一種鎳鋁青銅的製備方法
2023-06-26 06:39:06
一種鎳鋁青銅的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種鎳鋁青銅的製備方法；所述方法包括如下步驟：將純銅板、銅鋁合金、鎳板、鐵板和錳粉在1200～1300℃真空熔煉30～60分鐘，非真空澆鑄得鑄錠，去除所述鑄錠表面氧化物；對去除表面氧化物的鑄錠表面進行攪拌摩擦處理；在500～675℃退火2～6小時後空冷。與現有技術相比，本發明經真空熔煉非真空澆鑄-攪拌摩擦加工-熱處理工藝製備的鎳鋁青銅的綜合性能得到了明顯提高，與非真空製備的鎳鋁青銅相比，組織更加細小均勻，強度和耐腐蝕性能明顯提高。
【專利說明】一種鎳鋁青銅的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於海洋裝備領域的材料製備方法，具體涉及一種鎳鋁青銅的製備方法。
【背景技術】
[0002]鎳鋁青銅是由鋁青銅發展起來的一種合金，穩態二元合金鋁青銅中含有Y 」相，對鋁青銅的機械和耐腐蝕性能產生不利影響，在鋁青銅中加入鎳、鐵以及錳元素不但可以抑制、」相的形成，而且可以細化晶粒，因其具有較高的強度、較好的斷裂韌性以及耐腐蝕性能，是海洋裝備螺旋槳槳葉、泵以及閥等部件的主要材料，提高其在複雜海洋工況下的腐蝕疲勞性能是製造高服役性能海洋裝備的核心之一。
[0003]目前，在實際生產中使用的鎳鋁青銅一般為鑄態，典型的鑄態鎳鋁青銅的組織由粗大的α晶粒、多種κ相(Κι、κπ、κΠΙ、κιν)以及馬氏體β』相組成，而且在鑄造的過程中容易形成成分不均勻和孔洞等缺陷，粗大的顯微組織和鑄造過程中形成的缺陷降低了鎳鋁青銅的機械性能，複雜的顯微組織容易使各個相之間發生電化學腐蝕，降低了材料的耐腐蝕性能。文獻「WHARTON J A, BARIK R C, KEAR G, et al.The corros1nof nickel-aluminium bronze in seawater[J].Corros1n Science,2005,47(12):3336-67.」、「TAKAL00 A V.Corros1n Behav1r of Heat Treated Nickel-AluminumBronze Alloy in Artificial Seawater[J].Materials Sciences and Applicat1ns,2011,02(11):1542-55.」、「NAKHAIE D, DAV00DI A, IMANI A.The role of constituentphases on corros1n inifia1n of NiAl bronze in acidic media studied by SEM—EDS,AFM and SKPFM[J].Corros1n Science，2014，80 (104-10.」 己經報導了鑄態鎳鋁青銅的腐蝕行為，研究表明鑄態鎳鋁青銅具有腐蝕的pH依賴性，而且很容易受到選相腐蝕，一般來說，在pH小於3.5的弱酸性環境中，鎳鋁青銅的腐蝕起始位置為κ相，而在pH大於3.5或者在弱鹼性環境中，鎳鋁青銅容易發生選相腐蝕，一般來說α+Κπι共析相中的α相首先發生腐蝕。另外，工業生產中一般採用非真空熔煉，在熔煉和澆鑄的過程中容易引入雜質，對材料的機械和腐蝕性能產生不利影響。
[0004]為了提高鎳鋁青銅的機械和耐腐蝕性能，國內外專家學者對鎳鋁青銅在鑄造、熱加工以及表面覆層和改性方面進行了諸多嘗試。鎮江金葉螺旋槳有限公司和江蘇大學分別申請了 「鋯微合金化、鋯和鍶以及鈧、鋯和鍶複合微合金化的鎳鋁青銅及其製備方法」專利(專利號分別為:CN201210418967.2、CN201210417110.9 和 CN201210417859.3)，這些方法可以細化鑄態組織的晶粒，提高鎳招青銅的機械和耐腐蝕性能。D.T.Mcdonald等人(GA0L, CHENG X.Microstructure and mechanical properties of Cu-10% Al-4% Fe alloyproduced by equal channel angular extrus1n[J].Materials&Design,2008,29 (4):904-8.)