CN107779650A - 一种镍铝青铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种镍铝青铜合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金材料领域，更具体地，涉及一种镍铝青铜合金材料及其制备方法。其含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0～11.5、Ni 4.0～4.5、Fe 3～3.5、Mn 0.3～0.85以及V 1.0～1.5，余量为铜。该镍铝青铜合金材料经气雾化联合粉末冶金方法制备得到，晶粒细小，且含有Fe3Al和NiAl纳米颗粒析出相，具有优异的力学性能与摩擦学性能，制备方法简单易实现，制备过程中工艺参数容易控制。该合金材料具有极高的屈服强度与极限抗压强度和良好的摩擦学性能，具有原料来源广泛、价格较低、设备成本较低、容易控制的特点，并适用于规模化生产。

Description

一种镍铝青铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料领域，更具体地，涉及一种镍铝青铜合金材料及其制备方法。
背景技术
镍铝青铜材料具有优异的综合性能，包括较高的抗拉强度、良好的耐腐蚀疲劳强度和抗空泡腐蚀性能等。高强度镍铝青铜制造的螺旋桨，其转动惯量比黄铜材料制造的螺旋桨降低15％～19％，在船用发动机功率相同的情况下，提高了螺旋桨的承载能力[1]([1]宋德军,胡光远,卢海,等.镍铝青铜合金的应用与研究现状.材料导报,2008,21:450-452.)。
镍铝青铜因具备一系列优异性能而被世界各国广泛用来制造舰船用螺旋桨。自1942年，英国海军首次将镍铝青铜材料用于鱼雷快艇；美国在1953年已开始使用镍铝青铜材料制备出直径高达6m的舰船用螺旋桨，期间美国约有20％的军舰采用镍铝青铜螺旋桨，其在镍铝青铜的使用方面相较其它国家更加广泛；日本从50年代中期开始大量研究镍铝青铜材料，并于1957年研制出自己的镍铝青铜，如今，日本作为造船大国是生产镍铝青铜螺旋桨最多的国家之一；荷兰采用利普斯公司在50年代研制出的被称为“库尼尔”合金的镍铝青铜用于广泛生产直径为6.5～7m的大型螺旋桨，且生产量每年都在增加；60年代末的前西德、70年代初的意大利、法国和前苏联等国家也开始研制并使用镍铝青铜来生产舰船用螺旋桨；70年代后期的中国开始研发自己的镍铝青铜材料，并在80年代初期实现了工业应用[2](都春燕.镍铝青铜合金的耐蚀性及表面处理的研究.硕士论文,2014.)。
近些年来，镍铝青铜材料的重要性被逐步受到重视的同时，其摩擦学性能很少被涉及。同时通过调研发现，目前使用的镍铝青铜在力学性能方面亟待进一步提高，以满足交变载荷、强腐蚀、长周期等苛刻服役环境的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种镍铝青铜合金材料及其制备方法，该镍铝青铜合金材料晶粒细小，具有优异的力学性能与摩擦学性能，制备方法简单易实现，制备过程中工艺参数容易控制，由此解决现有技术镍铝青铜合金材料在长周期、苛刻应用环境下强度、力学性能以及摩檫学性能不佳的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种镍铝青铜合金材料，其含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0～11.5、Ni 4.0～4.5、Fe 3～3.5、Mn 0.3～0.85以及V1.0～1.5，余量为铜。
优选地，所述合金材料含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0、Ni 4.0、Fe 3.5、Mn0.5以及V 1.2，余量为Cu。
优选地，所述合金材料中含有Fe3Al和NiAl纳米颗粒析出相，且该合金材料晶粒大小为600～900nm。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照所述元素摩尔百分比，称取Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉，混合后得到配料，所述配料的平均粒径为30～50μm；
(2)将所述配料在惰性气体保护条件下进行熔炼得到熔液；
(3)将所述熔液进行气雾化，并收集气雾化过程中产生的不同粒径的粉末；
(4)将所述粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金。
优选地，步骤(2)在高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，熔炼过程应在通氩气保护前将真空度达到5×10-3Pa以上。
优选地，步骤(3)所述气雾化在惰性气体保护条件下进行。
优选地，步骤(3)所述气雾化在高纯氩气保护条件下进行气雾化。
优选地，步骤(3)所述气雾化的气压为6～13MPa，过热度为50～300℃。
优选地，步骤(4)将粒径范围在50微米以下的粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金。
