CN115011841B

CN115011841B - 一种钛铜合金防爆材料的铸造方法

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Publication number: CN115011841B
Application number: CN202210941314.6A
Authority: CN
Inventors: 任俊勇; 翁雷雷; 付凯; 付景义; 季晓玲; 庞金影; 张宝生
Original assignee: Cangzhou Bohai Safety & Special Tools Group Co ltd
Current assignee: Cangzhou Bohai Safety & Special Tools Group Co ltd
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2042-08-08
Also published as: CN115011841A

Abstract

本发明公开了一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，涉及铸造技术领域。该合金防爆材料包含如下质量百分含量的组分：钛45～50%、铜25～30%、锌10～15%、镍5～10%、铍0.05%、铟0.01%、铌0.3%、硅0.01%，所述钛铜合金防爆材料的铸造方法，基于真空自耗电极电弧熔炼技术，包括准备期、引弧期、熔炼期、停弧浇筑期、铸件冷却步骤，电弧自耗电极的制备包括：步骤S101，材料的混合，按照配方比例称取高纯度的金属粉末，纯度大于99.95%，在混料机内进行混合，混料时间为2～5h；步骤S102，压制，将处理好的混合粉采用冷等静压技术进行压制，得到压制好的自耗电极。

Description

一种钛铜合金防爆材料的铸造方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，具体为一种钛铜合金防爆材料的铸造方法。

背景技术

在易燃易爆场合下，最让人担心的就是燃烧、爆炸事故的发生，为了避免这类事故的发生，或者降低这类事故发生的危害性，在这些场合下我们需要用到在碰撞时不产生电火花的防爆材料。通过在储运容器内填装网状的防爆材料，防止易燃、易爆液态、气态危险化学品的燃烧爆炸，防爆材料应用于防爆工具的生产，使用防爆工具能够避免在作业中产生电火花导致燃烧、爆炸的产生。

现有的防爆材料是用铝合金制备的，一方面，铝合金在生产过程中，容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。另一方面，现有的防爆材料的力学强度、延伸率有限，使用过程中容易产生的碎片以致堵塞油路，防爆材料耐腐蚀性能差，长期浸泡在易燃易爆物介质中，容易导致防爆合金材料腐蚀。

现有的钛铜合金一般是指以铜为基础元素加入含钛2.9%-3.5%的铜合金，是一种具有较高可靠度高性能的铜合金，特别是在合金制造的过程中，需要通过温度加热的处理，使其性能得到强化，钛铜合金具有高强度、高弹性、耐热性、抗疲劳性优异以及良好的弯曲性能。

真空自耗电弧炉（VAR）熔炼是在真空条件下，依靠电弧的热能，把已知化学成分的金属电极熔化，在水冷铜结晶器内重熔成锭。电极熔化的金属液在滴入熔池的过程中，经过电弧区被加热至高温，在真空条件下金属中的气体和杂质得到进一步去除，使金属的质量得到提高。

发明内容

一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，解决了现有防爆合金铸造缺陷、纯度不够、防爆性能差的问题。

（二）技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，所述钛铜合金防爆材料包含如下质量百分含量的组分：钛45～50%、铜25～30%、锌10～15%、镍5～10%、铍0.05%、铟0.01%、铌0.3%、硅0.01%。

进一步的，在钛铜合金中加入0.05%的铍，可吸收铸造过程中部分氢，能明显降低钛铜合金凝固过程中因析出的氢而造成的针孔，提高钛铜合金铸件的纯度、表面光洁度，同时铌与铍组合可降低合金的固相线，有效地缩小热脆弱区，提高钛铜合金防爆材料的强度和延伸率。

进一步的，在钛铜合金中添加硅和镍有一定的强化作用，但是硅和镍在合金中形成粗大的颗粒，从而影响阻隔抑爆材料的疲劳寿命，通过在钛铜合金中加入铍、铟、铌与钛铜形成微合金相，使钛铜合金中粗大的镍合金相细化乃至球化，使硅由粗片状改变为细条状和颗粒状，从而大幅提高了钛铜合金防爆材料的力学性能，增加屈服强度和抗拉强度。

进一步的，铌与钛铜合金中的铜、钛、锌镍元素形成金属间化合物，金属间化合物在高温下十分稳定，硬度高且呈网状分布于晶界，可阻碍蠕变滑移，因而起到了高温强化的作用，使得合金的强度和硬度提高，并可在燃料爆炸燃烧时，降低钛铜合金防爆材料产生的热裂，使铝镁合金防爆材料的耐高温性能得到进一步改善。

