CN109913692B - 一种高耐疲劳性能铸态镍铝青铜合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高耐疲劳性能铸态镍铝青铜的制备方法；所述方法包括如下步骤：将纯铜板、铜铝合金、镍板、铁粉和锰粉在1100～1350℃真空熔炼30～60分钟，在930℃～1200℃以10²～10³℃s^‑1的速度快速冷却，800℃～930℃以1～10²℃s^‑1的速度缓慢冷却，然后在800℃对试样进行保温处理，保温时间为1‑3h，之后随炉冷却。与现有技术相比，本发明在镍铝青铜合金高温段快速冷却，避免了粗大第二相的形成，在低温段慢速冷却，可以减少马氏体相和层片状κ_Ⅲ相的形成，同时提高了细小κ_Ⅳ相的含量，最终制备铸态镍铝青铜合金的组织为：较多球状κ_Ⅱ相、细小κ_Ⅳ相、较多α相和较少β'相，基于目前对镍铝青铜合金的研究，本发明生成的合金组织具有较好的耐疲劳性能。

Description

一种高耐疲劳性能铸态镍铝青铜合金的制备方法

技术领域

本发明属于海洋装备领域的材料加工方法，具体涉及到一种高耐疲劳性能镍铝青铜合金的制备方法。

背景技术

镍铝青铜是由铝青铜发展起来的一种合金，稳态二元合金铝青铜中含有γ”相，对铝青铜的机械和耐腐蚀性能产生不利影响，在铝青铜中加入镍、铁以及锰元素不但可以抑制γ”相的形成，而且可以细化晶粒，因其具有较高的强度、较好的断裂韧性以及耐腐蚀性能，是海洋装备螺旋桨桨叶、泵以及阀等部件的主要材料，提高其在复杂海洋工况下的腐蚀疲劳性能是制造高服役性能海洋装备的核心之一。

目前，在实际生产中使用的镍铝青铜一般为铸态，典型的铸态镍铝青铜的组织由粗大的α晶粒、多种κ相(κ_Ⅰ、κ_Ⅱ、κ_Ⅲ、κ_Ⅳ)以及马氏体β′相组成，而且在铸造的过程中容易形成成分不均匀和孔洞等缺陷，粗大的显微组织和铸造过程中形成的缺陷降低了镍铝青铜的机械性能，复杂的显微组织容易使各个相之间发生电化学腐蚀，降低了材料的耐腐蚀性能。许多文献^[1-3]已经报道了铸态镍铝青铜的腐蚀行为，研究表明铸态镍铝青铜具有腐蚀的PH依赖性，而且很容易受到选相腐蚀，一般来说，在PH小于3.5的弱酸性环境中，镍铝青铜的腐蚀起始位置为κ相，而在PH大于3.5或者在弱碱性环境中，镍铝青铜容易发生选相腐蚀，一般来说α+κ_Ⅲ共析相中的α相首先发生腐蚀。另外，工业生产中一般采用非真空熔炼，在熔炼和浇铸的过程中容易引入杂质，对材料的机械和腐蚀性能产生不利影响。

