CN108118188A - 具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Li:1.2‑2.5wt.%,Cr:0.2‑0.4wt.%,Nd:0.2‑0.3wt.%,Bi:0.3‑0.5wt.%，Co:0.4‑0.5wt.%,Si:0.2‑0.5wt.%,余量为铅。该铅锂合金具有传统屏蔽材料用铅合金不具备的优秀的铸造性能,并具备强的耐高温能力。将在军事、民用领域得到广阔应用，意义重大。

Description

具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铅锂合金。

背景技术

核能源系统的核心部分是反应堆，核裂变(或聚变)产生不同能级的中子、Y射线、二次Y射线及其它带电粒子和高能射线。反应堆屏蔽是用一定厚度的屏蔽材料包围反应堆，用以阻挡或减弱反应堆发出的大量中子和γ射线。中子与屏蔽材料的各原子核发生相互作用的结果，可以改变中子的能量和运动方向，中子也可能被原子核吸收。

对辐射屏蔽材料进行设计时要考虑三个主要的标准。1:)屏蔽材料必须基本满足辐射屏蔽要求，即对中子、丫射线具有良好的慢化或屏蔽效果;2:)屏蔽材料一定要有较好的物理力学性能以满足应用;3:) 材料在使用过程中要保持良好的结构完整性。国内外对屏蔽合金材料已进行了大量的研究，很多屏蔽材料已得到广泛的应用。

一般来说，大多的屏蔽合金材料含有铅或者是铅合金。屏蔽铅合金具有很独特的性能：(1)性能优良、成本适中、工艺成熟。在核石油勘探等领域存在着较大应用前景。有良好的多重辐射屏蔽性能。(2)第二相由于稳定性高，不会因长期保持而导致合金软化，从而可使铅得到有效的强化，在较高温度下也能保持较高的强度性质。(3)拥有良好的延展性能，可以有效降低铅合金的加工难度，满足作为结构工程材料使用的需要。

尽管目前有大量关于核屏蔽材料的研究，但这些材料仍然存在强韧性难以满足作为结构屏蔽材料的要求、耐热性不好、综合屏蔽效果不良、体积大难于移动及抗辐照能力较差等问题。同时兼顾功能和结构一体化的要求，严重限制了其在屏蔽系统中的应用。扩大核能利用是关系国计民生的重要事业，加速核电发展是我国的重要能源战略。而核反应堆运行、核燃料循环、核设施退役等环节中产生的核废料有强放射性。性能优良、成本适中、工艺成熟的高强铅基屏蔽材料在核电设施及核废料贮运等领域存在较大应用前景。研制开发高强铅基屏蔽材料并进一步提高其性价比，将在军事、民用领域得到广阔应用，意义重大。

在铅合金中加入锂后，通过优化合金的成分和配比能使得铅合金的有良好的多重辐射屏蔽性能。铅锂合金在熔炼和成型过程中极易发生氧化、燃烧甚至爆炸，不仅给零件的成型与性能造成危害，还很容易伤及人体和污染环境。铅锂合金产业化的一个重要方向就是如何阻止其高温下的氧化燃烧。目前冶炼工业中常采用氯化盐熔剂保护法与惰性气体保护法。但是，这两种方法都有其难以避免的缺陷，如易产生有毒气体污染环境和造成熔剂夹杂而损害合金性能。此外，熔炼、浇注设备和工艺复杂，加大了成本。解决铅锂合金在大气中熔炼时产生燃烧的另一个途径是向铅锂合金中添加合金元素，通过合金化的方法达到阻燃目的。合金化阻燃法其机理是在铅锂合金熔炼过程中添加特定的合金元素来影响合金氧化的热力学与动力学过程，形成具有保护作用的致密氧化膜和氮化膜，达到阻止合金剧烈氧化和氮化的目的，并且铅锂合金在后续加工过程中的氧化燃烧的倾向大大降低，从而提高铅锂合金的加工安全性。铅锂合金不仅具备优异的铸造性能,其耐高温性能也远远高于现有的屏蔽材料用铅合金。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在350-400度大气条件下进行熔炼的具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金及其加工工艺。且在此温度区间熔炼的合金最终产品不仅具备优异的铸造性能,其耐高温性能也远远高于现有的屏蔽材料用铅合金。该方法还具有生产成本低，便于大规模生产的特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li:1.2-2.5wt.%,Cr:0.2-0.4wt.%,Nd:0.2-0.3wt.%,Bi:0.3-0.5wt.%，Co:0.4-0.5wt.%, Si:0.2-0.5wt.%,余量为铅。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-3.0wt.%左右。

上述具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350-400度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350-400度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铅锂合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理218度，2.6小时；真空时效处理135度，1.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1） 本发明专利针对目前屏蔽材料用铅合金的铸造性能还不能完全满足现有需求的现状提供了一种新颖的材料学解决方案。该合金具有极其优异的阻燃性能，可以达到在350-400温度范围内在大气环境下静置5个小时而没有明显的燃烧。在对液态合金进行搅拌、吹气等熔体处理过程中，当其表面膜因剧烈搅拌被破坏后，能快速再生，成功阻碍合金的燃烧。且该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量小于3.0wt.%左右。