所述钛铜合金防爆材料的铸造方法，基于真空自耗电极电弧熔炼技术，包括：准备期、引弧期、熔炼期、停弧浇筑期、铸件冷却步骤，具体操作如下：

步骤S1，熔炼前准备，先清理熔炼电弧炉结晶器内壁，防止冶炼残渣影响合金质量；然后装入电弧自耗电极，在真空自耗电弧炉中将自耗电极与电极卡头连接安装，再放置引弧剂，最后密封电弧炉并抽真空，抽真空后气压为0.3～0.5Pa；

步骤S2，引弧，引弧剂为同材质钛铜合金颗粒，引弧剂和自耗电极距离20～30mm，在70～80V的开路电压下，借助自耗电极与弧剂之间瞬间接触产生弧光放电，进而达到稳定的电弧燃烧，引弧结束后，增加电流至正常熔炼电流，转入熔炼期；

步骤S3，设置熔炼时间，启动离心盘，设置熔炼工艺参数，在熔炼后期必须对铸锭顶部进行热封顶工艺操作，使熔池缓慢变浅逐渐冷却凝固，防止出现金属缩孔；

步骤S4，停弧浇筑，快速提升电极，翻转坩埚进行浇筑，得到钛铜合金材料；

步骤S5，铸件随坩埚炉冷却，最后出炉得到钛铜合金锭，所述坩埚采用水套式进行冷却，冷却水温差通常控制在10～30℃，出水温度控制在60℃以下。

优选的，所述电弧自耗电极的制备包括以下步骤：

步骤S101，材料的混合，按照配方比例称取高纯度的金属粉末，纯度大于99.95%，在混料机内进行混合，混料时间为2～5h；

步骤S102，压制，将处理好的混合粉采用冷等静压技术进行压制，得到压制好的自耗电极，压制压力为150～300MPa，保压时间为3～10min；

步骤S103，真空烧结，将压制好的自耗电极装入真空烧结炉内进行烧结，首先在3min内将混合粉末的温度提高到500℃，保温3min；然后在200s内将温度提高到850℃，烧结最高温度控制在800～1080℃，保温时间30～240min，真空度为1×10-2～1×10-4Pa，最后撤去压力并自然冷却至室温，得到电弧自耗电极。

优选的，所述熔炼电弧炉的最大熔炼电流为20000A，自耗电极直径为220mm时，熔炼工艺参数包括，引弧电压为40～80V，引弧电流为3000～4500A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为17000～19000A，凝壳重量在熔炼重量占比为11～13%。

优选的，所述自耗电极直径为160mm时，熔炼工艺参数为：引弧电压为40～80V，引弧电流为2400～3000A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为10000～12000A。

优选的，所述热封顶工艺是一个分阶段减小电流并保持的过程，通过电极杆行程或平均熔速法计算确定预留电极量，通过确定剩余电极重量测量判断热封顶开始时间，在熔炼过程中，当钛锭重量达到热封顶初始之后，自动进入热封顶阶段，按照电流斜率均匀的减少熔化电流。

优选的，所述坩埚炉的冷却方式分为水套式、淋水式和钠钾合金冷却式。

优选的，所述钛铜合金熔炼时间为3～5h，反复熔炼3次，得到合金锭打磨去氧化皮后敲碎成颗粒，并研磨成粉，得到合金粉末，根据使用用途通过锻造、金属切割及焊接制备成防爆工具，可用于制作防爆工具，防爆电气、防爆容器、防爆设备，应用于石油、石化、电力、电子、铁路、矿山、采气领域。

（三）有益效果

本发明提供了一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，具备以下有益效果：

该钛铜合金防爆材料的铸造方法，通过完善合金材料的配比比例和铸造方法能够提高防爆合金纯度，通过在配方中加入铍、铟、铌、硅元素能够显著提高防爆材料的防爆性能、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温、抗热裂，本发明采用钛铜合金作为防爆材料的主要材料，并在钛铜合金中添加锌、镍、铟、铌、硅、铍元素，有效地提高防爆材料的耐腐蚀性能、屈服强度和抗拉强度，本发明的防爆材料的屈服强度大于140MPa，抗拉强度可以达到300MPa以上，延伸率可以达到3～12％，使钛铜合金防爆材料在使用时耐腐蚀性能、防爆性能更好，解决了现有防爆合金铸造纯度不够、防爆性能差、不耐磨耐腐蚀、强度低的情况。

具体实施方式

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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明提供一种技术方案：一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，所述钛铜合金防爆材料包含如下质量百分含量的组分：钛45%、铜30%、锌15%、镍10%、铍0.05%、铟0.01%、铌0.3%、硅0.01%。

步骤S1，熔炼前准备，先清理电弧炉结晶器内壁，防止冶炼残渣影响合金质量；然后装入电弧自耗电极，在真空自耗电弧炉中将自耗电极与电极卡头连接安装，再放置引弧剂，最后密封电弧炉并抽真空，抽真空后气压为0.3～0.5Pa；

