CN111455211A

CN111455211A - 一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111455211A
Application number: CN202010416250.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡兴浩
Original assignee: Anhui Kaisiwei Precision Technology Co ltd
Current assignee: Anhui Kaisiwei Precision Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-17
Filing date: 2020-05-17
Publication date: 2020-07-28

Abstract

本发明公开了一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料及其制备方法和应用，一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料，它包括：75wt％‑80wt％的Cu，9wt％‑10wt％的Al，4wt％‑5wt％的Ni，3wt％‑4wt％的Fe，0.5wt％‑1.2wt％的Mn，≤2wt％的Zn，≤1wt％的稀土。本发明的有益效果是通过增加材料的韧性和致密度以增加耐磨性，同时满足产品在常温和冰区(‑89℃)的条件下使用。这里所述的韧性和致密度增加主要是通过喂丝法除气和合金调整获得的。

Description

一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及海洋装备领域的材料制备方法，尤其涉及一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

现阶段我国用于海洋工业泵类流体设备和船舶工业的流体设备材料基本上分为铸铁、铸钢、铸铜三种基本材料。在早期基本上采用铸铁和铸钢材料，但因其耐腐蚀性差，需要频繁的维修，形成极大的浪费，故在作业实践的过程中逐步被淘汰而被不锈钢和铜材料所替代。叶轮及螺旋桨基本采用铸造铝青铜，常见的牌号为ZCuAl9Fe4Ni4Mn2镍铝青铜，其成分和性能如下：主要成分和力学性能(表1)：

其制造工艺流程如下：

加热熔化--->温度测量-->出水浇铸-->冷却拆箱-->热处理-->表面处理获得铸件-->加工及测试。

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜的强度和硬度较低，在压力≥5Mpa时容易产生渗水现象，这主要是因为其铸造组织比较疏松造成的。ZCu16Si4硅黄铜的铸造组织比较细密，但其仍然不能满足压力大于5Mpa的作业工况。

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜和ZCu16Si4硅黄铜在常温海水中的腐蚀速率分别为0.7-1.44g/m²和1.63g/m²，深度腐蚀率分别为0.03-0.07mm/a和0.24mm/a，21个月的海水浸蚀实验显示，ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜的浸蚀壁厚及耐剥蚀效果都优于ZCu16Si4硅黄铜。

ZCuAl9Fe4Ni4Mn2镍铝青铜与锡青铜和硅黄铜相比，其耐蚀性更加优异。经适当的热处理后，其性能可与双相不锈钢相媲美。即便如此，其仍有两个主要缺点，一是在被污染海水中其耐腐蚀性能下降，二是对金属相的腐蚀比较敏感。这两点在实际的应用中有时会对设备造成不可逆的永久性损伤，增加维修成本。

中国发明专利公告号CN104313365B公开了一种镍铝青铜的制备方法，包括如下步骤：将纯铜板、铜铝合金、镍板、铁板和锰粉在1200～1300℃真空熔炼30～60分钟，非真空浇铸得铸锭，去除所述铸锭表面氧化物；对去除表面氧化物的铸锭表面进行搅拌摩擦处理；在500～675℃退火2～6小时后空冷。该发明经真空熔炼非真空浇铸-搅拌摩擦加工-热处理工艺制备的镍铝青铜的综合性能得到了明显提高，与非真空制备的镍铝青铜相比，组织更加细小均匀，强度和耐腐蚀性能明显提高。这种方法对现有工艺改动较大，需要付出较多的改造成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前镍铝青铜的括耐蚀性和耐磨性差强人意，或者强度和耐腐蚀性能虽然得到提高却需要对现有工艺做出较大改动经济成本负担较重，为此提供一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料及其制备方法和应用。

腐蚀的发生机理分为几个方面，一是自然氧化腐蚀，二是电偶腐蚀、焊接腐蚀等(这一类腐蚀主要是因为两种电位相差较大的金属连接时产生的)，三是材料本身的原因引起的腐蚀(晶间腐蚀、应力腐蚀等)，这一类腐蚀主要是因为制造工艺和产品成分所决定的。

根据上述腐蚀发生机理，我们主要从第三类材料引起的腐蚀着手进行创造发明，同时兼顾铸造和加工性能。

耐磨性：

磨损发生的机理分为几个方面，一是机械摩擦或碰撞造成的磨损，二是空泡腐蚀和冲刷腐蚀造成的磨损(爆裂冲击)。

铸造性：

衡量铸造性的好坏主要包括几个方面，一是流动性，二是收缩率，三是基体组织的致密度和形态。

材料使金属在凝固时确保由(α+K/β)相组成：

通过控制冷却速度阻止(α+γ2)的组织转变。

通过合金成分的调整，添加适量的Mn合金以推迟β相的共析转变，添加适量的Ni合金使α/(α+β)相向Al侧移动，避免β相存在，从而在α相内形成细小弥散的K相。

通过特殊的喂丝法除气并降低氧化铝生成和分散，减少疏松增加致密度，降低铸造难度，降低缺陷率。喂丝法所采用的丝是由含稀土的硅合金和锌铝金属组合而成。

本发明的关键点在于合金成分的调整，严格控制Mn合金、Ni合金和稀土合金的添加量；喂丝法除气。

本发明的技术方案是：一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料，它包括：75wt％-80wt％的Cu，9wt％-10wt％的Al，4wt％-5wt％的Ni，3wt％-4wt％的Fe，0.5wt％-1.2wt％的Mn，≤2wt％的Zn，≤1wt％的稀土。

