CN114015923B - 一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料，该材料中各元素的质量百分比为：Re：0.01%~5%，Cu：35%~65%，Zn：5%~35%，Ni：18%~28%，Sn：1%~7%，Fe：0.01%~10%，Ag：0.01%~1%。本发明还提供了上述的一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备方法，本发明的方法由熔炼、净化、细晶三个主要步骤组成。本发明通过稀土元素的添加及电磁/物理搅拌技术的应用，制备了组织致密、成分均匀、晶粒细化的等轴晶组织，最终获得阻垢性能长效稳定的掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料。

Description

一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料及其制备方法
技术领域
本发明属于化工领域，涉及一种复合金属材料及其制备方法，具体来说是一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料及其制备方法。
背景技术
在生产生活的各个领域中，结垢、管路堵塞、除垢等问题广泛存在于有流体通过的管路中。严重的管垢问题是导致管路效能下降、运维成本增加的主要原因，甚至导致管路失效、爆炸等危害。目前用来阻垢、防垢的物理或化学方法或多或少具有污染流体、腐蚀管路及对安装环境要求高的缺点。
以管道化学水垢处理方法为例，防止水垢形成的主要措施是向管道中添加可以改变水体酸碱度的试剂，从而改变水垢形成主体—矿物离子的沉淀析出环境，最终达到防止矿物质水垢析出的目的。但是这种方法最主要的缺点是改变了水体原本的成分，且无法避免添加剂对管道本体的腐蚀，具有很强的使用局限性。同时，化学试剂的使用带来了更多的环境问题，不具备环境亲和性。因此，开发一种具备广泛适用、无环境污染、且能够避免管路腐蚀等特点的阻垢材料仍然是亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料及其制备方法，所述的这种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料及其制备方法要解决现有技术中处理管道水垢的方法会改变水体的成分，同时容易带来二次污染的技术问题。
本发明提供了一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料，该材料中各元素的质量百分比如下：
Re：0.01％～5％，
Cu：35％～65％，
Zn：5％～35％，
Ni：18％～28％，
Sn：1％～7％，
Fe：0.01％～10％，
Ag：0.01％～1％。
本发明还提供了上述的一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备方法，包括如下步骤：
1)根据阻垢材料中各元素的质量百分比计算并称取所需原始合金或单质金属、稀土元素的重量；
2)将步骤1)称取的原始合金或单质金属、稀土元素放置入真空感应炉的冷坩埚中，采用真空感应加热的方式将各组分原料熔化，从而制备铜基复合阻垢材料；
3)打开熔炼电源开始进行熔炼，熔炼温度设置为1200～1350℃，在熔炼过程中采用电磁
/物理搅拌的方式使熔融金属液中各组分均匀分布；
4)在熔炼过程中，掺杂的稀土元素与熔融态各组分中的杂质反应，达到净化的效果；
5)通过观察窗确定各组分充分熔化后关闭熔炼电源，熔炼结束冷却过程中保持电磁/物理搅拌不间断，使得凝固过程晶粒细化，直至最终冷却凝固，获得掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料。
进一步的，步骤1)中各组分的原料为一种或多种组分元素合金或组分金属单质。