（2） 锂的加入让铅锂合金的密度比多数合金的密度都要低。且随着锂含量的增加，其密度还会进一步降低。铅锂合金有很高的强度，其强度不会因为锂含量的增加而发生明显变化，而且可以通过添加铜、镁、锌等元素进一步提高合金的强度。铅锂合金拥有很高的刚度，抗变形能力强，其刚度随着锂含量的增加还会进一步提高。

（3） 该合金成功地解决了铅与合金元素之间的物理、化学相容性及界面相容性问题，克服了组元间的比重差，实现了合金元素和合金相在铅基体中的均匀分布。具有低的液固相凝固温度范围，可以解决铸造时热裂倾向大，铸造空洞和疏松明显制品成品率低等技术难题。

（4） 该铅锂合金加工性能十分优良，切削速度可以是普通屏蔽材料用铅合金的2-3倍。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.5mm左右的小孔。在室温下, 该合金的抗拉强度达到320-340MPa。而传统屏蔽材料用铅合金在室温下的抗拉强度分别为230-250MPa。在150度时,该材料的抗拉强度可以在10个小时内维持在220-240MPa,而传统铅合金在该温度时抗拉强度已经降低到100MPa以下。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。

具体实施方式

实施例1

一种在350度熔炼具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 2.1wt.%,Cr:0.3wt.%,Nd:0.2wt.%,Bi:0.4wt.%，Co:0.4wt.%, Si:0.3wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铅锂合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理218度，2.6小时；真空时效处理135度，1.5小时。

该铅锂合金加工性能十分优良，切削速度可以是普通屏蔽材料用铅合金的2.4倍。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.5mm左右的小孔。在室温下, 该合金的抗拉强度达到326MPa。而传统屏蔽材料用铅合金在室温下的抗拉强度分别为238MPa。在150度时,该材料的抗拉强度可以在10个小时内维持在228MPa,而传统铅合金在该温度时抗拉强度已经降低到100MPa以下。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.5wt.%左右。

实施例2

一种在370度熔炼具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.8wt.%,Cr:0.2wt.%,Nd:0.2wt.%,Bi:0.4wt.%，Co:0.4wt.%, Si:0.3wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到370度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在370度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铅锂合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理218度，2.6小时；真空时效处理135度，1.5小时。

该铅锂合金加工性能十分优良，切削速度可以是普通屏蔽材料用铅合金的2.6倍。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.5mm左右的小孔。在室温下, 该合金的抗拉强度达到335MPa。而传统屏蔽材料用铅合金在室温下的抗拉强度分别为236MPa。在150度时,该材料的抗拉强度可以在10个小时内维持在235MPa,而传统铅合金在该温度时抗拉强度已经降低到100MPa以下。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.6wt.%左右。

实施例3

一种在390度熔炼具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.8wt.%,Cr:0.3wt.%,Nd: 0.3wt.%,Bi:0.4wt.%，Co: 0.5wt.%, Si:0.4wt.%,余量为铅。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到390度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在390度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为12m/min。该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铅锂合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理218度，2.6小时；真空时效处理135度，1.5小时。

该铅锂合金加工性能十分优良，切削速度可以是普通屏蔽材料用铅合金的2.8倍。且具有流动性好，充填性能甚佳、缩孔形成倾向小，金属液吸气性小等优点。它可以制造出高尺寸精度和低表面粗糙度的薄壁铸件，压铸件壁厚可达到最小壁厚为1mm的铸件，可铸出直径为0.5mm左右的小孔。在室温下, 该合金的抗拉强度达到332MPa。而传统屏蔽材料用铅合金在室温下的抗拉强度分别为236MPa。在150度时,该材料的抗拉强度可以在10个小时内维持在238MPa,而传统铅合金在该温度时抗拉强度已经降低到100MPa以下。用于热带环境下的核堆、医用放射源屏蔽、核废料处理等领域，可以有效地保障核反应堆系统的安全运行、提高系统运行寿命。该铅锂合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.6wt.%左右。

Claims (3)

1.一种具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li: 1.2-2.5wt.%,Cr:0.2-0.4wt.%,Nd:0.2-0.3wt.%,Bi:0.3-0.5wt.%，Co:0.4-0.5wt.%,Si:0.2-0.5wt.%,余量为铅。

2.根据权利要求1所述具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到350-400度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在350-400度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的方锭和圆锭，铸锭下移速度为10-15m/min。

3.根据权利要求1所述具备优异压铸性能的耐高温含Cr铅锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做铸造原料用于后续工序的压力铸造来制备复杂形状的铅锂合金铸件；这些铸件的最后热处理工序为：真空固溶处理218度，2.6小时；真空时效处理135度，1.5小时。