通過等徑彎角擠壓(ECAP)的方法對鎳鋁青銅進行大變形處理。J.A.Wharton等人(WHARTON JA, BARIK R C, KEAR G, et al.The corros1n of nickel-aluminiumbronze in seawater [J].Corros1n Science, 2005,47 (12):3336-67.)研究了鍛態鎮招青銅的腐蝕性能。C.H.Tang 等人(「TANG C H, CHENG F T, MAN H C.1mprovementin cavitat1n eros1n resistance of a copper-based propeller alloy by lasersurface melting [J].Surface and Coatings Technology，2004，182 (2-3):300-7.，，、「TANG C H，CHENG F T，MAN H C.Effect of laser surface melting on the corros1nand cavitat1n eros1n behav1rs of a manganese-nickel-aluminium bronze[J].Materials Science and Engineering:A，2004，373 (1-2):195-203.」)米用雷射表面改性的方法對錳鎳鋁青銅(MAB)進行表面處理。K.0h-1shi和D.R.Ni等人(「SWAM1NATHANS，OH-1SHI K，ZHILYAEV A P，et al.Peak Stir Zone Temperatures during Frict1nStir Processing[J].Metallurgical and Materials Transact1ns A，2009，41 (3):631-40.」、「OH-1SHI K， CUEVAS A M， SWISHER D L， et al.The Influence of Frict1nStir Processing on Microstructure and Properties of a Cast Nickel AluminumBronze Material[J].Materials Science Forum，2003，426-432 (2885-90.」、「NI D R，XUE P，WANG D，et al.1nhomogeneous microstructure and mechanical properties offrict1n stir processed NiAl bronze[J].Materials Science and Engineering:A，2009,524(1-2):119-28.」、「NI D R，XUE P，MA Z Y.Effect of Multiple-Pass Frict1nStir Processing Overlapping on Microstructure and Mechanical Properties ofAs-Cast NiAl Bronze[J].Metallurgical and Materials Transact1ns A，2011，42(8):2125-35.」、「NI D R，XIAO B L, MA ZY，et al.Corros1n properties of frict1n-stirprocessed cast NiAl bronze [J].Corros1n Science，2010，52 (5): 1610-7.」)研究了攬拌摩擦加工鎳鋁青銅後的機械和耐腐蝕性能。上述研究結果表明，經過微合金化鑄造鎳鋁青銅以及鎳鋁青銅的熱加工、表面覆層及改性，可以細化鎳鋁青銅的晶粒，在一定程度上改善材料的機械和腐蝕性能。但是還是存在一些問題，比如ECAP加工試樣較小，無法應用於實際生產；熱加工之後機械性能明顯提高而耐腐蝕性能變化不大；而攪拌摩擦加工會產生較多的殘餘β相和殘餘應力，對材料的耐腐蝕性能產生不利影響。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對上述現有技術存在的問題，提供一種鎳鋁青銅的製造方法，從而改善材料的機械和耐腐蝕性能。