本发明提供了一种高效、长寿命、应用面广、无污染的阻垢复合材料及其制备方法。本发明在熔炼过程中，将特定含量的稀土粉末加入熔融铜合金液中，采用电磁/物理搅拌的方式使得金属液均匀化，冷却后形成稀土掺杂的铜基复合材料。本发明所述各组分经熔炼—凝固结晶后形成一种具有均匀尺寸晶粒度的复合材料。放置在管路中的该复合材料在流体中由于原电池效应，材料中具有较强金属活动顺序的组分会优先形成阳离子，与流体中阴离子结合，从而减缓了流体自身阳离子的析出成垢过程及管路本体材质的腐蚀过程。各组分中Re稀土元素由于具有较高的活性，因此可以在熔炼制备过程中优先与各组分中的杂质元素反应，提升材料的纯净度。同时，施加的电磁/机械搅拌与稀土元素共同作用，细化复合材料的晶粒尺寸，最终形成高纯细晶复合材料，增强复合材料各项力学性能，达到增长服役寿命的目的；Ag元素具有较强的催化作用，可以促进复合材料中阳离子的形成与释放，提升阻垢效率。
进一步地，上述搅拌装置优选为电磁搅拌装置、机械搅拌装置二者中的任意一种或任意组成的混合搅拌装置。
本发明和现有技术相比，其技术进步是显著的：
1.本发明提供的铜基稀土复合材料在制备过程中采用真空感应炉冷坩埚熔炼方式进行熔炼，避免了同类产品在制备过程中所受到的氧化作用及覆盖剂、脱氧剂等添加剂的污染，避免了外来夹杂物及杂质；同时稀土Re元素的添加进一步去除了原料中的原生夹杂物及杂质。因此与同类产品相比具有更高的纯净度(总氧含量＜5ppm)。
2.本发明中复合材料在制备过程中稀土元素与杂质形成的第二相颗粒，一部分在凝固过程中上浮，在冷却后被去除；一部分留存于基体中，在熔融金属液冷却凝固过程中作为形核剂，促进液相形核。同时，施加的电磁/机械搅拌与稀土第二相颗粒共同作用，最终形成组织致密、成分均匀、晶粒细化的等轴晶组织，其晶粒尺寸＜20μm。
3.本发明中的复合材料由于受到稀土净化作用和电磁/机械搅拌的细晶作用，因此具有较高的纯净度及致密细化的晶体结构，最终在管线中服役过程中，阳离子释放稳定、均匀，阻垢效率长效稳定。
4.综上，本发明中的复合材料及其制备方法可以长效、环保地解决各类管路结垢问题，降低企业运维成本，节约居民生活费用。
5.本发明通过稀土元素的添加及电磁/物理搅拌技术的应用，制备了组织致密、成分均匀、晶粒细化的等轴晶组织，最终获得阻垢性能长效稳定的铜基稀土复合材料。
附图说明
图1为制备本发明掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
本发明掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料实施例中各元素的质量百分比为：
Re：1％，
Cu：45％，
Zn：18％，
Ni：26％，
Sn：6％，
Fe：3.95％，
Ag：0.05％。
本发明掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备步骤如下：
1.根据上述元素的质量百分比计算所需各组分原料质量；
2.将各组分原料放置入真空感应炉的冷坩埚中，抽真空后开启电源，设置熔炼温度为1280℃，利用感应加热的方式将各组分原料熔化；
3.设置熔炼时间为30分钟，待各组分熔化完全，形成金属液后，开启电磁/物理搅拌装置，施加搅拌使熔融金属液中各组分均匀分布，避免由于比重差带来的偏聚、偏析；
4.熔炼过程中，维持熔体温度1280℃以保证原料中的稀土元素与其他组分中的杂质元素反应充分，从而净化熔体，去除杂质；
5.熔炼结束后，冷却过程中保持电磁/物理搅拌不间断，直至最终冷却凝固。最终获得具有高纯净度、晶粒尺寸细化的等轴晶铜基稀土复合材料。
本实施例制备的复合材料具有优异的等轴晶体结构(晶粒尺寸＜20μm)与高纯净度(总氧含量＜5ppm)，可以实现长寿命、高效能的阻垢工作，因此大幅度降低企业管路运维成本，适合于不间断连续的工业生产等，具有显著的应用前景。
参见图1为实现上述铜基稀土复合材料制备的装置，包括真空感应熔炼炉1、冷坩埚2、机械搅拌及热电偶装置3、熔炼电源控制装置4、电磁搅拌装置5、电磁搅拌控制装置6、观察窗7、水冷装置8。
具体的，在所述的真空感应熔炼炉1中设置有一个冷坩埚2和熔炼电源控制装置4，所述的冷坩埚2的内腔中设置有一个机械搅拌及热电偶装置3，所述的机械搅拌及热电偶装置3和所述的熔炼电源控制装置4连接，所述的冷坩埚2的下端设置有水冷装置8，所述的真空感应熔炼炉1壳体上还设置有一个观察窗7，所述的冷坩埚2的外侧设置有电磁搅拌装置5，电磁搅拌装置5还和一个电磁搅拌控制装置6连接。
在本实施例中，搅拌装置电磁搅拌装置、机械搅拌装置二者中的任意一种或任意组成的混合搅拌装置。
