CN108060324A - 一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材,其特征在于:该铜合金棒材由以下重量百分数的组分组成:Si:0.04~0.2%,Mn:0.25~0.6,Sn:0.1~0.4%,Ni:0.06~0.2%,Al:0.7~1.3%,Fe:0.1~0.25%,Cu:83~87%,镧、锶稀土:0.01~0.1%,余量Zn及不可避免的微量杂质;制备步骤:配料、熔炼→精炼除杂、除气→(加入镧、锶稀土→水平连铸→铸坯拉拔延伸→两道次扒皮→压光矫直成品。本发明的铜合金组分配比科学合理,制备的铜合金具有良好的加工性能和铸造性能,同时合金强度高,耐蚀耐磨性能好,能适用于海洋工程的阀件制造,并且制备工艺简单,易操作,采用水平连铸,避免热应力而产生裂纹,改善铸坯红冲开裂问题。
Description
技术领域
本发明属于铜合金材料及工艺技术领域,具体涉及一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材及其制备方法。
背景技术
阀件是指液压、气压等线路中用于方向、压力、控制的阀。常用阀门材质有铸铁、不锈钢、碳素钢、铜合金、陶瓷、塑料等。随着海洋工程的发展,船用阀门、水下阀门等这些装置材质选用要求比较高。铜合金由于具有良好的机械性能、耐磨性、耐蚀性等,在阀体制造领域得到广泛的运用,但鉴于铜合金较差的热加工性能,铜合金棒材的成形方式主要是铸造,但铸造成型的铜合金存在内部缺陷多,致密性较差,长期使用容易出现渗漏等问题,这使得铸造铜合金的可靠性、成品率、使用寿命、材料利用率等均受到限制。
经查,现有专利为201710486498.0的中国专利《一种耐腐蚀铜合金阀体铸造技术》,,包括以下步骤:模具制作-冶炼-浇注-正火处理-调制处理-机械加工-除油去氧化膜-钝化处理,但是其合金成分种类多,铸造成本较高,注重阀体加工处理,未对材料本身加工方法进行说明。
还有专利号为201710257942.1的中国专利《一种稀土微合金化铜基合金、制备方法及挤压成棒材的方法》,其成分Ni:7.0%~7.5%,Al:6.8%~7.3%,Fe:2.0%~2.5%,Mn:1.8%~2.4%,RE:0.01%~0.15%,余量为Cu和不可避免的杂质;制备方法,主要包括配料,熔炼,浇铸三个过程,所述熔炼按照铜、镍、铁、锰、铝、稀土加料顺序进行熔炼。这种铜合金中Ni与Al的含量比较高,虽然加入了稀土元素,在强度和耐蚀性能上有所提高,但是耐蚀耐磨性能还不够理想,不能很好的满足海洋工程中阀门的需要。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材,具有组分配比科学合理、合金强度高,耐蚀耐磨性能好的特点。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种工艺简单合理的高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,制备的铜合金具有良好的加工性能和铸造性能,同时合金强度高,耐蚀耐磨性能好。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为:一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材,其特征在于:该铜合金棒材由以下重量百分数的组分组成:Si:0.04~0.2%,Mn:0.25~0.6,Sn:0.1~0.4%,Ni:0.06~0.2%,Al:0.7~1.3%,Fe:0.1~0.25%,Cu:83~87%,镧、锶稀土:0.01~0.1%,其中镧锶比例为4~6:3,余量Zn及不可避免的微量杂质。
