CN109371281B - 一种耐高温热腐蚀的黄铜合金及其制备的火盖 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气灶火盖，公开了一种耐高温热腐蚀的黄铜合金及其制备的火盖，解决了现有黄铜合金中添加V提高强度而导致高温热腐蚀加剧，使用寿命减短的问题，其由一种耐高温热腐蚀的黄铜合金制得，该黄铜合金由包含以下质量份数的原料制成：Cu：10186‑11958份，Fe：191‑224份，Sn：158‑185份，Zn：7259‑8521份，Mo：1‑2份，Mn：12‑15份，V：9‑11份，Cr3C2：10‑12份，添加有V和Cr3C2，加强黄铜合金的强度，同时部分V原子和Cr3C2中C原子通过金属键键合，减少氧化钒的生成以及阻碍本黄铜合金表面以及表面的元素进一步氧化，以减少钒盐引导生成的低熔点的共晶体生成，进而使本黄铜合金具有良好的耐高温热腐蚀性，由此使由其制得的火盖具有强度高和良好的耐高温热腐蚀性，使用寿命长。

Description

一种耐高温热腐蚀的黄铜合金及其制备的火盖
技术领域
本发明涉及一种燃气灶火盖，特别涉及一种耐高温热腐蚀的黄铜合金及其制备的火盖。
背景技术
黄铜是由铜和锌所组成的合金，由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜，如果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。黄铜的硬度和热加工温度较低，常用与加工制造结构较为复杂的结构器件。而现有市面上的部分燃气灶火盖利用黄铜和特殊黄铜便于加工的性质生成制得，有较强的耐磨性能，黄铜和特殊黄铜具有较好的耐磨性能，可减少燃气从火盖喷火孔流动带来的气流摩擦损耗。针对黄铜和特殊黄铜强度低的问题，本领域人员对其进行了一定的改性，在特殊黄铜中添加金属钒，调整特殊黄铜内金属晶格和金属键键合，由此提高特殊黄铜的强度。
但其不足之处在于因金属钒的添加，在火盖使用过程中，由于钒氧化后与铜的氧化物或锌的氧化物结合生成钒盐，再与铜、锌、铜的氧化物或锌的氧化物高温下相容形成低熔点的共晶体，导致高温热腐蚀加剧，原来金属表面的保护性氧化膜破坏，从而造成对基体金属材料的加速腐蚀，使喷火孔使用一段时间后发生扩张，引起燃气灶热效率降低和火盖使用寿命降低等一系列后续影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，其具有良好的耐高温热腐蚀性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，所述黄铜合金由包含以下质量份数成分的原料制成：Cu：10186-11958份，Fe：191-224份，Sn：158-185份，Zn：7259-8521份，Mo：1-2份，Mn：12-15份，V：9-11份，Cr3C2：10-12份。
通过采用上述技术方案，Cr3C2熔点为1890℃，沸点为3800℃，其可在熔炼过程中混合在本黄铜合金内，并且Cr3C2在高温环境下具有良好的耐磨、耐腐蚀、抗氧化，减缓黄铜合金高温氧化；
在本黄铜合金熔炼生成时，部分V原子和Cr3C2中的C原子之间通过金属键键合，阻碍使得成品的本黄铜合金内V在高温下氧化，减少高温下氧化钒的生成，减少钒盐引导生成的低熔点的共晶体；
同时通过金属键键合有Cr3C2的V原子，高温下氧化分解生成VCx和Cr3C2，VCx熔点较VOx熔点高，不产生低熔点的共晶体；
由此减少氧化钒的生成以及阻碍本黄铜合金表面以及表面的元素进一步氧化，以减少钒盐引导生成的低熔点的共晶体生成，进而使本黄铜合金具有良好的耐高温热腐蚀性。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金的原料包括A1：13-16份。
通过上述技术方案，金属键键合有Cr3C2的V原子，高温下氧化分解产生Cr2O3，该Cr2O3在本黄铜合金表面成核生长，形成Cr2O3氧化膜，该Cr2O3氧化膜质地较为疏松、连续性差、存在晶格缺陷，故其保护性差；
当该Cr2O3氧化膜成型后，在此Cr2O3氧化膜与本黄铜合金界面处，Cr2O3与本黄铜合金内的Al反应还原生成Cr，生成Cr受Cr2O3氧化膜限制而均匀分布在Cr2O3氧化膜与本黄铜合金界面，氧继续从Cr2O3氧化膜渗透入Cr2O3氧化膜与本黄铜合金界面，使得Cr缓慢的氧化形成新的Cr2O3氧化膜，而新的Cr2O3氧化膜致密、连续性好，对本黄铜合金起到保护在于，对本黄铜合金表面热腐蚀处进行修复，阻碍本黄铜合金氧化和热腐蚀。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金包括Co和Ti，Co：2-4份，Ti：1-2份。
通过采用上述技术方案，金属氧化膜生长过程中，反应物质传输的形式有三种：金属离子单向向外扩散，在氧化膜-气体界面上进行反应，如铜的氧化过程；氧单向向内扩散，在金属-氧化膜界面上进行反应，如钛的氧化过程；金属离子向外扩散，氧向内扩散，两者在氧化膜中相遇并发生反应，如钴的氧化反应，
