CN107794403A - 一种zqa19‑4‑4‑2镍铝青铜合金管棒材制备方法 - Google Patents

一种zqa19‑4‑4‑2镍铝青铜合金管棒材制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属材料加工技术领域，具体涉及一种ZQAl9‑4‑4‑2镍铝青铜合金管棒材制备方法。ZQAl9‑4‑4‑2合金是一种具有优异综合性能的多元复杂镍铝青铜合金材料，主要作为铸件用于制造承受高载荷的耐蚀耐磨零件。本发明采用Cu‑35％Al中间合金形式加入Al，结晶器内采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，铸造前采用稀土元素La对熔体进行精炼和变质处理，并通过严格热挤压工艺，实现其管、棒材的挤压成形。经检测，采用本发明的工艺挤压的ZQAl9‑4‑4‑2铝镍青铜合金棒材，抗拉强度达730MPa，屈服强度550MPa，断后伸长率19％；挤压的ZQAl9‑4‑4‑2铝镍青铜合金管材，抗拉强度735MPa，屈服强度565MPa，断后伸长率21％。目前国内尚无该合金挤压管、棒材的报道。本发明通过实现ZQAl9‑4‑4‑2镍铝青铜合金管、棒材的挤压成形，增加了产品规格，拓展了该合金的工程应用。

Description

一种ZQA19-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法
技术领域
本发明属于有色金属材料加工技术领域，具体涉及一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法。
技术背景
ZQAl9-4-4-2合金是一种具有优异综合性能的多元复杂镍铝青铜合金材料，主要应用于制造承受高载荷的耐蚀耐磨零件，如轴套、螺旋桨、涡轮、轴承、圆盘、导向摇臂衬套、飞轮、固定螺帽、接管嘴等，甚至应用于制造核电设施、轨道交通、海洋工程、矿山机械、航空航天、武器装备等重要领域的特殊关键耐磨耐蚀结构件。
ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金属于铸造铜合金，一般以铸件供货，极少有该合金的管、棒材产品。铸造产品因未经过强烈塑性变形，内部组织致密度较低，冶金缺陷对合金性能，尤其疲劳性能影响显著。而经过塑性加工的材料组织得到显著改善，合金韧性明显提高。因此在一些重要领域要求采用ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金的塑性加工产品。但是，由于该合金成分和相结构复杂，塑性变形能力差，变形抗力高，采用普通方法很难制备出管、棒材产品。
目前针对镍铝青铜合金的研究报道主要集中在QAl9-4、QAl10-4-4等变形青铜合金，对ZQAl9-4-4-2合金的报道很少。ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管、棒材制备的关键技术难点主要有三点：第一，该合金因镍、铁含量高，熔化温度高，低熔点Al元素易烧损；且高温下Al 容易吸气氧化，Al的蒸汽压低，因此铸锭中易产生夹渣、气孔、集中缩孔、疏松、偏析等缺陷。第二，该合金铸造过程中，表面的Al2O3极易成膜结渣，经常将覆盖剂卷入铸锭内部，挤压后形成大量夹杂和分层，严重降低产品质量和成品率；第三，该合金成分复杂，合金化程度高，若结晶凝固时冷却强度过大，则极易产生铸造裂纹。正因如此，目前国内极少有ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管、棒材挤压生产企业。
发明内容
本发明的主要目的就是解决ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金熔铸和挤压环节的关键问题，实现其管、棒材的挤压成形。本发明提供了一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法，其特征在于，按以下步骤操作：
(1)按标准或用户要求准备ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金原料，各元素质量百分比分别为：Al：8.0-10.0％，Ni：3.5-4.5％，Fe：3.5-4.5％，Mn：1.5-2.5％，不可避免的杂质：＜0.5％，余量：Cu。其中Al以Cu-35％Al中间合金形式加入。
(2)将Cu、Ni、Fe、Mn原料投入中频感应炉中进行熔化；采用木炭覆盖；待以上原料熔化后静置10分钟，然后加入Cu-35％Al中间合金。熔炼温度控制在1200-1250℃。
(3)待原料全部熔化后，加入Cu-6La中间合金进行精炼和变质处理，加入量为：20-50kg/吨熔体。