优选的,所述重量百分数的组分组成:Si:0.15%,Mn:0.45%,Sn:0.25%,Ni:0.1%,Al:0.85%,Fe:0.15%,Cu:85%,镧、锶稀土:0.06%(其中镧锶比例为5:3),余量Zn及不可避免的微量杂质。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为:一种上述高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)配料、熔炼:按照组分配比进行称料,将Si、Mn、Sn、Ni、Al、Fe、Zn、Cu加入熔炼炉中升温熔化;
2)精炼除杂、除气:待全部熔化后,熔体温度控制在1130~1180℃进行吹气搅拌除杂、除气,通过除气机加入清渣精炼剂,静止5~10分钟后捞渣;
3)加入镧、锶稀土进行细化处理,将温度控制在1160~1200℃,静止4~6分钟后开始转入保温炉;
4)保温炉温度达到铸造温度1160~1220℃时,采用水平连铸铸造毛坯,一次冷却,铸坯出口温度控制在570℃~720℃,拉铸速度控制200~500mm/min,结晶冷却水温度控制在15~35℃,出水温度控制在45~60℃,冷却水压力0.3~0.6Mpa;
5)铸坯拉拔延伸;
6)两道次扒皮;
7)最后压光矫直成品。
作为改进,所述步骤2)中的清渣精炼剂是由弗盐和氧化物盐类组成,清渣精炼剂的加入量为熔体重量0.2~0.4%。
作为改进,所述步骤2)中的除气机的吹气压力控制在0.24~0.26MPa,石墨转子转速控制在320~350r/min,流量9~11L/min,吹气气体采用氮气。
最后,所述步骤6)的两道次扒皮采用凸模扒皮的方式,每道扒皮量10~15丝。
与现有技术相比,本发明的优点在于:铜合金组分配比科学合理,选用含有Si、Mn、Sn、Ni、Al、Fe、Zn的铜基合金中加入镧、锶稀土,硅能显著提高合金强度和耐磨性,锰能显著提高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐腐蚀性,同时与合金中的硅形成Mn5Si3强化相,此强化相能显著提高合金强度和耐磨性,锡能提高黄铜的耐腐蚀性,同时固溶在基体中能增强合金的强度和硬度,镧、锶稀土能有效细化合金晶粒,提高合金的加工塑性、强度和耐磨性,同时还能起到脱氧除气作用,净化铜液,提高合金铸造性能,改善红冲特性等,适用于阀件制造;本发明的制备工艺简单,易操作,采用水平连铸,避免热应力而产生裂纹,改善铸坯红冲开裂问题。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的铜合金棒材的铸态组织镜像图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
表1为本发明的三个实施例的铜合金棒材的组分配比:
表1本发明实施例合金化学成分(wt%)
材料编号 | Cu | Mn | Si | Ni | Sn | Al | Fe | 稀土 | Zn |
实施例1 | 85.7 | 0.46 | 0.15 | 0.14 | 0.32 | 0.95 | 0.16 | 0.05 | 余量 |
实施例2 | 85 | 0.45 | 0.15 | 0.1 | 0.25 | 0.85 | 0.15 | 0.06 | 余量 |
实施例3 | 84.3 | 0.53 | 0.17 | 0.13 | 0.34 | 1.02 | 0.18 | 0.07 | 余量 |
实施例1
一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,步骤为:熔炼炉加入原料升温熔化,待全部熔化后,熔体温度控制在1170℃进行吹气搅拌除杂、除气。通过精炼除气机加入清渣精炼剂,除气机的吹气压力控制在0.25MPa,石墨转子转速控制在350r/min,流量10L/min,吹气气体采用氮气,吹入清渣精炼剂为铜液重量的0.25%。静止7分钟后捞渣。
加入熔体重量0.05%镧、锶稀土进行细化处理,镧锶比例为5:3,熔体温度控制在1170℃,静止5分钟后开始转入保温炉。
保温炉温度达到铸造温度1185℃时,采用水平连铸铸造Φ34mm毛坯,水平连铸采用一次冷却,铸坯出口温度控制在620℃~680℃,拉铸速度控制350mm/min,结晶冷却水温度控制在25℃,出水温度控制在54℃,冷却水压力0.45MPa。