此处本黄铜合金表面氧化形成氧化膜时，Cu、Co和Ti氧化成膜的反应物质传输形式不同吗，相互混合形成致密的氧化膜，提高氧化膜的保护性，同时氧化膜形成过程中氧向内扩散周到Co和Ti氧化而带来的阻碍，减少氧化膜-气体界面形成气泡的可能，减少气泡的应力对氧化膜的破坏，减少氧化膜裂痕，加强氧化膜对热腐蚀的抵抗。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金成分如下，Cu：55.0487wt％，Fe：1.0312wt％，Sn：0.8562wt％，Zn：39.231wt％，Co：0.0184wt％，Ti：0.0093wt％，V：0.0461wt％，Al：0.0736wt％，Cr3C2：0.0552wt％。
通过采用上述技术方案，黄铜合金的强度好，且保持由良好的耐高温热腐蚀性。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金包括Pb：473-579份。
通过采用上述技术方案，提高黄铜合金常温下的抗氧化性和抗腐蚀性，提高黄铜合金的强度，同时提高黄铜合金的耐磨性，进而延长黄铜合金制品的使用寿命。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金包括Ni：53-65份。
通过采用上述技术方案，提高黄铜合金的耐磨性，同时增强黄铜合金的高温热腐蚀性。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金包括Sb：16-20份。
通过采用上述技术方案，提高黄铜合金的强度，同时提高黄铜合金的耐磨性，进而延长黄铜合金制品的使用寿命。
本发明进一步设置为：所述黄铜合金成分如下：Cu：55.0487wt％，Fe：1.0312wt％，Sn：0.8562wt％，Zn：39.231wt％，Co：0.0184wt％，Ti：0.0093wt％，Pb：2.6608wt％，Mn：0.0645wt％，Ni：0.3039wt％，V：0.0461wt％，Al：0.0736wt％，Sb：0.092wt％，Cr3C2：0.0552wt％。
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种火盖，强度高且具有良好的耐高温热腐蚀性，使用寿命长。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种火盖，由上述的耐高温热腐蚀的黄铜合金制成。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，添加有V和Cr3C2，加强黄铜合金的强度，同时部分V原子和Cr3C2中的C原子之间通过金属键键合，减少氧化钒的生成以及阻碍本黄铜合金表面以及表面的元素进一步氧化，以减少钒盐引导生成的低熔点的共晶体生成，进而使本黄铜合金具有良好的耐高温热腐蚀性；
2.一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，添加有V、Cr3C2和Al，金属键键合有Cr3C2的V原子，高温下氧化分解产生Cr2O3，该Cr2O3在本黄铜合金表面成核生长，形成Cr2O3氧化膜，在此Cr2O3氧化膜与本黄铜合金界面处，Cr2O3与本黄铜合金内的Al反应还原生成Cr，并再次氧化形成新的致密、连续性好的Cr2O3氧化膜，对本黄铜合金起到保护在于，对本黄铜合金表面热腐蚀处进行修复，阻碍本黄铜合金氧化和热腐蚀；
3.黄铜合金还添加有包括Co和Ti，黄铜合金表面氧化形成氧化膜时，Cu、Co和Ti的氧化物相互混合形成致密的氧化膜，提高氧化膜的保护性，同时氧化膜形成过程中氧向内扩散周到Co和Ti氧化而带来的阻碍，减少氧化膜-气体界面形成气泡的可能，减少气泡的应力对氧化膜的破坏，减少氧化膜裂痕，加强氧化膜对热腐蚀的抵抗；
4.黄铜合金包括Pb、Ni和Sb，提高黄铜合金常温下的抗氧化性和抗腐蚀性，提高黄铜合金的强度，同时提高黄铜合金的耐磨性，增强黄铜合金的高温热腐蚀性，进而延长黄铜合金制品的使用寿命；
5.提供一种火盖，强度盖且具有良好的耐高温热腐蚀性，使用寿命长。
附图说明
图1为火盖的结构示意图。
附图标记：1、环体；11、喷火孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示，一种火盖，包括环体1，环体1底面向上凹陷，且在环体1的外侧面围绕环体1轴心均匀分布有喷火孔11，喷火孔11的大小一般为1-1.5mm。
实施例一，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，由包含以下质量份数成分的原料制成：Cu：10186-11958份，Fe：191-224份，Sn：158-185份，Zn：7259-8521份，Co：2-4份，Ti：1-2份，Mo：1-2份，Pb：473-579份，Mn：12-15份，Ni：53-65份，V：9-11份，Al：13-16份，Sb：16-20份，Cr3C2：10-12份。