(4)在立式半连铸机上进行圆棒坯料铸造，结晶器内的熔体采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，覆盖层厚度保持在0.5-2mm；浇注熔体温 度控制在1180-1230℃，铸造速度控制在20-50mm/分钟。
(5)热挤压：挤压模具及挤压筒预热温度为450-500℃，铸锭加热温度控制在780-900℃，挤出速度控制在30-45mm/s；采用脱皮挤压，压余厚度控制在15-20mm。
(6)热处理：按用户要求对挤压管材/棒材进行热处理。
本发明提供的一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法，与现有ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金铸件制备技术相比，所产生的有益效果是：(1)本发明通过对ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金熔炼与铸造工艺的创新改造，显著提高了其冶金质量，为实现其挤压成形准备了条件。首先，本发明熔炼工艺中，Al元素以Cu-35％Al中间合金形式加入，避免了传统铝青铜熔炼直接加铝时造成的熔体过热，也减少了Al2O3膜，降低了Al的烧损，使Al含量得到更稳定的控制。其次，本发明在半连续铸造时结晶器内采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，且覆盖层厚度保持在0.5-2mm，显著改善铸锭质量。因为高温下冰晶石可以溶解Al2O3，避免其成膜结渣；而鳞片石墨不仅可以防止熔体表面氧化吸气，还能成为铸锭与结晶器内壁之间的润滑剂。该合金已有的传统铸造方法主要是砂型铸造，一般采用炭灰覆盖，未能有效溶解Al2O3膜，所以容易形成夹杂和气孔等缺陷。目前国内尚无该合金立式半连铸技术的报道。第三，本发明在铸造前采用稀土元素La对熔体进行精炼和变质处理。La不仅可与合金熔体中的氧、硫、铅、铋等有害杂质反应，生成熔渣被排除，而且可显著细化晶粒组织，减少枝晶间隙，提高铸锭致密度。(2)本发明通过严格控制其穿孔、挤压过程中的温度和速度，实现其管、棒材的挤压成形。目前无该合金挤压成形的报道。(3)本 发明通过稀土变质和细化晶粒，提高了合金的韧性和耐腐蚀性能。(4)本发坍通过实现ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管、棒材的挤压成形，增加了产品规格，拓展了该合金的工程应用。
具体实施方式
以下结合本发明的原理和特征进行具体描述，所举实施例只用于解释本发明，使本发明的上述及其他目的、特征和其他优势更加清晰，并非用于限定本发明的应用范围。
实施例1
按标准配制ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al：9.1％，Ni：4.2％，Fe：4.1％，Mn：2.3％，不可避免的杂质：＜0.5％，余量：Cu。其中Al以Cu-35％Al中间合金形式加入；将Cu、Ni、Fe、Mn原料投入中频感应炉中进行熔化；采用木炭覆盖；待以上原料熔化后静置10分钟，然后加入Cu-35％Al中间合金。熔炼温度控制在1200-1250℃；待原料全部熔化后，加入Cu-6La中间合金进行精炼和变质处理，加入量为：45kg/吨熔体；在立式半连铸机上进行圆棒坯料铸造，结晶器内的熔体采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，覆盖层厚度保持在0.5-1.0mm；浇注熔体温度控制在1180-1230℃，铸造速度控制在22mm/分钟；挤压模具及挤压筒预热温度为450-500℃，铸锭加热温度控制在780-900℃，挤出速度控制在32mm/s；压余厚度控制在15-20mm；挤制棒材规格为φ55mm；热处理由用户自己完成。
生产试验表明，经本发明制备的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金铸锭，无明显夹杂、气孔、裂纹等缺陷，挤压后表明无裂纹。力学性能检测结果为：挤压的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金棒材，抗拉强度730MPa， 屈服强度550MPa，断后伸长率19％。
实施例2