铸坯拉拔延伸,Φ34mm毛坯拉拔延伸至Φ30.3mm。
采用两道凸模扒皮,第一道扒皮至Φ30.15mm,第二道扒皮至Φ30.02mm。
压光矫直至成品Φ30.01mm。
图1为本实施例所制备的铜合金棒材的铸态组织镜像图,其中基体为α相,白色树枝晶为富铝区,红色点位弥散分布的Mn5Si3强化相;Sn固溶基体中,增加材料的耐蚀性,富铝相硬度高,弥散分布的Mn5Si3强化相耐磨强。
实施例2:
一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,步骤为:熔炼炉加入原料升温熔化,待全部熔化后,熔体温度控制在1160℃进行吹气搅拌除杂、除气,通过精炼除气机加入清渣精炼剂,除气机的吹气压力控制在0.25MPa,石墨转子转速控制在320r/min,流量10L/min,吹气气体采用氮气,吹入清渣精炼剂的量为铜液重量的0.25%。静止8分钟后捞渣。
加入熔体重量0.06%镧、锶稀土进行细化处理,镧锶比例为5:3,将温度控制在1180℃,静止5分钟后开始转入保温炉。
保温炉温度达到铸造温度1195℃时,采用水平连铸铸造Φ34mm毛坯,水平连铸采用一次冷却,铸坯出口温度控制在650℃~690℃,拉铸速度控制350mm/min,结晶冷却水进水温度控制在25℃,出水温度控制在55℃,冷却水压力0.45MPa。
铸坯拉拔延伸,将Φ34mm毛坯拉拔延伸至Φ30.3mm。
采用两道凸模扒皮,第一道扒皮至Φ30.15mm,第二道扒皮至Φ30.02mm。
压光矫直至成品Φ30.0mm。
实施例3:
一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,步骤为:熔炼炉加入原料升温熔化,待全部熔化后,熔体温度控制在1165℃左右进行吹气搅拌除杂、除气。通过精炼除气机加入清渣精炼剂,精炼除气机吹气压力控制在0.25MPa,石墨转子转速控制在350r/min,流量10L/min,吹气气体采用氮气,吹入清渣精炼剂的量为铜液重量的0.25%。静止8分钟后捞渣。
加入熔体重量0.07%镧、锶稀土进行细化处理,镧锶比例为5:3,将温度控制在1175℃,静止5分钟后开始转入保温炉。
保温炉温度达到铸造温度1210℃时,采用水平连铸铸造Φ60mm毛坯,水平连铸采用一次冷却,铸坯出口温度控制在660℃~700℃,拉铸速度控制220mm/min。结晶冷却水温度控制在25~30℃,出水温度控制在53~58℃,冷却水压力0.5MPa。
铸坯拉拔延伸,Φ60mm拉拔延伸至Φ55.3mm。
采用两道凸模扒皮,第一道扒皮至Φ55.15mm,第二道扒皮至Φ55mm。
压光矫直至成品Φ54.98mm。
经测试,实施例1、2、3制备的铜合金棒材性能如表2、表3:
表2
材料编号 | 硬度(HV5) | 延伸率(%) | 耐蚀性(腐蚀速度/mm.a-1) |
实施例1 | 124 | 42 | 0.019 |
实施例2 | 127 | 49 | 0.013 |
实施例3 | 121 | 45 | 0.017 |
表3耐磨性能
材料编号 | 摩擦系数 | 磨损量/um |
实施例1 | 0.125 | 392 |
实施例2 | 0.113 | 343 |
实施例3 | 0.131 | 401 |
下面就本发明的铜合金的化学成分设计依据进行具体说明:
Si:硅能显著提高合金强度和耐磨性,但硅含量增加会造成合金塑性的急剧降低,因此硅含量控制在0.04~0.2%。
Mn:锰能显著提高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐腐蚀性,同时与合金中的硅形成Mn5Si3强化相,此强化相能显著提高合金强度和耐磨性。为了得到较多的Mn5Si3强化相,且形成弥散分布,锰和硅比例约为3:1,锰含量控制在0.25~0.6%。
Sn:锡重要作用是抑制脱锌,提高黄铜的耐腐蚀性,同时固溶在基体中能增强合金的强度和硬度,但若其含量过多则使合金塑性下降,因此锡含量控制在0.1~0.4%。