优选地，步骤(4)所述粉末冶金方法为放电等离子烧结方法。
优选地，步骤(4)所述粉末冶金方法为放电等离子烧结方法，具体烧结工艺为：烧结温度为550～800℃、升温速率为100～130℃/min、烧结压力为30～70MPa、真空度为1×10-2～1×10Pa、保温时间为5～12min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的镍铝青铜合金材料金相组织细小，为一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金，且具有极高的屈服强度与极限抗压强度和良好的摩擦学性能。
(2)本发明镍铝青铜合金材料中含有V元素，V有助于细化合金材料晶粒，增强其屈服强度。
(3)本发明通过首先将镍铝青铜各组分混合后熔化，然后联合采用气雾化以及粉末冶金比如SPS技术制备本发明的镍铝青铜合金材料，成分分布更均匀，气雾化法制备过程中搜集的粉末的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固作用而细化了结晶结构，消除了第二相的宏观偏析，降低了烧结温度、缩短了烧结时间，节约能源，降低合成成本且最大程度上避免了复相产生。
(4)本发明镍铝青铜合金材料制备过程方便、快捷，气雾化与SPS方法制备速度快，效率高；操作简单、可行性高：烧结过程采用SPS进行材料的烧结，烧结反应周期短，工艺稳定，且制备的合金纯度高。
(5)本发明镍铝青铜合金材料制备所需设备简单：具有原料来源广泛、价格较低、设备成本较低、容易控制的特点，并适用于规模化生产。
附图说明
图1是本发明镍铝青铜合金材料制备工艺流程图；
图2本发明采用气雾化方法制备的镍铝青铜合金粉末的扫描电镜图；
图3是本发明实施例1制备的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金抛光腐蚀后的扫面电镜照片；
图4是本发明实施例1制备的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金TEM图；
图5是本发明实施例1制得的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的抗压测试结果；
图6是本发明实施例2制得的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的抗拉测试结果；
图7为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的摩擦系数曲线；
图8是为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的磨损体积。测试条件为：载荷43～106N、微动角幅度为1.5°，周期为20000。
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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种镍铝青铜合金材料，其含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0～11.5、Ni 4.0～4.5、Fe 3～3.5、Mn 0.3～0.85以及V 1.0～1.5，余量为铜。作为其中一种优选的方案，其含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0、Ni 4.0、Fe 3.5、Mn 0.5以及V 1.2，余量为Cu。该合金材料中含有Fe3Al和NiAl纳米颗粒析出相，且该合金材料晶粒大小为600～900nm。
本发明提出的镍铝青铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述各元素摩尔比，称取Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉，混合后得到配料，所述配料的平均粒径为30～50μm，优选平均粒径为45μm；
(2)将所述配料在惰性气体保护条件下进行熔炼得到熔液；可以在高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，熔炼过程应在通氩气保护前将真空度达到5×10-3Pa以上。
(3)将所述熔液进行气雾化，并收集气雾化过程中产生的不同粒径的粉末；气雾化在惰性气体保护条件下进行，优选在高纯氩气保护条件下进行气雾化；气雾化气压为6～13MPa，导流管直径2～6mm，过热度为50～300℃。
(4)将所述粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金，优选将粒径范围在50微米以下的粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金。通常的粉末冶金方法均可，优选选用放电等离子烧结方法，具体烧结工艺优选为：烧结温度为550～800℃、升温速率为100～130℃/min、烧结压力为30～70MPa、真空度为1×10-2～1×10-1Pa、保温时间为5～12min。
