CN108203775A

CN108203775A - 具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金

Info

Publication number: CN108203775A
Application number: CN201810125151.8A
Authority: CN
Inventors: 杨长江
Original assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Xianzhi Technology Co Ltd; Guangzhou Yuzhi Technology Co Ltd
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2018-06-26

Abstract

本发明公开了具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc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:0.8‑1.5wt.%,Sc:0.2‑0.5wt.%,Ni:0.2‑0.4wt.%,Cu:0.6‑0.8wt.%，Ta:0.5‑0.6wt.%,Ge:0.2‑0.4wt.%,Eu:0.2‑0.4wt.%,余量为铅。该铅锂合金具有极低加工硬化率,以及优秀的耐腐蚀性能。性能超越传统的屏蔽材料用铅合金，并将在军事、民用领域得到广阔应用。

Description

具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc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

核反应堆是一种启动、控制并维持核裂变或核聚变链式反应的装置。相对于核武爆炸瞬间所发生的失控链式反应，在反应堆之中，核变的速率可以得到精确的控制，其能量能够以较慢的速度向外释放，供人们利用。核反应堆有许多用途，当前最重要的用途是产生热能，用以代替其他燃料加热水，产生蒸汽发电或驱动航空母舰等设施运转。一些反应堆被用来生产为医疗和工业用途的同位素，或用于生产武器级钚。一些反应堆运行仅用于研究。当前全部商业核反应堆都是基于核裂变的。

核辐射屏蔽材料的主要作用是吸收或减弱中子和γ射线。为满足各种反应堆尤其是快堆和移动式反应堆，对屏蔽材料越来越苛刻的要求，迫切需要所研制的屏蔽材料不仅具有良好的综合屏蔽效果，而且还应具有良好的力学性能。屏蔽材料对射线具有强烈的吸收和散射作用，辐射防护材料的研究制备在国防和民用领域都有着极其重要的意义。因此，核辐射屏蔽材料的研制一直被作为重要的科研课题而受到各国青睐和重视，相关的研发在国内外都非常活跃。

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。

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; (2) 强度高。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; (3) 刚度高。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;(4) 抗疲劳。铅锂合金抗疲劳性能优异，使用寿命长。

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有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc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极低加工硬化率,其耐腐蚀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：

一种具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金。按重量百分比计，合金的组成为：Li: 0.8-1.5wt.%,Sc:0.2-0.5wt.%,Ni:0.2-0.4wt.%,Cu:0.6-0.8wt.%，Ta:0.5-0.6wt.%,Ge:0.2-0.4wt.%,Eu:0.2-0.4wt.%,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。

上述具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc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扁锭，铸锭下移速度为10-15m/min。该扁锭可以当做轧制胚料用于后续工序的压力轧制来制备更为薄的铅锂合金板材。这些板材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132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力学性能和耐腐蚀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。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。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。在室温下, 该合金的抗拉强度达到300-310MPa。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。该材料具有极低的加工硬化性能，可以在轧制过程中没有中间热处理或者长时间的室温回复和再结晶而通过每道次50-60%的下轧量将最终板材的厚度轧制到初始厚度的2-8%。而一般屏蔽材料用铅合金由于强度大而加工硬化率较高。必须通过室温下的回复和再结晶或者高温下的回复加以软化。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为1.2×10^-3mm/年。因而在海洋性气氛下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀现象发生。用于核堆、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度熔炼具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.9wt.%,Sc:0.3wt.%,Ni:0.2wt.%,Cu:0.7wt.%，Ta:0.5wt.%, Ge:0.3wt.%,Eu:0.2wt.%,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扁锭，铸锭下移速度为12m/min。该扁锭可以当做轧制胚料用于后续工序的压力轧制来制备更为薄的铅锂合金板材。这些板材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132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2.1倍。在室温下, 该合金的抗拉强度达到306MPa。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。该材料具有极低的加工硬化性能，可以在轧制过程中没有中间热处理或者长时间的室温回复和再结晶而通过每道次52%的下轧量将最终板材的厚度轧制到初始厚度的2-8%。而一般屏蔽材料用铅合金由于强度大而加工硬化率较高。必须通过室温下的回复和再结晶或者高温下的回复加以软化。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为1.2×10^-3mm/年。因而在海洋性气氛下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀现象发生。用于核堆、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1.4wt.%左右。

实施例2

一种在370度熔炼具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 1.2wt.%,Sc:0.4wt.%,Ni:0.3wt.%,Cu:0.7wt.%，Ta:0.5wt.%, Ge:0.2wt.%, Eu: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扁锭，铸锭下移速度为10m/min。该扁锭可以当做轧制胚料用于后续工序的压力轧制来制备更为薄的铅锂合金板材。这些板材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132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。在室温下, 该合金的抗拉强度达到305MPa。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。该材料具有极低的加工硬化性能，可以在轧制过程中没有中间热处理或者长时间的室温回复和再结晶而通过每道次52%的下轧量将最终板材的厚度轧制到初始厚度的2-8%。而一般屏蔽材料用铅合金由于强度大而加工硬化率较高。必须通过室温下的回复和再结晶或者高温下的回复加以软化。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为1.2×10^-3mm/年。因而在海洋性气氛下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀现象发生。用于核堆、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1.8wt.%左右。

实施例3

一种在390度熔炼具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金。按重量百分比计，合金的化学成分为：Li: 0.9wt.%,Sc:0.4wt.%,Ni:0.3wt.%,Cu:0.6wt.%，Ta:0.5wt.%, Ge:0.2wt.%,Eu: 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扁锭，铸锭下移速度为12m/min。该扁锭可以当做轧制胚料用于后续工序的压力轧制来制备更为薄的铅锂合金板材。这些板材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132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2.7倍。在室温下, 该合金的抗拉强度达到305MPa。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。该材料具有极低的加工硬化性能，可以在轧制过程中没有中间热处理或者长时间的室温回复和再结晶而通过每道次52%的下轧量将最终板材的厚度轧制到初始厚度的2-8%。而一般屏蔽材料用铅合金由于强度大而加工硬化率较高。必须通过室温下的回复和再结晶或者高温下的回复加以软化。在海洋性气氛下，该材料的腐蚀速度为1.2×10^-3mm/年。因而在海洋性气氛下，该材料可以安全使用20年以上而没有明显的腐蚀现象发生。用于核堆、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

1.一种具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金；按照重量百分比，该合金的成分为：Li: 0.8-1.5wt.%,Sc:0.2-0.5wt.%,Ni:0.2-0.4wt.%,Cu:0.6-0.8wt.%，Ta:0.5-0.6wt.%, Ge:0.2-0.4wt.%, Eu:0.2-0.4wt.%,余量为铅。

2.根据权利要求1所述具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc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扁锭，铸锭下移速度为10-15m/min。

3.根据权利要求1所述具有极低加工硬化率的耐腐蚀含Sc铅锂合金，其特征在于包含如下加工步骤：该扁锭可以当做轧制胚料用于后续工序的压力轧制来制备更为薄的铅锂合金板材；这些板材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132度，1.5小时。