上述耐高温热腐蚀的黄铜合金生产工艺，包含如下步骤，
S1：按重量份称取原料：Cu：10186-11958份，Fe：191-224份，Sn：158-185份，Zn：7259-8521份，Co：2-4份，Ti：1-2份，Mo：1-2份，Pb：473-579份，Mn：12-15份，Ni：53-65份，V：9-11份，Al：13-16份，Sb：16-20份，Cr3C2：10-12份；
S2：S1称取的Cu、Fe、Sn和Zn一同加入真空感应炉熔炼并充分混合，然后加入Co，Ti，Mo，Pb，Mn，Ni，V，A1，Sb，Cr3C2；，炉温升高到2200-2400℃，充入氩气作为保护气，控制压强为0.03-0.06MPa，充分熔炼混合后将所得熔液进行浇注，得黄铜合金坯锭；
S3：黄铜合金坯锭空冷至700-800℃的时候，放入热处理机以20-30℃/min的速度升温至1300-1400℃，保温50-70分钟，炉冷至室温后再以40-50℃/分的速度升温至850-950℃，保温30-40min；
S4：将黄铜合金坯锭从炉内取出，冷却至室温后进行回火，回火温度为650-700℃，回火处理后空冷，即得产品黄铜合金。
根据上述制备方法进行产品黄铜合金的制备，获得实施例1A-1F，原料用量如下。
Figure BDA0001917482220000041
Figure BDA0001917482220000051
实施例二，
一种火盖，其基于实施例一的基础上对所得的产品黄铜合金进行加工，获得与实施例1A-1F所相对应的实施例2A-2F获得火盖，实施例2A由实施例1A所得的黄铜合金制得，依次类推。
如附图1所示，火盖包括环形本体，和位于环形本体外侧面上均匀分布的喷火孔，喷火孔形状可根据实际情况而定，此处为圆形，直径为2mm。
对实施例1A-1F所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例2A-2F的火盖进行耐高温热腐蚀测试。市购黄铜合金作为对比例一，黄铜合金中Cu：58.56wt％，Zn：42.38wt％，V：0.05wt％。
机械性能的检测包括耐磨性检测，拉伸强度和压缩屈服强度。其中耐磨性检测条件为：采用Pin-On-Disk-1-AUTO型摩擦磨损试验机，对磨球为直径5mm WC球，试验在干摩擦条件下进行，正压力4N，转速为200r/min，试验时间为1800s，结果以磨损率表示。
耐高温热腐蚀测试方法如下：
将多组火盖安装于相同的大气式燃气灶上，燃气压力恒定，点火燃烧，每次火燃烧持续1h，再关火10min，交替点火和关火，每次燃烧时间达到100h、200h和300h进行测试喷火孔孔口面积变化率。测试喷火孔孔口面积变化率由高清摄像后，由电脑计算处理得到。
喷火孔孔口面积增大，喷火孔孔口面积变化率取正，喷火孔孔口面积减小，喷火孔孔口面积变化率取负，喷火孔孔口面积变化率越小，耐高温热腐蚀性能越好。
测试结果如下。
机械性能测试表
Figure BDA0001917482220000052
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000053
Cr3C2中的C原子之间通过金属键键合，减少氧化钒的生成以及阻碍本黄铜合金表面以及表面的元素进一步氧化，以减少钒盐引导生成的低熔点的共晶体生成，进而使本黄铜合金具有良好的耐高温热腐蚀性。
实施例2B对应实用的实施例1B的黄铜合金机械性能以及抗高温热腐蚀性能好，故对实施例1B的黄铜合金径向检测，其成分如下：Cu：55.0487wt％，Fe：1.0312wt％，Sn：0.8562wt％，Zn：39.231wt％，Co：0.0184wt％，Ti：0.0093wt％，Pb：2.6608wt％，Mn：0.0645wt％，Ni：0.3039wt％，V：0.0461wt％，A1：0.0736wt％，Sb：0.092wt％，Cr3C2：0.0552wt％，其余为本领域不可避免的杂质。
实施例三，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，基于实施例一的基础上，其区别之处在于黄铜合金原料中A1用量为零，具体成分如下。
实施例3A 实施例3B 实施例3C
Cu/kg 10186 11010 11958
Fe/kg 224 206 191
Sn/kg 158 171 185
Zn/kg 8521 7846 7259
Co/kg 3 4 2
Ti/kg 1.5 2 1
Mo/kg 1 2 1.5
Pb/kg 579 532 473
Mn/kg 15 13 14
Ni/kg 53 61 65
V/kg 10 9 11
Sb/kg 20 18 16
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/kg 12 11 10
