CN105441712B - 一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料 - Google Patents

一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料 Download PDF

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Abstract

一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，铜基复合合金新材料的成分包含二硼化钛(TiB2)和铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)，其中，铜基复合合金新材料的各成分组成按体积百分比分别为：二硼化钛(TiB2)：5‑7.5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)：92.5‑95％。本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，将二硼化钛(TiB2)材料通过一定的技术手段均匀分布在现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料中，因此具有比现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性，可适用于更高温度的蒸汽环境当中，从而拓展现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料在核能蒸汽管道中的应用范围。

Description

一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金 新材料
技术领域
本发明涉及铜基合金材料，特别是涉及一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料。
背景技术
二硼化钛(TiB2)是一种具有六方晶体结构的灰色或灰黑色的粉末或晶体材料；熔点是2980℃，密度是4.52g/cm3。二硼化钛(TiB2)具有很高的硬度，在空气中抗氧化温度能达到1000℃，在盐酸(HCl)和氢氟酸(HF)中稳定，具有优良的热稳定性、抗氧化性能及导电性能；主要用于导电陶瓷材料、陶瓷切削刀具及模具、复合陶瓷材料、铝电解槽阴极涂层材料及铝、铁、铜等金属材料的强化剂。
国标铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)是一种多组分铸造青铜材料，它具有易加工、铸造性能好、耐腐蚀等特性；主要应用于制造在海水、淡水和蒸汽中工作的管配件。但是，由于铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料自身的原因，在核驱动蒸汽系统中的应用受到较大限制。只有在保证铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)原有特性的前提下进一步提升该材料的强度才能拓展该材料在核蒸汽驱动系统中应用的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高强度的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料， 铜基复合合金新材料的成分包含二硼化钛(TiB2)和铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)，其中，铜基复合合金新材料的各成分组成按体积百分比分别为：二硼化钛(TiB2)∶5-7.5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶92.5-95％。
进一步地，铜基复合合金新材料的各成分组成按体积百分比分别为：二硼化钛(TiB2)∶5.5-7％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶93-94.5％。
进一步地，二硼化钛(TiB2)的粒径在600μm-900μm范围内。
进一步地，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
一种上述核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼；
步骤2：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测；
步骤3：将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，然后进一步升高温度到保持温度并在保持温度下保持；
步骤4：保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材；
步骤5：将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
进一步地，步骤1中的熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为4-4.5小时。
进一步地，步骤3中的保持温度为1450℃-1550℃，保持时间为25-35分钟。
进一步地，步骤4中的保温时间为30-35分钟，铸造温度为1200℃-1250℃。
本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新 材料，将二硼化钛(TiB2)材料通过一定的技术手段均匀分布在现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料中，利用高纯度二硼化钛(TiB2)高硬度、优良的热稳定性的性能，实现铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料的性能的进一步提升。本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料具有比现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料更高的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性，可适用于更高温度的蒸汽环境当中，从而拓展现有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料在核能蒸汽管道中的应用范围。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，铜基复合合金新材料的成分包含二硼化钛(TiB2)和铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)，其中，铜基复合合金新材料的各成分组成按体积百分比分别为：二硼化钛(TiB2)∶5-7.5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶92.5-95％。二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径在600μm-900μm范围内。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T1176-2013的标准。
本发明提供的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为4-4.5小时。
步骤2：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
步骤3：将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1450℃-1550℃并保持25-35分钟。
步骤4：保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温30-35分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1200℃-1250℃；
步骤5：将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
实施例一：
按体积百分比为：二硼化钛(TiB2)∶5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶95％准备原料。其中二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径为600μm。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
首先，按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1100℃，熔炼时间为4.5小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
接着，将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1550℃并保持35分钟。
接着，保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温35分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1250℃；
最后，将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理， 并按照出厂标准包装。
制备的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均高于原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料，可适用于更高温度的蒸汽环境中，原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)适用于200℃以下的环境，本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料适用于340℃以下的环境。
实施例二：
按体积百分比为：二硼化钛(TiB2)∶5.5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶94.5％准备原料。其中二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径为700μm。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
首先，按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1080℃，熔炼时间为4.4小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
接着，将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1530℃并保持33分钟。
接着，保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温34分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1230℃；
最后，将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
制备的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材 料的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均高于原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料，可适用于更高温度的蒸汽环境中，原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)适用于200℃以下的环境，本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料适用于346℃以下的环境。
实施例三：
按体积百分比为：二硼化钛(TiB2)∶6％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶94％准备原料。其中二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径为830μm。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
首先，按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1060℃，熔炼时间为4.3小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
接着，将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1500℃并保持30分钟。
接着，保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温32分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1220℃；
最后，将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
制备的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均高于原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料，可适用于更高温度的蒸汽环境中，原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)适用于200℃以下的环境，本发明的核能蒸汽管道用高 强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料适用于350℃以下的环境。
实施例四：
按体积百分比为：二硼化钛(TiB2)∶7％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)∶93％准备原料。其中二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径为880μm。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
首先，按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1050℃，熔炼时间为4.1小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
接着，将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1480℃并保持27分钟。
接着，保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温32分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1210℃；
最后，将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
制备的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均高于原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料，可适用于更高温度的蒸汽环境中，原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)适用于200℃以下的环境，本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料适用于343℃以下的环境。
实施例五：
按体积百分比为：二硼化钛(TiB2)：7.5％，铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)：92.5％准备原料。其中二硼化钛(TiB2)是通过已知的方法制得，二硼化钛(TiB2)的粒径为900μm。铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
首先，按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)的化学成分要求将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体体积在熔炉体积的99％以下，熔炼温度为1000℃，熔炼时间为4小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体进行成分检测，以确定铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的化学成分在国标要求范围之内。
接着，将二硼化钛(TiB2)粉体放入检验合格的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，进一步升高温度到1450℃并保持25分钟。
接着，保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温30分钟，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材，铸造温度为1200℃；
最后，将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
制备的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的强度、硬度、耐磨性以及耐腐蚀性均高于原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)材料，可适用于更高温度的蒸汽环境中，原有的铜合金(ZCuSn3Zn11Pb4)适用于200℃以下的环境，本发明的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料适用于338℃以下的环境。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。

