.58、Mn 3.84，余量为Cu;
所述的镍铝青铜合金的制备方法，依次包括：
（1）根据所述化学元素成分及其质量百分比并考虑烧损量配置原材料；
（2）将所述原材料投入炉中熔化并冷却成锭；
（3）将所述锭以8-10℃/min的速度从室温加热至 950℃-980℃，保温2小时以上，取出样品立刻放入水中淬火，再以8-10℃/min的速度加热至300-450℃，保温1-3小时，放入空气中冷却即得。
2.根据权利要求1所述的镍铝青铜合金，其特征在于，将所述锭以8-10℃/min的速度加热至950℃保温2小时，取出样品立刻放入水中淬火，再以10℃/min的速度加热至450℃，保温2小时，放入空气中冷却，即得。
3.根据权利要求1或2所述的镍铝青铜合金，其特征在于，进行所述的熔化时搅拌并静置后，再冷却成锭。
4.根据权利要求1或2所述的镍铝青铜合金，其特征在于，所述的原材料为纯铝、纯铁、纯镍、纯锰和纯铜。
5.根据权利要求1或2所述的镍铝青铜合金，其特征在于，所述的原材料为含有所述化学元素的中间合金。
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