CN109082562A

CN109082562A - 一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金

Info

Publication number: CN109082562A
Application number: CN201811111008.XA
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: 2018-09-22
Filing date: 2018-09-22
Publication date: 2018-12-25

Abstract

本发明公开了一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。按照重量百分比,该合金的成分为:Mg:0.8‑1.2wt.%,Ag:1.0‑2.5wt.%,Bi:5.0‑8.0wt.%,Pb:3.0‑4.2wt.%,Ge:2.0‑2.8wt.%,Sn:3.0‑4.0wt.%,Th:0.3‑0.5wt.%,Zn:6.0‑9.0wt.%，余量为镍。该材料为制冷传热管用耐腐蚀合金提供了一种不同于铜合金的技术方案,也就是提供了一种具有优异铸造性能的镍合金。该合金的实施和产业化可以大大推动我国制冷行业在极端腐蚀环境下耐腐蚀新材料更新和商业升级需求。

Description

一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种镍合金。

背景技术

镍是一种银白色的铁磁性金属，是许多磁性材料的主要组成成分。镍合金的种类是非常多的,根据应用的目标不同可以分为:1:)镍基高温合金。在650-1000℃高温下有较高的强度和抗氧化、抗燃气腐蚀能力，是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、核反应堆、能源转换设备上的高温零部件。2:)镍基耐蚀合金。具有良好的综合性能，可耐各种酸腐蚀和应力腐蚀,用于制造各种耐腐蚀零部件。3:)镍基耐磨合金。除具有耐磨性能外，其抗氧化、耐腐蚀、焊接性能也好。可制造耐磨零部件，也可作为包覆材料，通过堆焊和喷涂工艺将其包覆在其它基体材料表面。4:)镍基精密合金。包括镍基软磁合金、镍基精密电阻合金和镍基电热合金等。5:)镍基形状记忆合金。形状记忆效果好。多用于制造航天器上使用的自动张开结构件、宇航工业用的自激励紧固件、生物医学上使用的人造心脏马达等。

一般而言，金属或者合金在凝固的时候都会因为由液态变为固态而发生体积收缩，这是由于固态的密度大于液态而导致的。很显然，这些密度的差异会导致凝固过程中的铸造孔洞和疏松的形成。此外，合金在凝固过程中由于先析出相形成了枝晶主干和侧枝而使得后来的熔体由于不能有效地填补枝晶间的空隙，也会促使孔洞和疏松的生成。因而，多元合金在凝固时铸件的铸造密实度一直是材料学上的难点。通常，对于铸造合金而言，人们会选择多元共晶点附近的成分，使得合金的凝固过程中有固定而单一的相转变温度，因为共晶温度是固定的。这样不仅使得铸件在大范围内合金成分均匀，而且由于共晶相的相互协调生成而使得铸造的孔洞和疏松达到了最小化。

国内外的研究者已经对这些问题进行了详细的研究，并开发出了一系列的铸造用镍合金。这些镍合金不仅大大降低了铸造过程中的孔洞和疏松的形成，该类产品的推广和产业化也使得相关领域的技术提升和产业升级成为可能。但是，由于合金成分限制在了多元共晶点附近，因而合金其它性能并没有多大的优化空间。在实际中造成了铸造用的镍合金不是力学性能差，就是传热性能或者其它特性不能满足使用的要求。

随着新技术的发展和材料设计能力的提高，在多元合金的设计领域，可以通过液相的调幅分解效应来产生两种不同的熔体，并使得这两种熔体具有很大的熔点差别是另一种消除铸造孔洞和疏松的新型方法。由于合金的液相调幅分解可以在相当大的成分范围内实现，因而材料设计者可以通过不断的调整合金元素和含量来进一步提高材料的其它性能。这种设计方法无疑是非常先进的，并在实践中相比共晶点合金的设计更能解决实际问题。但是令人遗憾的是，目前在镍合金领域国内外并没有基于该设计理念的新产品出现。

随着当今世界的发展以及人民生活水平的提高，对高性能合金材料以及实用于极端环境先进合金材料的需求也越来越多，性能的要求也越来越苛刻。可见，镍基合金会在工业领域和国防领域展现出更为广阔的应用前景。进行合金新材料的创新离不开合金的结构和成分设计，而材料的热力学和动力学是解决该类问题的主要方法。通过优化合金元素的筛选和成分确定，不仅可以达到所需要的各种性能指标，还会降低合金冶炼和加工的生产成本和对设备的要求。该类产品不仅使用寿命有了进一步的提高，还便于工业化大规模生产。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。按重量百分比计,合金的组成为Mg:0.8-1.2wt.%,Ag:1.0-2.5wt.%,Bi:5.0-8.0wt.%,Pb:3.0-4.2wt.%,Ge:2.0-2.8wt.%,Sn:3.0-4.0wt.%,Th:0.3-0.5wt.%,Zn:6.0-9.0wt.%，余量为镍。

