CN106319281A - 一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅2～6.2％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量百分比原料：铝1～2％、镍1～3％、锰0.5～1％、锡3～8％、硅0.2～0.5％、锌0.8～1.8％、余量为铜。本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，较高的强度和硬度，加工及铸造性能好，相比于传统铜基合金材料，减少了铅元素对环境的污染，有效的提高了新材料的加工及铸造性能，其制备方法简单，原料配比科学，值得推广。

Description

一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料
技术领域
本发明涉及合金新材料技术领域，尤其涉及一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料。
背景技术
海洋工程即海洋资源的开发与利用。海洋覆盖了地球表面的70.8％，总面积为3.7％亿平方公里，海洋平均深度3800米，蕴蓄着非常丰富的资源。在世界面临资源缺乏的压力下，海洋产业越来越显示其重要地位。在不影响生态平衡的条件下，海洋资源的开发与利用前景广阔。
纳米碳化硅是一种通过一定的技术条件，在普通碳化硅材料的基础上制备出的一种纳米材料，其具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低，极好的力学、热学、电学和化学性能，即具有高硬度、高耐磨性和良好的自润滑、高热传导率、低热膨胀系数及高温强度大等特点。纳米碳化硅由于自身的微观形貌和晶体结构使其具备更多独特的优异性能和更加广泛的应用前景。近年来，不少研究表明：微米级碳化硅晶须已被应用于增强陶瓷基、金属基和聚合物基复合材料，这些复合材料均表现出良好的机械性能，可以想象用强度硬度更高及长径比更大的碳化硅一维纳米材料作为复合材料的增强相，将会使其性能得到进一步增强。国标铜合金(ZCuSn3Zn8Pb6Ni1)是一种多组分铸造青铜材料，它具有耐磨性较好、易加工、铸造性能好、气密性好、耐腐蚀、可在流动海水中工作的特性。因此，主要应用于制造在各种液体燃料及海水、淡水和蒸汽(<225℃)中工作的零部件，以及压力≤2.5MPa的阀门和管配件。但是，由于铜合金(ZCuSn3Zn8Pb6Ni1)材料自身的原因，在海洋工程中的应用受到较大限制。基于上述陈述，本发明提出了一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料。
一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅2～6.2％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1～2份、镍1～3份、锰0.5～1份、锡3～8份、硅0.2～0.5份、锌0.8～1.8份、铜83～93份。
优选的，所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅3～5份、余量为铜合金。
优选的，所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅4份、余量为铜合金。
优选的，所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.2～1.8份、镍1.5～2.5份、锰0.6～0.9份、锡4～7份、硅0.3～0.4份、锌1～1.5份、铜85～90份。
优选的，所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.5份、镍2份、锰0.8份、锡5份、硅0.3份、锌1.2份、铜88份。
本发明还提出了一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.1～0.3:0.2～0.5:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至945～985℃保温熔炼1～2h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1080～1150℃保温熔炼1～2h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1250～1480℃保温熔炼1～2h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼3～5h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1500～1700℃，边加热边以240～480r/min的转速搅拌混合20～40min，混合均匀后，降温至820～920℃，铸造成型即得。
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，较高的强度和硬度，加工及铸造性能好，纳米碳化硅的加入大大提升了所得铜基合金新材料的强度和硬度，本发明制备的铜基合金相比于传统铜基合金材料，在保证铜基合金性能的同时，刻意去除了铅元素，减少了铅元素对环境的污染，有效的提高了新材料的加工及铸造性能，本发明还提出了一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料的制备方法，通过科学的原料配比，利用各金属高温熔融混合反应制成铜基合金，在熔融过程中加入纳米碳化硅材料，高速混合均匀，铸造而得，其制备方法简单，所得新材料可广泛应用于海洋工程设备及配件的生产，性能优良，有效的延长了所制设备及配件的使用寿命，值得推广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例一
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅3％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.5份、镍2.5份、锰0.8份、锡6份、硅0.4份、锌1.2份、铜85份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.2:0.4:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至955℃保温熔炼1.5h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1100℃保温熔炼2h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1400℃保温熔炼1.8h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼4h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1600℃，边加热边以400r/min的转速搅拌混合25min，混合均匀后，降温至880℃，铸造成型即得。
实施例二