为了提高镍铝青铜的机械和耐腐蚀性能，国内外专家学者对镍铝青铜合金进行了诸多研究。镇江金叶螺旋桨有限公司和江苏大学分别申请了“锆微合金化、锆和锶以及钪、锆和锶复合微合金化的镍铝青铜及其制备方法”专利(专利号分别为：CN201210418967.2、CN201210417110.9和CN201210417859.3)，这些方法可以细化铸态组织的晶粒，提高镍铝青铜的机械和耐腐蚀性能。文献“VYT,DING Y,HAN Y,et al.Effect ofMicrostructures onFatigue Crack Growth Behavior of Friction Stir Processed NiAl Bronze Alloy[J].Metallurgical&Materials Transactions A,2017,48:1-12.”对镍铝青铜合金的研究发现β马氏体相的产生加速了合金的疲劳。文献“XU XY,LVYT,HU M,et al.InfluenceofSecond Phases on Fatigue Crack Growth Behavior of Nickel Aluminum Bronze[J].International Journal ofFatigue,2016,82:579-587.”确定了镍铝青铜合金第二相在疲劳裂纹扩展中的作用，并从控制第二相类型的角度为提高疲劳裂纹抗力提供了合适的热处理方法。文献“HU M,WANG L,XU X,et al.Influences of heat treatment onfatigue crack growth behavior of NiAl bronze(NAB)alloy[J].Journal ofMaterials Research,2015,30(20):3041-3048.”采用直流电势下降法对镍铝青铜合金在920℃淬火后不同回火温度下的疲劳裂纹扩展试验进行了研究。文献“DINGY,LVYT,CHEN K,et al.Effects ofmicrostructure on the stress corrosion cracking behavior ofnickel-aluminum bronze alloy in 3.5％NaCl solution[J].Materials Science andEngineering:A,2018,733(22):361-373.”、“DING Y,LV Y T,ZHAO B J,et al.Responserelationship between loading condition and corrosion fatigue behavior ofnickel-aluminum bronze alloy and its crack tip damage mechanism[J].MaterialsCharacterization,2018,144:356-367.”研究了镍铝青铜合金在3.5％NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率，发现了加载频率对镍铝青铜合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率有较大的影响。上述研究结果表明，镍铝青铜合金复杂的显微组织，包括κ相(κ_Ⅰ、κ_Ⅱ、κ_Ⅲ、κ_Ⅳ)、α相以及马氏体β′相，各个相对合金疲劳性能产生不同的影响，各相对合金耐疲劳性能优劣顺序为κ_Ⅱ>κ_Ⅳ>α>κ_Ⅲ>β′，因此减少镍铝青铜合金的κ_Ⅲ和β′，同时增加κ_Ⅱ、κ_Ⅳ和α相可以改善镍铝青铜合金的耐疲劳性能。

发明内容

本发明基于现有研究的结果，提出了一种提高铸态镍铝青铜合金耐疲劳性能的制备方法，从而改善铸态镍铝青铜合金的耐疲劳性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种铸态镍铝青铜合金高耐疲劳性能的制备方法，首先是镍铝青铜的熔炼，通过能控制冷却速率的真空感应炉对镍铝青铜进行熔炼，然后采用高温快冷，低温慢冷的冷却方法冷却熔炼的镍铝青铜合金。

具体包括以下步骤：

①真空熔炼：准备纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉，清洗材料的表面，将所有材料按照一定的比例放入真空感应熔炼炉内，然后进行真空熔炼。

②将冷却时对铸件进行高温快冷、低温慢冷。

具体实施方式

更进一步地，上述一种镍铝青铜制备工艺方法，步骤①所述的镍铝青铜成分为Al9.5％Ni4.2％Fe4.0％Mn1.2％余量Cu，放入材料时将铜铝合金放在最上面。在1250℃熔炼，保温40分钟，而且不断的搅拌。

步骤②冷却时，将铸件在930℃～1200℃以10²～10³℃s^-1的速度快速冷却，在800℃～930℃以1～10²℃s^-1的速度缓慢冷却，然后在800℃对试样进行保温处理，保温时间为3h，最后让铸件随炉冷却。

在铸造冷却过程中高温快冷，低温慢冷能减少马氏体含量和抑制花形第二相的形成，使镍铝青铜合金的机械和耐腐蚀性能明显提高。

以上对本发明的实施方式进行了详细说明，但对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等变换或者替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种镍铝青铜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤①，所述的镍铝青铜成分为Al9.5％Ni4.2％Fe4.0％Mn1.2％余量Cu，放入材料时将铜铝合金放在最上面； 在1250℃熔炼，保温40分钟，而且不断的搅拌； 步骤②，冷却时，将铸件在930℃～1200℃以10²～10³℃s^-1的速度快速冷却，在 800℃～930℃以1～10²℃s^-1的速度缓慢冷却，然后在800℃对试样进行保温处理，保温时间为3h，最后让铸件随炉冷却。