上述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在1600度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在1600度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到1650-1700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行铸造后的热处理,温度为680度,时间为0.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本专利提供了一种新型的消除铸造孔洞和疏松缺陷的镍合金及其工艺。传统上，对于合金设计而言，铸造合金的成分主要选择在共晶点附近，这样在凝固的过程中相变温度恒定，因而铸锭的成分均匀且铸造缺陷比较少。但是，由于成分点固定在多元共晶点附近，该类的铸造合金未必具有优异的物理性能和力学性能。随着科技和工业的日益发展，镍合金的使用环境和条件也越来越苛刻。因而，开发不在共晶点附近且具有优异物理性能和力学性能的铸造用镍合金是目前国内外的热点方向。本专利提出了一种利用液相调幅分解来进行凝固过程中凝固孔洞消除的新办法，因而在当前工业领域快速发展的时代极具现实意义。

（2）本专利设计的新型无凝固收缩镍合金，在凝固的过程中，富Ni和富Ag和Pb的液相也不断的从最初的合金熔体中分离出来。这些富Ni的熔体由于不和富Ag和Pb熔体相溶,因而在凝固过程中伴随着枝晶的生成而逐渐被排挤到枝晶的间隙中,并在这些狭小的缝隙中最终凝固,起到了补充凝固空洞的作用。因而，具备液相调幅分解特性的合金最适合来制备无凝固收缩孔洞的铸件,因为这种材料产生的凝固孔洞等缺陷极少。用专业术语来说，液态合金在凝固的过程中生成两种互不溶解的液相，因而低熔点的液相在凝固过程中可以补偿高熔点液相凝固时产生的枝晶孔洞，因而对于铸件的物理性能和力学性能具有极其有益的作用。

（3）本专利申请保护的新型铸造镍合金具有宽广的凝固温度范围（910-1420度）。其中主要的富Ni熔体的凝固温度范围为1210-1420度，富Ag和Pb的熔体凝固温度范围为910-1050度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1420度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。此外，该合金具有极其优异的回用性能，经4次回用后铸造件的外形轮廓清晰，表面光洁。因而，该材料的产业化，不仅可以提高成品率，还可以通过多次回用大大降低生产成本。

（4）吸收式溴化锂制冷机具有节电，无公害可采用多种能源等优点，电驱动压缩机式制冷机同其难以比拟。但是目前溴化锂制冷机使用的铜质导热管存在严重的材料问题：铜管在富氧情况下腐蚀严重；铜管耐磨性差等原因使溴化锂制冷机能量衰退使用寿达不到设计的要求。本专利申请保护的新型镍合金通过多年在溴化锂制冷剂上使用，可以完全克服这些问题。具体的说，该铸造用镍合金具有优秀的耐腐蚀性能，在溴化锂制冷剂的工作条件下，腐蚀速度为0.01mm/年，比铜管的腐蚀速度降低了一个数量级。该材料还具有优异的耐摩擦性能，在充分润滑条件下，摩擦系数为0.01-0.02，不润滑条件下为0.04-0.06。耐磨性大幅度提高，比普通铜管增加120-180%。此外，该镍合金的传热性能也能接近通常铜合金的水平，在室温附近维持在180-240W/m﹒K，而普通的铸造铜管的传热系数一般为200W/m﹒K左右。因而，本专利申请保护的铸造用镍合金在溴化锂制冷剂的强化传热管有很大的技术优势，特别是在减少机组体积、降低成本、防止腐蚀，增加耐腐蚀的能力。

具体实施方式

实施例1

一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。按重量百分比计，合金的组成为Mg:0.8wt.%,Ag:1.0wt.%,Bi:5.0wt.%,Pb:3.0wt.%,Ge:2.0wt.%,Sn:3.0wt.%,Th:0.3wt.%,Zn:6.0wt.%，余量为镍。上述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在1600度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在1600度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到1650-1700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行铸造后的热处理,温度为680度,时间为0.5小时。