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅4％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1份、镍1份、锰0.5份、锡4份、硅0.2份、锌0.8份、铜93份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.1:0.2:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至975℃保温熔炼1h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1080℃保温熔炼1h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1250℃保温熔炼1h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼3.5h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1650℃，边加热边以240r/min的转速搅拌混合40min，混合均匀后，降温至920℃，铸造成型即得。
实施例三
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅6.2％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝2份、镍1.5份、锰1份、锡5份、硅0.5份、锌1.5份、铜88份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.3:0.5:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至945℃保温熔炼1.8h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1150℃保温熔炼1.5h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1450℃保温熔炼1.5h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼5h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1500℃，边加热边以450r/min的转速搅拌混合35min，混合均匀后，降温至850℃，铸造成型即得。
实施例四
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅5％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.8份、镍2份、锰0.9份、锡3份、硅0.3份、锌1.8份、铜90份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.2:0.3:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至965℃保温熔炼1.2h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1130℃保温熔炼1.8h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1300℃保温熔炼2h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼3h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1700℃，边加热边以300r/min的转速搅拌混合20min，混合均匀后，降温至900℃，铸造成型即得。
实施例五
本发明提出的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅2％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.2份、镍3份、锰0.6份、锡8份、硅0.4份、锌1份、铜83份。
其制备方法，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.3:0.2:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至985℃保温熔炼2h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1110℃保温熔炼1.2h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1350℃保温熔炼1.2h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼4.5h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1550℃，边加热边以350r/min的转速搅拌混合30min，混合均匀后，降温至820℃，铸造成型即得。
分别测试本发明实施例一～五中制备的海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料的抗疲劳强度，得出如下结果：
实施例 一 二 三 四 五
抗疲劳强度(MPa) 585 624 651 609 592
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅2～6.2％、余量为铜合金；所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1～2份、镍1～3份、锰0.5～1份、锡3～8份、硅0.2～0.5份、锌0.8～1.8份、铜83～93份。
2.根据权利要求1所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅3～5份、余量为铜合金。
3.根据权利要求1所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：纳米碳化硅4份、余量为铜合金。
4.根据权利要求1所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其特征在于，所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.2～1.8份、镍1.5～2.5份、锰0.6～0.9份、锡4～7份、硅0.3～0.4份、锌1～1.5份、铜83～93份。
5.根据权利要求1所述的一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料，其特征在于，所述铜合金，包括以下重量份原料：铝1.5份、镍2份、锰0.8份、锡5份、硅0.3份、锌1.2份、铜88份。
6.一种海洋工程用的高强度纳米级碳化硅铜基合金新材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所述比重的铜按质量比0.1～0.3:0.2～0.5:1的质量比分成三份，分别记作铜A、铜B和铜C；
S2、将步骤S1中的铜A与所述比重的铝加热至945～985℃保温熔炼1～2h，得金属液体C；
S3、将步骤S1中的铜B与所述比重的锡加热至1080～1150℃保温熔炼1～2h，得金属液体D；
S4、将步骤S1中的铜C与所述比重的镍、锰、硅和锌加入金属熔炼炉中，热至1250～1480℃保温熔炼1～2h后，加入步骤S2中所得的金属液体C和步骤S3中所得的金属液体D，继续保温熔炼3～5h，得金属液体E；
S5、按所述重量百分比，将纳米碳化硅加入到步骤S4中的金属液体E中，加热至1500～1700℃，边加热边以240～480r/min的转速搅拌混合20～40min，混合均匀后，降温至820～920℃，铸造成型即得。
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