Claims (7)

1.一种核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，其特征在于，所述铜基复合合金新材料的成分包含二硼化钛和铜合金ZCuSn3Zn11Pb4，其中，所述铜基复合合金新材料的各成分组成按体积百分比分别为：所述二硼化钛：5.5-7％，所述铜合金ZCuSn3Zn11Pb4：93-94.5％。
2.根据权利要求1所述的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，其特征在于，所述二硼化钛的粒径在600μm-900μm范围内。
3.根据权利要求1所述的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料，其特征在于，所述铜合金ZCuSn3Zn11Pb4的铸造是按照国标GB/T 1176-2013的标准。
4.一种上述权利要求1-3中任一项所述的核能蒸汽管道用高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合合金新材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：将电解铜、锡、锌、铅按照重量比例放入电炉中熔炼；
步骤2：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金ZCuSn3Zn11Pb4液体进行成分检测；
步骤3：将二硼化钛粉体放入检验合格的铜合金ZCuSn3Zn11Pb4液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌以均匀混合，然后进一步升高温度到保持温度并在保持温度下保持；
步骤4：保温与铸造，将熔炼完成的铜基复合合金新材料保温，采用连续铸造的方式将铜基复合合金新材料铸造成铜基复合合金新材料棒材；
步骤5：将铸造完成的铜基复合合金新材料棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1中的熔炼温度为1000℃-1100℃，熔炼时间为4-4.5小时。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中的保持温度为1450℃-1550℃，保持时间为25-35分钟。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4中的保温时间为30-35分钟，铸造温度为1200℃-1250℃。
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