该合金具有宽广的凝固温度范围（910-1420度）。其中主要的富Ni熔体的凝固温度范围为1210-1420度，富Ag和Pb的熔体凝固温度范围为910-1050度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1420度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该铸造用镍合金具有优秀的耐腐蚀性能，在溴化锂制冷剂的工作条件下，腐蚀速度为0.01mm/年，比铜管的腐蚀速度降低了一个数量级。该材料还具有优异的耐摩擦性能，在充分润滑条件下，摩擦系数为0.01，不润滑条件下为0.04。耐磨性大幅度提高，比普通铜管增加125%。此外，该镍合金的传热性能也能接近通常铜合金的水平，在室温附近维持在182W/m﹒K，而普通的铸造铜管的传热系数一般为200 W/m﹒K左右。

实施例2

一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。按重量百分比计，合金的组成为Mg:1.2wt.%,Ag:2.5wt.%,Bi:8.0wt.%,Pb:4.2wt.%,Ge:2.8wt.%,Sn:4.0wt.%,Th:0.5wt.%,Zn:9.0wt.%，余量为镍。上述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在1600度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在1600度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到1650-1700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行铸造后的热处理,温度为680度,时间为0.5小时。

该合金具有宽广的凝固温度范围（910-1420度）。其中主要的富Ni熔体的凝固温度范围为1210-1420度，富Ag和Pb的熔体凝固温度范围为910-1050度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1420度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该铸造用镍合金具有优秀的耐腐蚀性能，在溴化锂制冷剂的工作条件下，腐蚀速度为0.01mm/年，比铜管的腐蚀速度降低了一个数量级。该材料还具有优异的耐摩擦性能，在充分润滑条件下，摩擦系数为0.02，不润滑条件下为0.05。耐磨性大幅度提高，比普通铜管增加140%。此外，该镍合金的传热性能也能接近通常铜合金的水平，在室温附近维持在195W/m﹒K，而普通的铸造铜管的传热系数一般为200 W/m﹒K左右。

实施例3

一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金。按重量百分比计，合金的组成为Mg:0.9wt.%,Ag:1.4wt.%,Bi:5.2wt.%,Pb:3.8wt.%,Ge:2.4wt.%,Sn:3.2wt.%,Th:0.4wt.%,Zn:6.2wt.%，余量为镍。上述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在1600度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在1600度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。将所得的铸锭在室温下加热到1650-1700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行铸造后的热处理,温度为680度,时间为0.5小时。

该合金具有宽广的凝固温度范围（910-1420度）。其中主要的富Ni熔体的凝固温度范围为1210-1420度，富Ag和Pb的熔体凝固温度范围为910-1050度。两种液相的凝固温度范围覆盖了从1420度到910度的温度范围，因而在用该合金进行铸造的时候，可以获得的铸造件致密度高，可以达到98%以上而没有明显的孔洞出现。该铸造用镍合金具有优秀的耐腐蚀性能，在溴化锂制冷剂的工作条件下，腐蚀速度为0.01mm/年，比铜管的腐蚀速度降低了一个数量级。该材料还具有优异的耐摩擦性能，在充分润滑条件下，摩擦系数为0.01，不润滑条件下为0.05。耐磨性大幅度提高，比普通铜管增加160%。此外，该镍合金的传热性能也能接近通常铜合金的水平，在室温附近维持在190W/m﹒K，而普通的铸造铜管的传热系数一般为200 W/m﹒K左右。

Claims

1.一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金；按照重量百分比,该合金的成分为:Mg:0.8-1.2wt.%,Ag:1.0-2.5wt.%,Bi:5.0-8.0wt.%,Pb:3.0-4.2wt.%,Ge:2.0-2.8wt.%,Sn:3.0-4.0wt.%,Th:0.3-0.5wt.%,Zn:6.0-9.0wt.%，余量为镍。

2.根据权利要求1所述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，其特征在于包括如下冶炼步骤：将如上配比的原料加入到氩气环境下的感应电炉内，并采用石墨坩埚;熔炼时在1600度保温10分钟，靠高频感应炉电磁搅拌均匀;搅拌均匀后在1600度保温1分钟并浇铸出炉;合金浇铸采用直径20-30mm的钢模，并采用水冷的方式降温。

3.根据权利要求1所述一种制冷传热管用液相调幅分解型铸造镍合金，其特征在于包含如下使用步骤：将所得的铸锭在室温下加热到1650-1700度并保温10分钟;然后将该熔体倒入已经做好的模具中进行浇铸成型;冷却脱模后需要进行铸造后的热处理,温度为680度,时间为0.5小时。