CN108715947A - 一种石油工程设备用高强度铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石油工程设备用高强度铜合金材料及其制备方法，该合金材料组分包含镀镍碳化硅、镧、铈和铜合金ZCuAl10Fe3Mn2，其中合金材料各组分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅：2.5‑3.5％，镧：0.02‑0.1％，铈：0.015‑0.075％，余量为铜合金。本发明的合金材料具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性；从而延长石油工程设备的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的使用寿命。

Description

一种石油工程设备用高强度铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料领域，特别涉及一种石油工程设备用高强度铜合金材料及其制备方法。
背景技术
纳米碳化硅是一种通过一定的技术条件，在普通碳化硅材料的基础上制备而出的一种纳米材料。纳米碳化硅具有纯度高，粒径小，分布均匀，比表面积大，高表面活性，松装密度低，极好的力学，热学，电学和化学性能，即具有高硬度，高耐磨性和良好的自润滑，高热传导率，低热膨胀系数及高温强度大等特点。
国标铜合金材料ZCuAl10Fe3Mn2或美标合金材料C95400是一种铝青铜材料，由于有较高的强度和减摩性，良好的耐蚀性，在热态下压力加工性良好,可电焊和气焊，主要用于如轴衬，轴套，法兰盘，齿轮及其他重要耐蚀零件，耐磨零件。但是在特殊应用方面，其性能难以满足比如航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设别的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的需求。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种石油工程设备用高强度铜合金材料，该合金材料组分包含镀镍碳化硅、镧、铈和铜合金ZCuAl10Fe3Mn2，其中合金材料各组分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅：2.5-3.5％，镧：0.02-0.1％，铈：0.015-0.075％，余量为铜合金。
进一步地，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅：2.5％，镧：0.02％，铈：0.015％，余量为铜合金。
进一步地，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅： 3％，镧：0.06％，铈：0.045％，余量为铜合金。
进一步地，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅： 3.5％，镧：0.1％，铈：0.075％，余量为铜合金。
进一步地，所述镀镍碳化硅的粒径为50-150μm。
本发明提供一种石油工程设备用高强度铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求将电解铜、铝、铁及锰按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜水体积在熔炉体积的80％以下；熔炼温度为 1100-1200℃；时间为4-5小时。
2)采用光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标要求范围之内。
3)将镀镍碳化硅粉体与放入检验合格的ZCuAl10Fe3Mn2铜合金液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合；搅拌速度为300转/分钟，进一步升高温度至1200-1300℃并保持15-20 分钟。
4)按照比例添加镧和铈，并搅拌10-15分钟，搅拌速度为200转/分钟；将熔炼炉降温至1100-1110℃。
5)保温与铸造，将熔炼完成的合金材料进行保温时间为25-35分钟，采用连续铸造的方式将此合金铸造成合金棒材，铸造温度为1050-1080℃。
6)将铸造完成和合金棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
进一步地，步骤2)中的光谱仪为斯派克直读光谱仪。
本发明还提供一种石油工程设备用高强度铜合金材料在石油工程设备中的用途。
本发明取得的有益效果：
本发明将镀镍碳化硅材料通过一定的技术手段均匀分布在现有的合金材料中，利用镀镍碳化硅可润湿、高硬度，高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，实现合金材料的性能的进一步提升；添加镧和铈使合金材料晶粒组织进一步细化，便于成型。本发明所得到的合金新材料具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性，从而延长石油工程设备的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的使用寿命。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
一种石油工程设备用高强度铜合金材料，合金材料各组分组成按重量百分比为：镀镍碳化硅：2.5％，镧：0.02％，铈：0.015％，余量为铜合金 ZCuAl10Fe3Mn2。
1)按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求将电解铜、铝、铁及锰按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜水体积在熔炉体积的80％以下；熔炼温度为 1100℃；时间为4小时。
2)采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标要求范围之内。
3)将镀镍碳化硅粉体与放入检验合格的ZCuAl10Fe3Mn2铜合金液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合；搅拌速度为300转/分钟，进一步升高温度至1200-1300℃并保持15-20 分钟。
4)按照比例添加镧和铈，并搅拌10分钟，搅拌速度为200转/分钟；将熔炼炉降温至1100℃。
5)保温与铸造，将熔炼完成的合金材料进行保温时间为25分钟，采用连续铸造的方式将此合金铸造成合金棒材，铸造温度为1050℃。
6)将铸造完成和合金棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