铜合金导热系数大、反射性比较强，气雾化工艺不容易控制，一般较少采用气雾化工艺制备铜合金。本发明通过采用熔化、气雾化与粉末冶金比如放电等离子烧结(SPS)联合技术制备镍铝青铜合金材料，熔化以及气雾化的过程相当于是一个充分混合的过程，与一般的初级粉料的机械混合相比，各种金属成分混合更均匀，通过粉末冶金制备得到的冶金材料晶粒更细小；气雾化法制备过程中搜集的粉末的每个颗粒不仅具有与既定熔融合金完全相同的均匀化学成分，而且由于快速凝固作用而细化了结晶结构，消除了第二相的宏观偏析。采用放电等离子烧结技术(SPS)制备合金材料，一方面可以避免材料颗粒表面受到氧化或污染的问题；另一方面降低了烧结温度、缩短烧结时间的同时，避免了复相反应的发生。且所制备样品的致密度高，避免因传统工艺制备材料时可能遇到的第二相分散不均匀，界面结合不牢固以及因物理、化学反应使组成物相失去预设计能力等问题。本发明通过采用熔化、气雾化以及粉末冶金联合方案，制备得到的镍铝青铜合金材料晶粒细小，且含有Fe3Al和NiAl纳米颗粒析出相，具有高强度、高耐磨性能。本发明采用气雾化成型和粉末冶金如放电等离子烧结技术制备镍铝青铜合金材料，其纯度高、致密性好，且具有超高的力学性能与优良的摩擦学性能，在3000kW以上级大型可调距螺旋桨中具有非常重要的应用价值。
以下为实施例：
实施例1：
如图1所示，一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的制备方法，它包括如下步骤：
1)按Cu：Al：Ni：Fe：Mn：V的摩尔百分比＝81.8：9.0：4.0：3.5:0.5:1.2，选取Cu粉14.7克、Al粉1.6克、Ni粉0.6克、Fe粉0.5克、Mn粉0.1克和V粉0.2克，粉料的平均粒径为30-50μm；将Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉混合，得到配料；
2)将上述配料置于高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，将真空度度达到5×10-3Pa，充氩气保护；
3)将熔液导入雾化设备进行雾化，雾化采用高纯氩气进行雾化，雾化气压为6MPa，导流管直径2mm，过热度为50℃。粉末收集于接粉罐中，较细的粉(粒径＜50μm)收集于旋风接粉罐中。
4)将上述气雾化制备的较细的粉末经放电等离子烧结工艺得到镍铝青铜合金，烧结温度为600℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为30MPa、真空度为1×10-2Pa、保温时间为5min，烧结后，得到一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金。
图2本发明采用气雾化方法制备的镍铝青铜合金粉末的扫描电镜图，粉末球形度较好，球形粉末尺寸分布在5～50μm之间。图3是本发明实施例1制备的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金抛光腐蚀后的扫面电镜照片，所制备的镍铝青铜析出相分布均匀，可良好改善其力学性能。图4是本发明实施例1制备的镍铝青铜合金的TEM图，可以看出合金的晶粒尺寸为亚微米级，晶粒大小约为800纳米左右，而且可以明显看出含有Fe3Al和NiAl析出相。图5是本发明实施例1制得的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的抗压测试结果，屈服强度达到600MPa，极限强度达到1500MPa，与现有文献数据对比，屈服强度得到极大提高，
实施例2：
1)按Cu：Al：Ni：Fe：Mn：V的摩尔百分比＝81.8：9.0：4.0：3.5:0.5:1.2，选取Cu粉14.7克、Al粉1.6克、Ni粉0.6克、Fe粉0.5克、Mn粉0.1克和V粉0.2克，粉料的平均粒径为30-50μm；将Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉混合，得到配料；
2)将上述配料置于高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，将真空度度达到5×10-3Pa，充氩气保护；
3)将熔液导入雾化设备进行雾化，雾化采用高纯氩气进行雾化，雾化气压为10MPa,导流管直径6mm，过热度为250℃。粉末收集于接粉罐中，较细的粉(粒径＜50μm)收集于旋风接粉罐中。
4)将上述气雾化制备的较细的粉末经放电等离子烧结工艺得到镍铝青铜合金，烧结温度为800℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为70MPa、真空度为1×10-2Pa、保温时间为9min，烧结后，得到一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金。
