CN1492064A - 一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金及其制备方法，该合金的耐海水腐蚀海水冲刷腐蚀和防海生物污损性能优异，综合力学性能好(σ_b≥550MPa，σ_0.2≥280MPa，δ₅≥16％)，铸造工艺性能优良，易于形成致密的钝化膜，完全能够满足海水系统泵阀等附件对材料的要求；该合金与铁白铜B10在天然海水中构成电偶对，电偶腐蚀率为0.0092mm/a，约为常用泵阀材料与B10电偶对的电偶腐蚀率的1/10；该合金在天然海水中的自然腐蚀率为0.0064mm/a；能有效地抑制海水管系的电偶腐蚀倾向；在7m/s的天然海水冲刷下，腐蚀率低于0.042mm/a；与泵阀常用铜合金相比，该合金具有较高的屈服强度和屈强比，能承受更高的压力，在大深度潜艇及深海工程等领域也有广泛的应用前景。

Description

一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金及其制备方法

技术领域：

本发明涉及铸造铜合金技术领域，一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金及其制备方法。

现有技术：

海水系统是以海水为工作介质的系统，如海滨电厂、舰船、潜艇等的海水冷却系统，也是海上救火、油田注水和淡水厂的主要工作系统。海水泵阀是海水管系中的重要部件，也是海水系统中容易因海水腐蚀而发生问题的部件，其腐蚀破坏主要有两个原因。一是冲刷腐蚀，当海水系统的额定流速为每秒几米时，节流阀等阀体内的海水流速很高，甚至会形成紊流，使阀体遭受严重的冲击腐蚀；二是电偶腐蚀，阀体、阀座和阀杆及管道采用的材料往往不同，在海水介质中工作时，会产生较为严重的电偶腐蚀。因其工作条件苛刻，对材料的综合性能要求较高。一般说来，应具有优良的耐海水腐蚀性能、较高的强度和适当的抗冲击载荷的能力，此外还应当具有可焊性、抗海生物污损等性能。

目前我国海水泵阀主要采用ZCuSn3Zn8Pb6Ni1(3-8-6-1)锡锌铅镍青铜和ZCu16Si4(80-3)硅黄铜两种。这两种合金均具有较好的机械加工性能。ZCuSn3Zn8Pb6Ni1具有较好的流动性，收缩率小，适于制造厚薄不均匀或结构复杂的构件；ZCu16Si4也具有良好的流动性，但收缩率较大，易产生热裂，常用于制造尺寸变化较小或结构简单的零件。

ZCuSn3Zn8Pb6Ni1的铸造组织比较疏松，强度和硬度较低，在高压下容易产生渗水现象，只适用制作压力较低的铸件；ZCu16Si4的铸造组织细密，强度和硬度较高，适用制作压力不高于5MPa的铸件。ZCuSn3Zn8Pb6Ni1和ZCu16Si4在海水中均存在腐蚀现象，但前者的耐海水腐蚀性能略好于后者。两者的质量腐蚀速率分别为0.7～1.44g/m² 2d和1.63g/m² d，深度腐蚀率分别为0.03～0.07mm/a和0.24mm/a。经过21个月的海水浸蚀试验后发现，ZCuSn3Zn8Pb6Ni锡锌铅镍青铜铸件表面很薄但十分均匀的腐蚀产物膜，但ZCu16Si4铸件表面腐蚀产物膜较厚且不均匀，同时还存在有剥蚀现象。

国外大多采用铸造镍铝青铜作为海水系统中的泵、阀、叶轮材料。镍铝青铜具有优异的耐应力腐蚀开裂、耐腐蚀疲劳性能、耐侵蚀腐蚀、耐空泡腐蚀和海生物污损等性能。镍铝青铜耐海水均匀腐蚀、空泡腐蚀和腐蚀疲劳的性能与超级双相不锈钢相当；在海水中不发生点蚀；耐冲刷腐蚀性能虽然不及超级双相不锈钢，但也很不错；不发生氯化物应力腐蚀开裂，其强度与奥氏体不锈钢相当，经热处理后，其强度可与双相不锈钢媲美。镍铝青铜有两个主要缺点，一是在污染海水中的耐腐蚀性能下降，二是对选相腐蚀比较敏感。镍铝青铜与目前推广使用的B10管道材料在海水中的腐蚀电位有较大差异，电偶腐蚀效应较显著，用作海水泵阀材料也不理想。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金，并公开了其制备方法，使其与目前推广的B10海水管系材料配套使用，利用该合金材料制作海水泵阀体，以减少海上水作业系统维修次数，延长海水泵的使用寿命，降低海上水作业系统的全寿命成本，提高海上水作业系统的可靠性。