进一步的，所述钛铜合金熔炼时间为3～5h，反复熔炼3次，得到合金锭打磨去氧化皮后敲碎成颗粒，并研磨成粉，得到合金粉末，根据使用用途通过锻造、金属切割及焊接制备成防爆工具，可用于制作防爆工具，防爆电气、防爆容器、防爆设备，广泛应用于石油、石化、电力、电子、铁路、矿山、采气领域。

进一步的，所述电弧自耗电极的制备包括以下步骤：

步骤S103，真空烧结，将压制好的自耗电极装入真空烧结炉内进行烧结，首先在3min内将混合粉末的温度提高到500℃，保温3min；然后在200s内将温度提高到850℃，烧结最高温度控制在800～1080℃，保温时间30～240min，真空度为1×10^-2～1×10^-4Pa，最后撤去压力并自然冷却至室温，得到电弧自耗电极。

进一步的，所述熔炼电弧炉的最大熔炼电流为20000A，电极直径为220mm时，熔炼工艺参数包括，引弧电压为40～80V，引弧电流为3000～4500A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为17000～19000A，凝壳重量在熔炼重量占比为11～13%。

进一步的，所述电极直径为160mm时，熔炼工艺参数为：引弧电压为40～80V，引弧电流为2400～3000A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为10000～12000A。

进一步的，所述抽真空用于避免金属与氧气接触发生氧化反应，抽真空操作可替换为填充氩气、氦气用于改变烧结炉中压强，同时避免金属与氧气发生氧化反应。

进一步的，所述热封顶工艺是一个分阶段减小电流并保持的过程，通过电极杆行程或平均熔速法计算确定预留电极量，通过确定剩余电极重量测量判断热封顶开始时间，在熔炼过程中，当钛锭重量达到热封顶初始之后，自动进入热封顶阶段，按照电流斜率均匀的减少熔化电流。

进一步的，所述坩埚炉的冷却方式分为水套式、淋水式和钠钾合金冷却式。

实施例2

本发明提供一种技术方案：一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，所述钛铜合金防爆材料包含如下质量百分含量的组分：钛50%、铜25%、锌15%、镍10%、铍0.05%、铟0.01%、铌0.3%、硅0.01%。

进一步的，所述电弧自耗电极的制备包括以下步骤：

进一步的，所述抽真空抽真空用于避免金属与氧气接触发生氧化反应，抽真空操作可替换为填充氩气、氦气用于改变烧结炉中压强，同时避免金属与氧气发生氧化反应。

实验例：

防爆性能实验：取实施例1、实施例2进行防爆性能试验，所述防爆试验参照铍铜合金工具类防爆性能试验方法，在可燃气体环境下，通过中高速冲击下和自由落锤法，检验引爆情况，实施例1、2的试验结果均满足在防爆性能试验中高速冲击400次未引爆可燃气体，自由落锤法300次未引爆可燃气体，因此本发明提供的钛铜合金防爆材料的铸造方法能铸造出防爆性能优秀的材料。

抗腐蚀性能试验：参照GB10124-88，金属材料实验室均匀浸试试验方法，对实施例1～2和对比例制备合金防爆材料进行耐酸碱腐蚀性能试验，其结果如表1所示，所述对比例选择市面上常见的合金防爆材料。

力学性能测试：

将实施例1、2样品于50-5000N电子万能试验机上进行力学性能测试，所述对比例选择市面上常见的合金防爆材料，其实验结果如表2所示：

项目	实施例1	实施例2	对比例
				拉伸强度MPa	242.6	252.2	221.5
屈服强度MPa	248.7	238.8	218
				断裂总延伸率%	1	1	3

由上述实验例可知：本发明提供的钛铜合金防爆材料具有优良的防爆性能、力学性能和抗腐蚀性能。

发明原理：本发明通过在防爆材料中添加锌、铍、铟、铌、硅元素改变了钛铜合金的性质，增加了合金材料的防爆性能、屈服强度，其中铍的熔点达 1285℃，具有非常强的热中子散射能力，且当温度发生数百度的变化时，铍部件仍能保持原来的尺寸，在合金中添加铍增加了钛铜合金的屈服强度，同时添加铍能够提高铸件的纯度、表面光洁度、塑性和成品率，其中铟元素软、可塑性高，用于合金中能提高合金的耐腐蚀、耐磨性能；其中铌用于合金中能提高合金强度，屈服强度增加100MPa左右，延伸率降低3%左右；在钛铜合金中加入0.05%的铍，可吸收铸造过程中部分氢，能明显降低钛铜合金凝固过程中因析出的氢而造成的针孔，提高钛铜合金铸件的纯度、表面光洁度，同时铌与铍组合可降低合金的固相线，有效地缩小热脆弱区，提高钛铜合金防爆材料的强度和延伸率；在钛铜合金中添加硅和镍有一定的强化作用，但是硅和镍在合金中形成粗大的颗粒，从而影响阻隔抑爆材料的疲劳寿命，通过在钛铜合金中加入铍、铟、铌与钛铜形成微合金相，使钛铜合金中粗大的镍合金相细化乃至球化，使硅由粗片状改变为细条状和颗粒状，从而大幅提高了钛铜合金防爆材料的力学性能，增加屈服强度和抗拉强度；铌与钛铜合金中的铜、钛、锌镍元素形成金属间化合物，金属间化合物在高温下十分稳定，硬度高且呈网状分布于晶界，可阻碍蠕变滑移，因而起到了高温强化的作用，使得合金的强度和硬度提高，并可在燃料爆炸燃烧时，降低钛铜合金防爆材料产生的热裂，使铝镁合金防爆材料的耐高温性能得到进一步改善。