实施例四，
一种火盖，基于实施例二的基础上，其区别之处在于由实施例三所得的黄铜合金制得，获得与实施例3A-3C对应的实施例4A-4C。
对实施例3A-3C所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例4A-4C的火盖进行耐高温热腐蚀测试。
机械性能的检测表
实施例3A 实施例3B 实施例3C
磨损率/％ 0.65 0.45 0.57
拉伸强度/MPa 663 697 642
压缩屈服强度/MPa 615 644 642
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000061
对比实施例一、实施例二、实施例三和实施例四可知，耐高温热腐蚀的黄铜合金，添加有V、Cr3C2和Al，金属键键合有Cr3C2的V原子，高温下氧化分解产生Cr2O3，该Cr2O3在本黄铜合金表面成核生长，形成Cr2O3氧化膜，在此Cr2O3氧化膜与本黄铜合金界面处，Cr2O3与本黄铜合金内的Al反应还原生成Cr，并再次氧化形成新的致密、连续性好的Cr2O3氧化膜，对本黄铜合金起到保护在于，对本黄铜合金表面热腐蚀处进行修复，阻碍本黄铜合金氧化和热腐蚀。
实施例五，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，基于实施例一的基础上，其区别之处在于黄铜合金原料中Co和Ti用量为零，具体成分如下。
实施例5A 实施例5B 实施例5C
Cu/kg 10186 11010 11958
Fe/kg 224 206 191
Sn/kg 158 171 185
Zn/kg 8521 7846 7259
Mo/kg 1 2 1.5
Pb/kg 579 532 473
Mn/kg 15 13 14
Ni/kg 53 61 65
V/kg 10 9 11
Al/kg 13 15 16
Sb/kg 20 18 16
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/kg 12 11 10
实施例六，
一种火盖，基于实施例二的基础上，其区别之处在于由实施例五所得的黄铜合金制得，获得与实施例5A-5C对应的实施例6A-6C。
对实施例5A-5C所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例6A-6C的火盖进行耐高温热腐蚀测试。
机械性能检测标
实施例5A 实施例5B 实施例5C
磨损率/％ 0.50 0.27 0.40
拉伸强度/MPa 643 667 612
压缩屈服强度/MPa 587 618 612
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000071
对比实施例一、实施例二、实施例五和实施例六可知，黄铜合金表面氧化形成氧化膜时，Cu、Co和Ti氧化成膜的反应物质传输形式不同吗，相互混合形成致密的氧化膜，提高氧化膜的保护性，同时氧化膜形成过程中氧向内扩散周到Co和Ti氧化而带来的阻碍，减少氧化膜-气体界面形成气泡的可能，减少气泡的应力对氧化膜的破坏，减少氧化膜裂痕，加强氧化膜对热腐蚀的抵抗。
实施例七，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，基于实施例一的基础上，其区别之处在于黄铜合金原料中Sb用量为零，具体成分如下。
实施例9A 实施例9B 实施例9C
Cu/kg 10186 11010 11958
Fe/kg 224 206 191
Sn/kg 158 171 185
Zn/kg 8521 7846 7259
Co/kg 3 4 2
Ti/kg 1.5 2 1
Mo/kg 1 2 1.5
Pb/kg 579 532 473
Mn/kg 15 13 14
Ni/kg 53 61 65
V/kg 10 9 11
Al/kg 13 15 16
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/kg 12 11 10
实施例八，
一种火盖，基于实施例二的基础上，其区别之处在于由实施例七所得的黄铜合金制得，获得与实施例7A-7C对应的实施例8A-8C。
对实施例7A-7C所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例8A-8C的火盖进行耐高温热腐蚀测试。
机械性能检测标
实施例7A 实施例7B 实施例7C
磨损率/％ 0.52 0.31 0.44
拉伸强度/MPa 623 664 610
压缩屈服强度/MPa 573 608 597
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000081