图6是本发明实施例2制得的一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的抗拉测试结果，其屈服强度达到680MPa，极限强度达到1700MPa，其力学性能较传统铸造镍铝青铜有较大的提高。极高的屈服强度主要由于SPS制备的镍铝青铜晶粒细小，且析出相分布均匀。
实施例3：
1)按Cu：Al：Ni：Fe：Mn：V的摩尔百分比＝81.8：9.0：4.0：3.5:0.5:1.2，选取Cu粉14.7克、Al粉1.6克、Ni粉0.6克、Fe粉0.5克、Mn粉0.1克和V粉0.2克，粉料的平均粒径为30-50μm；将Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉混合，得到配料；
2)将上述配料置于高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，将真空度度达到5×10-3Pa，充氩气保护；
3)将熔液导入雾化设备进行雾化，雾化采用高纯氩气进行雾化，雾化气压为8MPa,导流管直径4mm，过热度为150℃。粉末收集于接粉罐中，较细的粉(粒径＜50μm)收集于旋风接粉罐中。
4)将上述气雾化制备的较细的粉末经放电等离子烧结工艺得到镍铝青铜合金，烧结温度为700℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为50MPa、真空度为1×10-2Pa、保温时间为7min，烧结后，得到一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金，屈服强度为649MPa，极限强度达到1650MPa，
图7为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的摩擦系数曲线，说明该镍铝青铜合金的摩擦系数波动较小。图8是为室温条件下，测试本发明实施例1、2、3所制得一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金的磨损体积。测试条件为：载荷43～106N、微动角幅度为1.5°，周期为20000，表明该镍铝青铜合金具备优良的耐磨性能。
实施例4
1)按Cu：Al：Ni：Fe：Mn：V的摩尔百分比＝82.7：9.0：4.0：3:0.3:1.0，选取Cu粉15克、Al粉1.6克、Ni粉0.6克、Fe粉0.4克、Mn粉0.1克和V粉0.1克，粉料的平均粒径为30-50μm；将Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉混合，得到配料；
2)将上述配料置于高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，将真空度度达到5×10-3Pa，充氩气保护；
3)将熔液导入雾化设备进行雾化，雾化采用高纯氩气进行雾化，雾化气压为8MPa,导流管直径4mm，过热度为150℃。粉末收集于接粉罐中，较细的粉(粒径＜50μm)收集于旋风接粉罐中。
4)将上述气雾化制备的粉末经放电等离子烧结工艺得到镍铝青铜合金，烧结温度为700℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为50MPa、真空度为1×10-2Pa、保温时间为7min，烧结后，得到一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金。
实施例5
1)按Cu：Al：Ni：Fe：Mn：V的摩尔百分比＝78.2：11.5：4.5：3.5:0.85:1.5，选取Cu粉13.6克、Al粉1.9克、Ni粉0.6克、Fe粉0.6克、Mn粉0.3克和V粉0.3克，粉料的平均粒径为30-50μm；将Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉混合，得到配料；
2)将上述配料置于高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，将真空度度达到5×10-3Pa，充氩气保护；
3)将熔液导入雾化设备进行雾化，雾化采用高纯氩气进行雾化，雾化气压为8MPa，导流管直径4mm，过热度为150℃。粉末收集于接粉罐中，较细的粉(粒径＜50μm)收集于旋风接粉罐中。
4)将上述气雾化制备的较细的粉末经放电等离子烧结工艺得到镍铝青铜合金，烧结温度为700℃、升温速率为100℃/min、烧结压力为50MPa、真空度为1×10-2Pa、保温时间为7min，烧结后，得到一种高强度、高耐磨性能的镍铝青铜合金。
表1给出了系列镍铝青铜材料的力学性能，包括现有技术以及本发明实施例1-3制备得到的镍铝青铜合金材料的特性检测数据表格。
表1.不同加工工艺镍铝青铜材料的力学性能