Ni:镍能对黄铜脱锌及应力腐蚀起到稳定作用,因此添加少量镍,合金脱锌和耐应力腐蚀特性稳定性良好,镍含量控制在0.06~0.2%。
Al:铝的锌当量很高,能显著提高黄铜的强度和硬度,同时铝在黄铜中表面的离子化倾向比锌大,能优先与腐蚀介质中的氧结合而形成坚硬致密的氧化薄膜,从而进一步提高合金的耐海水腐蚀性能。但铝大幅度塑性,当铝含量在1.5%以下时,合金具有良好的加工性能和铸造性能,因此铝含量控制在0.7~1.3%。
镧、锶稀土:铸造时稀土能有效细化合金晶粒,增强合金强度,提高合金的加工塑性、强度和耐磨性,同时熔炼精炼过程中,稀土能起到脱氧、除气和除杂作用,净化铜液,改善合金铸造流动性,提高铸造组织致密度,适用于阀件制造。
本发明的制备方法中采用的清渣精炼剂是由弗盐和氧化物等盐类组成。通过除气机中的石墨转杆和转轮将设定的惰性气体将清渣精炼剂粉末注入铜液中,转子将进入铜液的惰性气体和粉末打散成大量弥散的小气泡和颗粒粉均匀分散到金属熔体中,即利用上溶剂法通过熔体中弥散分布的清渣精炼剂吸附、化合造渣,又通过弥散的惰性气体小气泡在熔体中靠气体分压差和表面吸附作用,吸收熔体中的氢和氧化夹杂并随小气泡一起上浮到液面,从而达到除气、除杂作用,净化熔体纯净度,提高铸坯质量,大大改善了合金的红冲特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材,其特征在于:该铜合金棒材由以下重量百分数的组分组成:Si:0.04~0.2%,Mn:0.25~0.6,Sn:0.1~0.4%,Ni:0.06~0.2%,Al:0.7~1.3%,Fe:0.1~0.25%,Cu:83~87%,镧、锶稀土:0.01~0.1%,其中镧锶比例为4~6:3,余量Zn及不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材,其特征在于:所述重量百分数的组分组成:Si:0.15%,Mn:0.45%,Sn:0.25%,Ni:0.1%,Al:0.85%,Fe:0.15%,Cu:85%,镧、锶稀土:0.06%,其中镧锶比例为5:3,余量Zn及不可避免的微量杂质。
3.一种根据权利要求1或2所述的高强耐蚀耐磨阀件用铜合金棒材的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)配料、熔炼:按照组分配比进行称料,将Si、Mn、Sn、Ni、Al、Fe、Zn、Cu加入熔炼炉中升温熔化;
2)精炼除杂、除气:待全部熔化后,熔体温度控制在1130~1180℃进行吹气搅拌除杂、除气,通过除气机加入清渣精炼剂,静止5~10分钟后捞渣;
3)加入镧、锶稀土进行细化处理,将温度控制在1160~1200℃,静止4~6分钟后开始转入保温炉;
4)保温炉温度达到铸造温度1160~1220℃时,采用水平连铸铸造毛坯,一次冷却,铸坯出口温度控制在570℃~720℃,拉铸速度控制200~500mm/min,结晶冷却水温度控制在15~35℃,出水温度控制在45~60℃,冷却水压力0.3~0.6Mpa;
5)铸坯拉拔延伸;
6)两道次扒皮;
7)最后压光矫直成品。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的清渣精炼剂是由弗盐和氧化物盐类组成,清渣精炼剂的加入量为熔体重量0.2~0.4%。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的除气机的吹气压力控制在0.24~0.26MPa,石墨转子转速控制在320~350r/min,流量9~11L/min,吹气气体采用氮气。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤6)的两道次扒皮采用凸模扒皮的方式,每道扒皮量10~15丝。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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