CN107779660A - 一种高强高耐蚀铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强高耐蚀铜合金及其制备方法。该高强高耐蚀铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Ni 6‑8％，Al 1‑7％，Fe 0.5‑2％，Mn 0.5‑2％，余量为铜及不可避免的杂质。本发明提供的高强高耐蚀铜合金，通过微合金化手段，在铜基体中添加Ni、Al、Fe、Mn多种合金元素，其中Ni能够改善铜合金的耐蚀性能和屈服强度，Al能够与Ni产生Ni₃Al强化相提高合金的力学性能，Fe和Mn提高合金的强度和抗冲刷腐蚀能力，在上述多种元素的协同作用下，不仅提高了铜合金的强度，同时大幅提高了合金的耐海水腐蚀性能。该高强高耐蚀铜合金，简化了合金元素组成，减少了镍的使用量，降低了生产成本。

Description

一种高强高耐蚀铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金领域，具体涉及一种高强高耐蚀铜合金及其制备方法。

背景技术

耐蚀铜合金因具有高的换热系数、优良的抗海洋生物附着能力和耐海水腐蚀性能，广泛应于海洋工程中的海水淡化装置、舰船汽轮机用冷凝气管、石油精炼设备及滨海电站及原子能电站的热交换器用管等领域。目前已开发的耐蚀铜合金主要有以下几大类型：(1)素有“海军黄铜”之称的铝黄铜、锡黄铜，如HSn70-1、HSn60-1等；(2)锡青铜，如QSn4-4-4、QSn-5-5、QSn6-6-3等；(3)Cu-Ni系白铜合金，如B10(Cu-10Ni-1Fe-1Mn)、B30(Cu-30Ni-1Fe-lMn)。然而，在高温、高湿、高盐、高流速等复杂苛刻海洋环境服役条件下，传统耐蚀铜合金的力学性能和耐蚀性能越来越难以满足上述要求。

申请公布号为CN102352452A的专利公开了一种耐腐蚀铜合金材料，其是以铜锌黄铜合金为基体，通过添加锌、铝、镍、硅、硼、锰、稀土等元素，来达到提高合金的力学性能和耐蚀性能的目的。

现有的耐蚀铜合金，合金元素组成复杂，且含有稀土元素，导致合金生产成本高。因此，开发一种苛刻服役条件下高强高耐蚀、低成本的新型耐蚀铜合金对于我国海洋工程具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强高耐蚀铜合金，从而解决现有铜合金的合金元素复杂、生产成本高的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述高强高耐蚀铜合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 6-8％，Al 1-7％，Fe 0.5-2％，Mn 0.5-2％，余量为铜及不可避免的杂质。

本发明提供的高强高耐蚀铜合金，通过微合金化手段，在铜基体中添加镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、锰(Mn)等多种合金元素，合金的设计依据是：Ni能够细化晶粒，改善铜合金的耐蚀性能和屈服强度，加入Al元素形成Ni₃Al化合物产生沉淀硬化，提高合金强度和硬度，同时铝元素能促进钝化膜形成，提高合金耐蚀性；Fe和Mn有利于提高合金的强度和抗冲刷腐蚀能力，在上述多种元素的协同作用下，不仅提高了铜合金的力学性能，同时大幅提高了合金的耐海水腐蚀性能。该高强高耐蚀铜合金，简化了合金元素组成，减少了镍的使用量，降低了生产成本。

优选的，上述高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7％，Al3％，Fe 1％，Mn 1％，余量为铜及不可避免的杂质。杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15％。在上述优选组成下，合金的生产成本低，力学性能和耐蚀性能达到最佳。

上述高强高耐蚀铜合金的制备方法，包括以下步骤：将金属铜、金属镍、铜铁中间合金、铜锰中间合金、金属铝在1150～1250℃熔炼，浇注，即得。

所述熔炼在微氧化气氛下进行。所述微氧化气氛是在原料加热熔化过程中使用木炭覆盖熔融液面，熔炼期间采用脱氧剂进行脱氧。优选的，木炭的覆盖厚度为150～220mm。所述脱氧剂为镁，脱氧剂的用量为熔液总重量的0.5％～1％。熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣。整个熔炼过程在微氧化气氛下进行，可使熔体中氧与木炭和镁脱氧剂始终充分反应，有效降低熔体中的气体含量，提高合金铸坯的成型质量，进而改善后续耐海水腐蚀性能。

所述熔炼的时间为30～50min。在该熔炼时间下，即可保证合金具有较好的力学性能和耐蚀性能。金属铜可采用电解铜板，金属镍可采用纯镍板，金属铝可采用纯铝锭。

优选的，熔炼时，先加入铜板加热熔化，待铜板熔化后加入镍板熔化，然后再加入铜铁中间合金和铜锰中间合金熔化，最后加入铝锭熔化。采用上述加料熔化过程，可以使得先升高温度熔化高熔点合金(铜板、镍板、铜铁中间合金和铜锰中间合金)，最后加入熔点较低的铝锭，可以有效减少高温熔炼环境下元素的烧损，保证最终实际成分的稳定性。