([3]Wang C,Jiang C,Zhao Y,Chen M,Ji V.Surface mechanical property andresidual stress of peened nickel-aluminum bronze determined by in-situ X-raydiffraction.Applied Surface Science 2017；420:28-33.[4]Zhongtao FU,Yang W,ZengS,Guo B,Shubing H.Identification of constitutive model parameters for nickelaluminum bronze in machining.Transactions of Nonferrous Metals Society ofChina 2016；26:1105-11.[5]Xu X,Lv Y,Hu M,Xiong D,Zhang L,Wang L,etal.Influence of second phases on fatigue crack growth behavior of nickelaluminum bronze.International Journal of Fatigue 2015；82:579-87.[6]AnantapongJ,Uthaisangsuk V,Suranuntchai S,Manonukul A.Effect of hot working onmicrostructure evolution of as-cast Nickel Aluminum Bronze alloy.Materials&Design 2014；60:233-43.[7]Wu Z,Cheng YF,Liu L,Lv W,Hu W.Effect of heattreatment on microstructure evolution andbehavior of abronze alloy in chloride solution.Corrosion Science 2015；98:260-70.)
从表1中可以看出来，本发明实施例选取气雾化联合SPS制备的镍铝青铜合金粉末，其屈服强度均高于现有技术的镍铝青铜合金，现有的镍铝青铜合金在合成方法与工艺参数、技术路线、原始材料与配比等方面都和本发明不同。另外，本发明采用气雾化成型和放电等离子烧结技术制备镍铝青铜合金材料，其纯度高、致密性好，且具有超高的力学性能与优良的摩擦学性能，在3000kW以上级大型可调距螺旋桨中具有非常重要的应用价值。
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，本发明的工艺参数(如气压、温度、时间、真空度等)的上下限取值以及区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镍铝青铜合金材料，其特征在于，其含有的元素及其摩尔百分比为：Al 9.0～11.5、Ni 4.0～4.5、Fe 3～3.5、Mn 0.3～0.85以及V 1.0～1.5，余量为铜。
2.如权利要求1所述的合金材料，其特征在于，其含有的元素及其摩尔百分比为：Al9.0、Ni 4.0、Fe 3.5、Mn 0.5以及V 1.2，余量为Cu。
3.如权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述合金材料中含有Fe3Al和NiAl纳米颗粒析出相，且该合金材料晶粒大小为600～900nm。
4.如权利要求1～3任意一项所述的合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照上述元素摩尔百分比，称取Cu粉、Al粉、Ni粉、Fe粉、Mn粉和V粉，混合后得到配料，所述配料的平均粒径为30～50μm；
(2)将所述配料在惰性气体保护条件下进行熔炼得到熔液；
(3)将所述熔液进行气雾化，并收集气雾化过程中产生的不同粒径的粉末；
(4)将所述粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)在高真空电弧熔炼系统中进行熔炼，熔炼过程应在通氩气保护前将真空度达到5×10-3Pa以上。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述气雾化在惰性气体保护条件下进行，优选在高纯氩气保护条件下进行气雾化。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述气雾化的气压为6～13MPa，过热度为50～300℃。
8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)将粒径范围在50微米以下的粉末通过粉末冶金方法熔炼成型得到镍铝青铜合金。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述粉末冶金方法为放电等离子烧结方法。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述放电等离子烧结方法的具体烧结工艺为：烧结温度为550～800℃、升温速率为100～130℃/min、烧结压力为30～70MPa、真空度为1×10-2～1×10Pa、保温时间为5～12min。
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