本发明是采用如下技术方案实现上述发明目的：

本发明在现有的镍铝青铜基础上，降低铝含量，增加镍含量，严格控制锰、铁含量，并加入微量的稀土、硅、铬或硼等改善性能；降低铝含量，一方面可降低熔铸过程中形成氧化铝夹杂数量，提高铸件致密度；另一方面，能降低脱铝腐蚀，提高耐蚀性；增加镍含量，可提高自然腐蚀电位，从而缩小与海水管道材料B10的腐蚀电位差，防止发生电偶腐蚀。锰是作为熔体脱氧剂加入的，也能改善合金熔体的流动性；铁可以细化晶粒，提高合金的耐海水冲刷腐蚀性能，但过量的铁、锰会降低合金的腐蚀性能，因此要严格控制铁、锰含量；加入适量的稀土、铬、钇、硅等，主要用以改善合金的流动性和铸件的致密性。

该铸造铜合金采用如下材料、组份比例：

Ni：4.0～10.0，Al：5.0～9.0，Fe：1.0～5.0，Mn：1.0～3.0，Re/Cr/Y/Si：0.5～3.5，Cu：余量。

该铸造铜合金可以采用电解铜、镍等阴极金属，Mn-Cu，Mn-Al等中间合金，或已知化学组分的回收料为原料，在中频感应炉等熔炼设备，在弱氧化性气氛中进行熔炼；采用中频感应炉熔炼时，首先将坩锅预热，然后加入阴极铜、镍、铁及覆盖剂等，升温至1250～1300℃后，加入锰等脱氧剂，再加入Fe-Al中间合金，最后加入Re/Cr/Y/Si等微量合金元素；加入除气剂，静置5～10min，然后进行炉前检验；升温5～10min，测温，出炉浇铸；该铸造铜合金铸态组织为α+κ相组织，κ相弥散分布在α基体上；该铸造铜合金铸态力学性能为：σ_b≥580MPa，σ_0.2≥280MPa，δ₅≥16％。

用该制备方法铸造的铜合金铸件能够进行热处理强化；在800-950℃的温度下，保温一定时间，冷却至550℃后，空冷，在此热处理条件下，合金的显微组织是以α基体、弥散分布的κ相和少量板条状析出相组成；热处理后的力学性能为：σ_b≥650MPa，σ_0.2≥380MPa，δ₅≥13％。

所述铜合金的制备方法，可以采用电解料及铜合金回收料，按6.0％Ni，3.0％Fe，6.0％Al，1.5％Mn，2.0％Cr配料30kg后，采用50kg中频感应炉熔炼，浇铸成基尔试样，机加工成拉伸试样、冲击试样后，测得的力学性能为：σ_b≥565MPa，σ_0.2≥295MPa，δ₅≥21％，ψ≥16％，A_kU2≥43J。

上述基尔试样，机加工成拉伸毛样、冲击毛样后，在900℃下，保温0.5h，空冷至室温，再将毛样精加工成试样，测得的力学性能如下：σ_b≥690MPa，σ_0.2≥400MPa，δ₅≥13％，ψ≥16％，A_kU2≥30J。

该铸造铜合金可直接浇铸为铸件，也可浇铸为铸锭，用于轧制变形材和锻件制造。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性：