本实施例利用稀土元素在金属熔炼过程中的净化作用及稀土氧化物的形核增殖作用，通过真空感应熔炼炉1使得装载至冷坩埚2中的金属粉末、块体、柱状体等原料熔化成金属液，再通过稀土元素的净化作用获得洁净金属液。通过调节机械搅拌装置3及电磁搅拌控制装置6，使得金属熔体凝固形成具有等轴晶粒的复合材料。采用本实施例中制备的复合材料后，管路中污垢沉积率可降低至14mg/cm2/月、管路本体铁腐蚀速率降低至0.070mm/cm2。
实施例二：
本发明掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料实施例中各元素的质量百分比为：
Re：0.03％，
Cu：56％，
Zn：13％，
Ni：22％，
Sn：3％，
Fe：5.92％，
Ag：0.05％。
本发明掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备步骤如下：
1.根据上述元素的质量百分比计算所需各组分原料质量；
2.将各组分原料放置入真空感应炉的冷坩埚中，抽真空后开启电源，设置熔炼温度为1280℃，利用感应加热的方式将各组分原料熔化；
3.设置熔炼时间为20分钟，待各组分熔化完全，形成金属液后，开启电磁/物理搅拌装置，施加搅拌使熔融金属液中各组分均匀分布，避免由于比重差带来的偏聚、偏析；
4.熔炼过程中，维持熔体温度1280℃以保证原料中的稀土元素与其他组分中的杂质元素反应充分，从而净化熔体，去除杂质；
5.熔炼结束后，冷却过程中保持电磁/物理搅拌不间断，直至最终冷却凝固。最终获得具有高纯净度、晶粒尺寸细化的等轴晶铜基稀土复合材料。
本实施例制备的复合材料具有优异的等轴晶体结构(晶粒尺寸＜15μm)与高纯净度(总氧含量＜4ppm)，可以实现长寿命、高效能的阻垢工作，因此大幅度降低企业管路运维成本，适合于不间断连续的工业生产等，具有显著的应用前景。
参见图1为实现上述铜基稀土复合材料制备的装置，包括真空感应熔炼炉1、冷坩埚2、机械搅拌及热电偶装置3、熔炼电源控制装置4、电磁搅拌装置5、电磁搅拌控制装置6、观察窗7、水冷装置8。
在本实施例中，搅拌装置电磁搅拌装置、机械搅拌装置二者中的任意一种或任意组成的混合搅拌装置。
本实施例利用稀土元素在金属熔炼过程中的净化作用及稀土氧化物的形核增殖作用，通过真空感应熔炼炉1使得装载至冷坩埚2中的金属粉末、块体、柱状体等原料熔化成金属液，再通过稀土元素的净化作用获得洁净金属液。通过调节机械搅拌装置3及电磁搅拌控制装置6，使得金属熔体凝固形成具有等轴晶粒的复合材料。采用本实施例中制备的复合材料后，管路中污垢沉积率可降低至10mg/cm2/月、管路本体铜腐蚀速率降低至0.005mm/cm2。

Claims (2)

1.一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料，其特征在于，该材料中各元素的质量百分比如下：
Re：1%，
Cu：45%，
Zn：18%，
Ni：26%，
Sn：6%，
Fe：3.95%，
Ag：0.05%；
上述的一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备方法包括如下步骤：
1）根据阻垢材料中各元素的质量百分比计算并称取所需各组份原料的重量；
2）将步骤1）称取的各组份原料放置入真空感应炉的冷坩埚中，采用真空感应加热的方式将各组分原料熔化，从而制备铜基复合阻垢材料；
3）打开熔炼电源开始进行熔炼，熔炼温度设置为1200~1350℃，在熔炼过程中采用电磁/机械搅拌的方式使熔融金属液中各组分均匀分布；
4）在熔炼过程中，掺杂的稀土元素与熔融态各组分中的杂质反应，达到净化的效果；
5）通过观察窗确定各组分充分熔化后关闭熔炼电源，熔炼结束冷却过程中保持电磁/机械搅拌不间断，使得凝固过程晶粒细化，直至最终冷却凝固，获得掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂稀土元素的铜基复合阻垢材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中各组分的原料为一种或多种组分元素合金或组分金属单质。
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