一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料的制备方法，它包括以下步骤：(1)、过热融化：用一个半密闭的感应式熔炉中进行加热使金属熔化，通过使用覆盖剂或通入惰性气体使其避免吸气，加热的温度范围为1450-1550℃；(2)、精炼除气：将钙盐类材料投入熔融的金属加以搅拌，使低熔点的杂质在钙盐类物质的作用下上浮到液面；(3)、温度测量：管制出炉温度保持在1150-1250℃之间；(4)、喂丝除气：在熔炉或浇包中通入惰性气体的同时通入含有稀土合金的线材，通过线材在液态金属中的熔化细化晶粒和除气，通气压力为0.10-0.20kpa，通气时间为5-15min，所述线材包括铝70-80wt％，锌15-20wt％，稀土1-3wt％，硅铁1-3wt％，其它余量；(5)、出水浇铸：在喂丝除气结束后将液态金属注入到专用的模型中，浇铸的温度控制在1100-1200℃；(6)、冷却拆箱；(7)、热处理；(8)、表面处理。

上述方案中所述表面处理包括抛丸强化。

一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料的应用，它用于制备海洋工业的流体设备。

本发明的有益效果是通过增加材料的韧性和致密度以增加耐磨性，同时满足产品在常温和冰区(-89℃)的条件下使用。这里所述的韧性和致密度增加主要是通过喂丝法除气和合金调整获得的。

附图说明

图1是现有技术中铜镍合金金相照片；

图2是本发明制备的铜镍合金金相照片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明所示的铜镍合金材料，其成分和性能如下：(对比原有的成分)

主要成分和力学性能(表2)：

为了验证稀土元素成分的调整对铜镍合金材料力学性能的影响，做出下列4组对比试验：

表3

从表3可以看出，随着稀土含量的增加，铜镍合金的抗拉强度和屈服强度得到提升。

为了验证铝元素成分的调整对铜镍合金材料力学性能的影响，做出下列4组对比试验：

表4

从表4可以看出，随着Al添加量的从9.66％降低到9.43％，铜镍合金的抗拉强度有所提升，屈服强度有所下降，当Al添加量降低到9.07％后，铜镍合金的抗拉强度和屈服强度反而有所提升，当Al添加量降低到8.55％后，铜镍合金的抗拉强度和屈服强度下降较多，说明9.07％是一个拐点。

加热熔化是采用一个半密闭的感应式熔炉中进行加热使金属熔化，通过使用覆盖剂(硅或碳或其化合物)或通入氮气、氩气、二氧化碳等惰性气体使其避免吸气。必要时采用“过热”工艺剥离材料的遗传性，使其分子重新组合已得到细腻的基体组织。

成分调整是通过窄范围的精确控制各金属或非金属元素(参见表2)

温度测量是管制出炉温度保持在1150-1250℃之间，以同时满足喂丝结晶和流动性需要。

喂丝除气是在熔炉或浇包中通入惰性气体的同时通入含有稀土合金的线材，通过线材在液态金属中的熔化细化晶粒和除气。通气压力和时间分别为0.10-0.20kpa和5-15分钟。线材的主要成分分配如下：铝70-80％，锌15-20％，稀土1-3％，硅铁1-3％，其它余量。

出水浇铸是在喂丝除气结束后将液态金属注入到专用的模型中，有时会在模型中设置点冷或发热材料用以控制铸件的冷却，浇铸的温度一般控制在1100-1200℃。

冷却到≤200℃即可拆箱。

热处理。

表面处理是指抛丸强化，通过精细的抛丸强化，能够进一步提高铸件表面的致密度，使其晶间腐蚀和自然氧化腐蚀减缓。

本发明是在长期的生产实践中获得的，其具有优良的耐腐蚀性能和耐磨性能，同时具备良好的铸造加工性能。

如图1所示，现有技术制备的铜镍合金材料，杂质较多，组织不均匀。如图2所示，本发明制备的铜镍合金材料，组织均匀细小。

Claims

1.一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料，其特征是：它包括：75wt％-80wt％的Cu，9wt％-10wt％的Al，4wt％-5wt％的Ni，3wt％-4wt％的Fe，0.5wt％-1.2wt％的Mn，≤2wt％的Zn，≤1wt％的稀土。

2.如权利要求1所述的一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料的制备方法，其特征是：它包括以下步骤：(1)、过热融化：用一个半密闭的感应式熔炉中进行加热使金属熔化，通过使用覆盖剂或通入惰性气体使其避免吸气，加热的温度范围为1450-1550℃；(2)、精炼除气：将钙盐类材料投入熔融的金属加以搅拌，使低熔点的杂质在钙盐类物质的作用下上浮到液面；(3)、温度测量：管制出炉温度保持在1150-1250℃之间；(4)、喂丝除气：在熔炉或浇包中通入惰性气体的同时通入含有稀土合金的线材，通过线材在液态金属中的熔化细化晶粒和除气，通气压力为0.10-0.20kpa，通气时间为5-15min，所述线材包括铝70-80wt％，锌15-20wt％，稀土1-3wt％，硅铁1-3wt％，其它余量；(5)、出水浇铸：在喂丝除气结束后将液态金属注入到专用的模型中，浇铸的温度控制在1100-1200℃；(6)、冷却拆箱；(7)、热处理；(8)、表面处理。

3.如权利要求2所述的一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料的制备方法，其特征是：所述表面处理包括抛丸强化。

4.如权利要求1所述的一种高耐蚀高耐磨的铜镍合金材料的应用，其特征是：它用于制备海洋工业的流体设备。