该铸造铜合金与常用泵阀材料锡青铜和硅黄铜相比，屈服强度和拉伸强度均有较大幅度提高，伸长率及面缩率有所下降，但幅度不大，冲击值较高，具有良好的抗冲击载荷作用的能力，其硬度和韧性有较好的匹配性，抗冲刷腐蚀性能好。该铸造铜合金综合力学性能优良，σ_b≥550MPa，σ_0.2≥280MPa，δ₅≥16％；耐海水腐蚀性能优异，在7m/s的天然海水冲刷下，腐蚀率低于0.042mm/a，在3.5m/s的含砂海水冲刷下，腐蚀率为0.1444mm/a；冲刷腐蚀率几乎不随流速而改变，这表明，该铸造铜合金具有极为优异的钝化膜，与基体结合力强，能有效地防止海水的冲刷腐蚀；与目前推广使用的海水系统管道材料铁白铜B10(BFe10-1-1)的自然腐蚀电位相差很小，极化形为相似；该铸造铜合金在天然海水中的自然腐蚀率、冲刷腐蚀率(7m/s)、电偶腐蚀率(与B10合金偶合)分别为0.0064mm/a、0.042mm/a和0.0092mm/a，均低于现用泵阀材料，约为现用泵阀材料的1/10；能有效抑制海水系统的电偶腐蚀，提高海水泵阀的使用寿命；与国内海水泵阀常用的铜合金相比，该合金具较好的防止海生物污损的能力和较高的屈强比，能承受较高的压力，在深海工程等领域也有广泛的应用前景。

具体实施例：

用电解料及铜合金回收料，按6.0％Ni，3.0％Fe，5.0％Al，1.5％Mn，2.0％Cr配料30kg后，采用50kg中频感应炉熔炼，浇铸成基尔试样，机加工成拉伸试样、冲击试样后，测得的力学性能如下：

上述基尔试样，机加工成拉伸毛样、冲击毛样后，在900℃下，保温0.5h，空冷至室温。再将毛样精加工成试样。测得的力学性能如下：

用上述方法铸造的铸块机加工成腐蚀试样后，在天然海水中的自然腐蚀率、冲刷腐蚀率(7m/s)、电偶腐蚀率(与B10合金偶合)分别为0.0064mm/a、0.042mm/a和0.0092mm/a，均低于现用泵阀材料。

Claims (5)

1、一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金，其特征在于：该铸造铜合金采用如下材料、组份比例：

Ni：4.0～10.0，AI：5.0～9.0，Fe：1.0～5.0，Mn：1.0～3.0，Re/Cr/Y/Si：0.5～3.5，Cu：余量。

2、一种用于制造海水泵阀的铸造铜合金的制备方法，其特征在于：该铸造铜合金可以采用电解铜、镍等阴极金属，Mn-Cu，Mn-Al等中间合金，或已知化学组分的回收料为原料，在中频感应炉等熔炼设备，在弱氧化性气氛中进行熔炼；采用中频感应炉熔炼时，首先将坩锅预热，然后加入阴极铜、镍、铁及覆盖剂等，升温至1250～1300℃后，加入锰等脱氧剂，再加入Fe-Al中间合金，最后加入Re/Cr/Y/Si等微量合金元素；加入除气剂，静置5～10min，然后进行炉前检验；升温5～10min，测温，出炉浇铸；该铸造铜合金铸态力学性能为：σ_b≥580MPa，σ_0.2≥280MPa，δ₅≥16％。

3、根据权利要求2所述的用于制造海水泵阀的铸造铜合金的制备方法，其特征在于：用该制备方法铸造的铜合金铸件能够进行热处理强化；在800-950℃的温度下，保温一定时间，冷却至550℃后，空冷，热处理后的力学性能为：σ_b≥650MPa，σ_0.2≥380MPa，δ₅≥13％。

4、据权利要求2所述的用于制造海水泵阀的铸造铜合金的制备方法，其特征在于：所述铜合金的制备方法，可以采用电解料及铜合金回收料，按6.0％Ni，3.0％Fe，6.0％Al，1.5％Mn，2.0％Cr配料30kg后，采用50kg中频感应炉熔炼，浇铸成基尔试样，机加工成拉伸试样、冲击试样后，测得的力学性能为：σ_b≥565 MPa，σ_0.2≥295MPa，δ₅≥21％，ψ≥16％，A_kU2≥43J；

上述基尔试样，机加工成拉伸毛样、冲击毛样后，在900℃下，保温0.5h，空冷至室温，再将毛样精加工成试样，测得的力学性能如下：σ_b≥690MPa，σ_0.2≥400MPa，δ₅≥13％，ψ≥16％，A_kU2≥30J。

5、根据权利要求1所述的用于制造海水泵阀的铸造铜合金，其特征在于：该铸造铜合金可直接浇铸为铸件，也可浇铸为铸锭，用于轧制变形材和锻件制造。