按标准配制ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al：9.1％，Ni：4.2％，Fe：4.1％，Mn：2.3％，不可避免的杂质：＜0.5％，余量：Cu。其中Al以Cu-35％Al中间合金形式加入；将Cu、Ni、Fe、Mn原料投入中频感应炉中进行熔化；采用木炭覆盖；待以上原料熔化后静置10分钟，然后加入Cu-35％Al中间合金。熔炼温度控制在1200-1250℃；待原料全部熔化后，加入Cu-6La中间合金进行精炼和变质处理，加入量为：45kg/吨熔体；在立式半连铸机上进行圆棒坯料铸造，结晶器内的熔体采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，覆盖层厚度保持在0.5-1.0mm；浇注熔体温度控制在1180-1230℃，铸造速度控制在22mm/分钟；挤压模具及挤压筒预热温度为450-500℃，铸锭加热温度控制在780-900℃，挤出速度控制在41mm/s；压余厚度控制在15-20mm；挤制管材规格为φ60×8mm；对挤压的管进行885℃×1小时的固溶+520℃×4小时的时效热处理。
生产试验表明，经本发明制备的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金铸锭，无明显夹杂、气孔、裂纹等缺陷，挤压后表明无裂纹。力学性能检测结果为：挤压的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金管材，抗拉强度735MPa，屈服强度565MPa，断后伸长率21％；热处理后抗拉强度862MPa，屈服强度638MPa，断后伸长率11％。
对比例1
按标准配制ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金，各元素质量百分比分别为：Al：9.1％，Ni：4.2％，Fe：4.1％，Mn：2.3％，不可避免的杂质：＜0.5％， 余量：Cu。其中Al以Cu-35％Al中间合金形式加入；将Cu、Ni、Fe、Mn原料投入中频感应炉中进行熔化；采用木炭覆盖；待以上原料熔化后静置10分钟，然后以纯铝方式加入铝元素。熔炼温度控制在1200-1250℃；在立式半连铸机上进行圆棒坯料铸造，结晶器内的熔体采用炭灰覆盖，覆盖层厚度保持在10-20mm；浇注熔体温度控制在1180-1230℃，铸造速度控制在22mm/分钟；挤压模具及挤压筒预热温度为450-500℃，铸锭加热温度控制在780-900℃，挤出速度控制在25mm/s；压余厚度控制在15-20mm；挤制管材规格为φ60×8mm；未进行热处理。
生产试验表坍，按对比例1的工艺方法，未采用本发明的以Cu-35％Al中间合金形式加入铝、稀土精炼变质处理等技术，结晶器内采用传统的炭灰覆盖，因此制备的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金铸锭，内部存在很多夹杂、气孔、疏松缺陷，挤压时尽管速度降低较多，仍然在表面形成很多裂纹，成材率不到30％。力学性能检测结果为：挤压的ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金管材，抗拉强度728MPa，屈服强度552MPa，断后伸长率5％。因合金冶金质量降低，塑性指标严重下降。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法，其特征在于：按以下步骤操作：
(1)按标准或用户要求准备ZQAl9-4-4-2铝镍青铜合金原料，各元素质量百分比分别为：Al：8.0-10.0％，Ni：3.5-4.5％，Fe：3.5-4.5％，Mn：1.5-2.5％，不可避免的杂质：＜0.5％，余量：Cu。其中Al以Cu-35％Al中间合金形式加入。
(2)将Cu、Ni、Fe、Mn原料投入中频感应炉中进行熔化；采用木炭覆盖；待以上原料熔化后静置10分钟，然后加入Cu-35％Al中间合金。熔炼温度控制在1200-1250℃。
(3)待原料全部熔化后，加入Cu-6La中间合金进行精炼和变质处理，加入量为：20-50kg/吨熔体。
(4)在立式半连铸机上进行圆棒坯料铸造，结晶器内的熔体采用“冰晶石+鳞片石墨”覆盖，覆盖层厚度保持在0.5-2mm；浇注熔体温度控制在1180-1230℃，铸造速度控制在20-50mm/分钟。
(5)热挤压：挤压模具及挤压筒预热温度为450-500℃，铸锭加热温度控制在780-900℃，挤出速度控制在30-45mm/s；采用脱皮挤压，压余厚度控制在15-20mm。
(6)热处理：按用户要求对挤压管材/棒材进行热处理。
2.如权利要求1所述的一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法，其特征在于：步骤(3)中Cu-6La中间合金加入量优化控制在：35-50kg/吨熔体。
3.如权利要求1所述的一种ZQAl9-4-4-2镍铝青铜合金管棒材制备方法，其特征在于：步骤(4)中“冰晶石+鳞片石墨”覆盖层厚度优化控制在0.5-1mm。
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