对比实施例一、实施例二、实施例七和实施例八可知，黄铜合金中添加Sb，提高黄铜合金的强度，同时提高黄铜合金的耐磨性，进而延长黄铜合金制品的使用寿命。
实施例九，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，基于实施例一的基础上，其区别之处在于黄铜合金原料中Ni用量为零，具体成分如下。
实施例9A 实施例9B 实施例9C
Cu/kg 10186 11010 11958
Fe/kg 224 206 191
Sn/kg 158 171 185
Zn/kg 8521 7846 7259
Co/kg 3 4 2
Ti/kg 1.5 2 1
Mo/kg 1 2 1.5
Pb/kg 579 532 473
Mn/kg 15 13 14
V/kg 10 9 11
Al/kg 13 15 16
Sb/kg 20 18 16
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/kg 12 11 10
实施例十，
一种火盖，基于实施例二的基础上，其区别之处在于由实施例九所得的黄铜合金制得，获得与实施例9A-9C对应的实施例10A-10C。
对实施例9A-9C所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例10A-10C的火盖进行耐高温热腐蚀测试。
机械性能检测表
实施例9A 实施例9B 实施例9C
磨损率/％ 0.49 0.25 0.39
拉伸强度/MPa 647 673 621
压缩屈服强度/MPa 587 618 612
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000091
对比实施例一、实施例二、实施例九和实施例十可知，黄铜合金中加入Ni，提高黄铜合金的耐磨性，同时增强黄铜合金的高温热腐蚀性。
实施例十一，
一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，基于实施例一的基础上，其区别之处在于黄铜合金原料中Pb用量为零，具体成分如下。
实施例11A 实施例11B 实施例11C
Cu/kg 10186 11010 11958
Fe/kg 224 206 191
Sn/kg 158 171 185
Zn/kg 8521 7846 7259
Co/kg 3 4 2
Ti/kg 1.5 2 1
Mo/kg 1 2 1.5
Mn/kg 15 13 14
Ni/kg 53 61 65
V/kg 10 9 11
Al/kg 13 15 16
Sb/kg 20 18 16
Cr<sub>3</sub>C<sub>2</sub>/kg 12 11 10
实施例十二，
一种火盖，基于实施例二的基础上，其区别之处在于由实施例五所得的黄铜合金制得，获得与实施例11A-11C对应的实施例12A-12C。
对实施例11A-11C所得的黄铜合金进行机械性能的检测，并对实施例8A-8C的火盖进行耐高温热腐蚀测试。
机械性能检测表
实施例11A 实施例11B 实施例11C
磨损率/％ 0.52 0.28 0.43
拉伸强度/MPa 667 679 621
压缩屈服强度/MPa 597 624 617
耐高温热腐蚀测试表
Figure BDA0001917482220000101
对比实施例一、实施例二、实施例十和实施例十二可知，黄铜合金内添加Pb，提高黄铜合金常温下的抗氧化性和抗腐蚀性，提高黄铜合金的强度，同时提高黄铜合金的耐磨性，进而延长黄铜合金制品的使用寿命。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金由以下质量份数成分的原料制成：Cu：10186-11958份，Fe：191-224份，Sn：158-185份，Zn：7259-8521份，Mo：1-2份，Mn：12-15份，V：9-11份，Cr3C2：10-12份，Co：2-4份，Al：13-16份，Ti：1-2份，Pb：473-579份，Ni：53-65份，Sb：16-20份。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温热腐蚀的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金成分包括如下：Cu：55.0487wt%，Fe：1.0312wt%，Sn：0.8562wt%，Zn：39.231wt%，Co：0.0184wt%，Ti：0.0093wt%，Pb：2.6608wt%，Mn：0.0645wt%，Ni：0.3039wt%，V：0.0461wt%，Al：0.0736wt%，Sb：0.092wt%，Cr3C2：0.0552wt%，剩余成分为生产过程带入的其他元素物质。
3.一种火盖，其特征在于，由权利要求1-2任意一项所述的耐高温热腐蚀的黄铜合金制成。
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