与现有的合金材料相比，本发明的合金材料具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性。
实施例二
一种石油工程设备用高强度铜合金材料，合金材料各组分组成按重量百分比为：镀镍碳化硅：3％，镧：0.06％，铈：0.045％，余量为铜合金 ZCuAl10Fe3Mn2。
1)按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求将电解铜、铝、铁及锰按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜水体积在熔炉体积的80％以下；熔炼温度为 1150℃；时间为4.5小时。
2)采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标要求范围之内。
3)将镀镍碳化硅粉体与放入检验合格的ZCuAl10Fe3Mn2铜合金液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合；搅拌速度为300转/分钟，进一步升高温度至1250℃并保持18分钟。
4)按照比例添加镧和铈，并搅拌12分钟，搅拌速度为200转/分钟；将熔炼炉降温至1105℃。
5)保温与铸造，将熔炼完成的合金材料进行保温时间为25-35分钟，采用连续铸造的方式将此合金铸造成合金棒材，铸造温度为1065℃。
6)将铸造完成和合金棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
与现有的合金材料相比，本发明的合金材料具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性。
实施例三
一种石油工程设备用高强度铜合金材料，合金材料各组分组成按重量百分比为：镀镍碳化硅：3.5％，镧：0.1％，铈：0.075％，余量为铜合金 ZCuAl10Fe3Mn2。
1)按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求将电解铜、铝、铁及锰按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜水体积在熔炉体积的80％以下；熔炼温度为 1200℃；时间为5小时。
2)采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标要求范围之内。
3)将镀镍碳化硅粉体与放入检验合格的ZCuAl10Fe3Mn2铜合金液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合；搅拌速度为300转/分钟，进一步升高温度至1300℃并保持20分钟。
4)按照比例添加镧和铈，并搅拌15分钟，搅拌速度为200转/分钟；将熔炼炉降温至1110℃。
5)保温与铸造，将熔炼完成的合金材料进行保温时间为25-35分钟，采用连续铸造的方式将此合金铸造成合金棒材，铸造温度为1050-1080℃。
6)将铸造完成和合金棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
与现有的合金材料相比，本发明的合金材料具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种石油工程设备用高强度铜合金材料，其特征在于，该合金材料组分包含镀镍碳化硅、镧、铈和铜合金ZCuAl10Fe3Mn2，其中合金材料各组分组成按重量百分比分别为：镀镍碳化硅：2.5-3.5％，镧：0.02-0.1％，铈：0.015-0.075％，余量为铜合金。
2.根据权利要求1所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料，其特征在于，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅：2.5％，镧：0.02％，铈：0.015％，余量为铜合金。
3.根据权利要求1所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料，其特征在于，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅：3％，镧：0.06％，铈：0.045％，余量为铜合金。
4.根据权利要求1所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料，其特征在于，合金材料各组分组成按体积百分比分别为：镀镍碳化硅：3.5％，镧：0.1％，铈：0.075％，余量为铜合金。
5.根据权利要求1-4所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料，其特征在于，所述镀镍碳化硅的粒径为50-150μm。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照国标GB/T 1176-2013的标准及铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求将电解铜、铝、铁及锰按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜水体积在熔炉体积的80％以下；熔炼温度为1100-1200℃；时间为4-5小时；
2)采用光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标要求范围之内；
3)将镀镍碳化硅粉体与放入检验合格的ZCuAl10Fe3Mn2铜合金液体的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合；搅拌速度为300转/分钟，进一步升高温度至1200-1300℃并保持15-20分钟；
4)按照比例添加镧和铈，并搅拌10-15分钟，搅拌速度为200转/分钟；将熔炼炉降温至1100-1110℃；
5)保温与铸造，将熔炼完成的合金材料进行保温时间为25-35分钟，采用连续铸造的方式将此合金铸造成合金棒材，铸造温度为1050-1080℃；
6)将铸造完成和合金棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。
7.根据权利要求6所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中的光谱仪为斯派克直读光谱仪。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种石油工程设备用高强度铜合金材料在石油工程设备中的用途。
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