浇注前，对浇注所用铸型进行预热，预热的温度为250～350℃。

所述铜板为1#电解铜板，Cu含量≥99.95wt.％；所述镍板为1#电解镍板，Ni含量≥99.96wt.％；所述铝锭中Al≥99.0wt.％。

所述铜铁中间合金为Cu-10Fe中间合金，所述铜锰中间合金为Cu-22Mn中间合金。

本发明的高强高耐蚀铜合金的制备方法，制备工艺简单，合金成分均匀，铸态缺陷少；所得铜合金力学性能优异，抗拉强度≥300MPa，延伸率≥40％；耐蚀性能优良，腐蚀速率≤0.01mm/a。采用本发明的方法制得的高强高耐蚀铜合金尤其适合海洋工程关键部件使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，1#电解铜板中Cu含量≥99.95wt.％；1#电解镍板中Ni含量≥99.96wt.％；铝锭中Al含量≥99.0wt.％；Cu-10Fe中间合金、Cu-22Mn中间合金均为市售商品。

实施例1

本实施例的高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7％，Al3％，Fe 1％，Mn 1％，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15％，余量为Cu。

本实施例的高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：

1)取1#电解铜板、1#电解镍板、铝锭、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

2)按配比先向熔炼炉中加入1#电解铜板，加热使1#电解铜板熔化，待1#电解铜板完全熔化后加入1#电解镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入铝锭；在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭覆盖厚度为200mm，通过木炭覆盖层隔绝绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行；熔炼温度为1200℃，持续时间为40min，期间采用纯镁脱氧剂(镁含量99.85～99.95wt.％)进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重量的0.5％，熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

3)待熔液表面拨开熔液呈镜面状后静置2分钟，将熔液直接浇注到金属铸型(浇注前预热，预热温度为300℃)中，浇注温度为1250℃，之后冷却，取出，即得高强高耐蚀铜合金。

实施例2

本实施例的高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7％，Al1％，Fe 1％，Mn 1％，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15％，余量为Cu。

本实施例的高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：

1)取1#电解铜板、1#电解镍板、铝锭、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

2)按配比先向熔炼炉中加入1#电解铜板，加热使1#电解铜板熔化，待1#电解铜板完全熔化后加入1#电解镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入铝锭；在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭覆盖厚度为150mm，通过木炭覆盖层隔绝绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行；熔炼温度为1150℃，持续时间为50min，期间采用纯镁脱氧剂(镁含量99.85～99.95wt.％)进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重量的0.8％，熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

3)待熔液表面拨开熔液呈镜面状后静置2分钟，将熔液直接浇注到金属铸型(浇注前预热，预热温度为250℃)中，浇注温度为1200℃，之后冷却，取出，即得高强高耐蚀铜合金。

实施例3

本实施例的高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7％，Al7％，Fe 1％，Mn 1％，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15％，余量为Cu。

本实施例的高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：

1)取1#电解铜板、1#电解镍板、铝锭、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

2)按配比先向熔炼炉中加入1#电解铜板，加热使1#电解铜板熔化，待1#电解铜板完全熔化后加入1#电解镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入铝锭；在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭覆盖厚度为220mm，通过木炭覆盖层隔绝绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行；熔炼温度为1250℃，持续时间为30min，期间采用纯镁脱氧剂(镁含量99.85～99.95wt.％)进行脱氧，脱氧剂的用量为熔液总重量的1.0％，熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

3)待熔液表面拨开熔液呈镜面状后静置3分钟，将熔液直接浇注到金属铸型(浇注前预热，预热温度为250℃)中，浇注温度为1300℃，之后冷却，取出，即得高强高耐蚀铜合金。

试验例

本试验例检测实施例1～实施例3的铜合金的力学性能和耐蚀性能，其中耐蚀性能的检测通过在静态海水全浸试验进行，按照国家标准JB/T 7901-2001《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，在玻璃器皿中将试样加工成Ф30mm×2.0mm尺寸，悬挂在配制的人工海水(pH值为8.0)中进行全浸腐蚀试验，腐蚀时间为240h，对腐蚀前后试验进行称重并计算出腐蚀速率。试验结果如表1所示。

表1实施例1～实施例3的铜合金以及B10合金的性能检测结果

由表1的试验结果可知，与传统B10合金相比，本发明的铜合金的强度显著提升，腐蚀速率明显降低，同时铝元素(Al)的加入将B10中的镍元素(Ni)含量由10％降至7％，合金生产成本降低。实施例1中，在不降低延伸率的基础上，抗拉强度、腐蚀速率得到进一步提升，综合性能最佳。

Claims (9)

1.一种高强高耐蚀铜合金，其特征在于，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 6-8％，Al 1-7％，Fe 0.5-2％，Mn 0.5-2％，余量为铜及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的高强高耐蚀铜合金，其特征在于，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7％，Al 3％，Fe 1％，Mn 1％，余量为铜及不可避免的杂质。

3.一种如权利要求1所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将金属铜、金属镍、铜铁中间合金、铜锰中间合金、金属铝在1150～1250℃熔炼，浇注，即得。

4.如权利要求3所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼在微氧化气氛下进行。

5.如权利要求4所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，所述微氧化气氛是在原料加热熔化过程中使用木炭覆盖熔融液面，熔炼期间采用脱氧剂进行脱氧。

6.如权利要求5所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，木炭的覆盖厚度为150～220mm。

7.如权利要求5所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，所述脱氧剂为镁，脱氧剂的用量为熔液总重量的0.5％～1％。

8.如权利要求3所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼的时间为30～50min。

9.如权利要求3所述的高强高耐蚀铜合金的制备方法，其特征在于，浇注前，对浇注所用铸型进行预热，预热的温度为250～350℃。