综上所述，该钛铜合金防爆材料的铸造方法，通过配比比例和自耗电极电弧熔炼技术，解决了现有防爆合金铸造缺陷、纯度不够、防爆性能差的问题。该钛铜合金材料是一种具有高强度机械性能和铸造性能优良的新型防爆钛铜合金材料。用该合金制作的结构件、受力件、耐磨件在易燃易爆环境中推广使用，能大大降低火灾事故隐患，将有广阔的前景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，能理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下能对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，其特征在于：所述钛铜合金防爆材料包含如下质量百分含量的组分：钛45～50%、铜25～30%、锌10～15%、镍5～10%、铍0.05%、铟0.01%、铌0.3%、硅0.01%，所述钛铜合金防爆材料的铸造方法，基于真空自耗电极电弧熔炼技术，包括：准备期、引弧期、熔炼期、停弧浇筑期、铸件冷却步骤，具体操作如下：

步骤S1，熔炼前准备，先清理熔炼电弧炉结晶器内壁，防止冶炼残渣影响合金质量；然后装入电弧自耗电极，在真空自耗电弧炉中将自耗电极与电极卡头连接安装，再放置引弧剂，最后密封电弧炉并抽真空，抽真空后气压为0.3～0.5Pa，所述电弧自耗电极的制备包括以下步骤：步骤S101，材料的混合，按照配方比例称取高纯度的金属粉末，纯度大于99.95%，在混料机内进行混合，混料时间为2～5h；步骤S102，压制，将处理好的混合粉采用冷等静压技术进行压制，得到压制好的自耗电极，压制压力为150～300MPa，保压时间为3～10min；步骤S103，真空烧结，将压制好的自耗电极装入真空烧结炉内进行烧结，首先在3min内将混合粉末的温度提高到500℃，保温3min；然后在200s内将温度提高到850℃，烧结最高温度控制在800～1080℃，保温时间30～240min，真空度为1×10^-2～1×10^-4Pa，最后撤去压力并自然冷却至室温，得到电弧自耗电极；

步骤S3，设置熔炼时间，启动离心盘，设置熔炼工艺参数，在熔炼后期必须对铸锭顶部进行热封顶工艺操作，使熔池缓慢变浅逐渐冷却凝固，防止出现金属缩孔，所述熔炼电弧炉的最大熔炼电流为20000A，自耗电极直径为220mm时，熔炼工艺参数为：引弧电压为40～80V，引弧电流为3000～4500A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为17000～19000A，凝壳重量在熔炼重量占比为11～13%，所述自耗电极直径为160mm时，熔炼工艺参数为：引弧电压为40～80V，引弧电流为2400～3000A，正常熔炼电压为38～42V，正常熔炼电流为10000～12000A；

2.根据权利要求1所述的一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，其特征在于：所述抽真空抽真空用于避免金属与氧气接触发生氧化反应，抽真空操作可替换为填充氩气、氦气用于改变烧结炉中压强，同时避免金属与氧气发生氧化反应。

3.根据权利要求1所述的一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，其特征在于：所述热封顶工艺是一个分阶段减小电流并保持的过程，通过电极杆行程或平均熔速法计算确定预留电极量，通过确定剩余电极重量测量判断热封顶开始时间，在熔炼过程中，当钛锭重量达到热封顶初始之后，自动进入热封顶阶段，按照电流斜率均匀的减少熔化电流。

4.根据权利要求1所述的一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，其特征在于：所述坩埚炉的冷却方式分为水套式、淋水式和钠钾合金冷却式。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种钛铜合金防爆材料的铸造方法，其特征在于：所述钛铜合金熔炼时间为3～5h，反复熔炼3次，得到合金锭打磨去氧化皮后敲碎成颗粒，并研磨成粉，得到合金粉末，根据使用用途通过锻造、金属切割及焊接制备成防爆工具，可用于制作防爆工具，防爆电气、防爆容器、防爆设备，应用于石油、石化、电力、电子、铁路、矿山、采气领域。