[0006]本發明的目的通過以下技術方案來實現:
[0007]本發明涉及一種鎳鋁青銅的製備方法，所述方法包括如下步驟:將純銅板、銅鋁合金、鎳板、鐵板和錳粉在1200?1300°C真空熔煉30?60分鐘，非真空澆鑄得鑄錠，去除所述鑄錠表面氧化物。溫度較低或者熔煉時間較短容易產生成分不均勻，而溫度較高或者熔煉時間太長容易使材料晶粒變大。更優選在1250°C真空熔煉40分鐘。
[0008]優選的，所述方法還包括對去除表面氧化物的鑄錠表面進行攪拌摩擦處理。
[0009]優選的，所述方法還包括從去除表面氧化物的鑄錠中切割出塊狀鑄體，對所述塊狀鑄體表面進行攪拌摩擦處理；所述塊狀鑄體為50mmX 120mmX 5mm的長方塊。
[0010]優選的，所述攪拌摩擦處理時通入氬氣進行冷卻。
[0011]優選的，所述攪拌摩擦處理採用鎢錸合金攪拌摩擦加工刀具；所述刀具軸肩直徑為15mm，攪拌針端部直徑為7mm，攪拌針根部直徑為3mm，傾斜角為3°。
[0012]優選的，所述攪拌摩擦處理時，攪拌針的轉速的變化範圍為600?1200rpm，加工速度(攪拌針前進的速度)的變化範圍為100?200mm。
[0013]優選的，所述攪拌摩擦處理後的塊狀鑄體在500?675°C退火2?6小時後空冷。更優選在675°C退火4小時後空冷。675°C時發生殘餘馬氏體相發生共析反應，能夠提高基體的耐腐蝕。
[0014]優選的，所述鎳鋁青銅為國標鑄造鋁青銅9-4-4_2，按照組分佔所述材料(純銅板、銅鋁合金、鎳板、鐵板和錳粉)總重的重量百分比含量:Al 3%,Ni 1.2%,Μη 2.5%,Fe
1.0 %的比例準備純銅板、銅鋁合金、鎳板、鐵板和錳粉。
[0015]優選的，所述真空熔煉前放置材料時將銅鋁合金放在最上方。
[0016]優選的，所述鑄錠的尺寸為Φ 150mmX 240mm。
[0017]與現有技術相比，本發明經真空熔煉非真空澆鑄-攪拌摩擦加工-熱處理工藝製備的鎳鋁青銅的綜合性能得到了明顯提高，與非真空製備的鎳鋁青銅相比，組織更加細小均勻，強度和耐腐蝕性能明顯提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0019]圖1為本發明工藝熔煉的鎳鋁青銅顯微組織0M圖；
[0020]圖2為本發明工藝攪拌摩擦加工之後的鎳鋁青銅顯微組織0M圖；
[0021]圖3為本發明工藝熱處理之後的鎳鋁青銅顯微組織0M圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0023]實施例1
[0024]準備純銅板、銅鋁合金塊(銅鋁質量比為1:1)、純鎳板、純鐵板以及錳粉，質量分別為37.4kg、10.5kg、2.3kg、2.2kg和0.65kg。熔煉之前首先對板材進行表面處理，去除油汙和表面氧化皮，然後將材料放入爐膛內，其中銅鋁合金放在最上面，關閉爐膛，然後抽真空，在1250°C熔煉40分鐘，在此期間不斷用攪拌棒攪拌，打開爐膛，在溶液上面撒些結渣齊U，然後澆鑄到圓柱形模具中。冷卻後，用車床車掉鑄件表面的氧化皮直至看不到大大夾雜和氣孔。用電火花線切割成拉伸試樣，製得國標鑄造鋁青銅9-4-4-2，測得室溫拉伸性能數據為:
[0025]抗拉強度:710MPa，屈服強度:424MPa，延伸率:15.4%，顯微硬度:195HV
[0026]實施例2
[0027]其他條件同實施例1，實施例2中採用非真空熔煉，在1250°C達到沸騰時，在上面撒些覆蓋粉，熔煉40分鐘，在此期間不斷用攪拌棒攪拌，澆鑄前撈出覆蓋粉，撒入一些結渣粉，然後澆鑄。圖1表明，用本工藝成功地獲得雜質較少，燒損率較小的鎳鋁青銅合金。測得室溫拉伸性能數據為:
[0028]抗拉強度:597MPa，屈服強度:413MPa，延伸率:7.0%，顯微硬度:170HV。
[0029]實施例3
[0030]其他條件同實施例1，實施例3中將車好的鑄件線切割出50mmX 120mmX 5mm長方塊，清洗掉上面的油汙，然後用磨床將表面磨平，對其表面進行攪拌摩擦加工，攪拌針對轉速為2000rpm/min，加工速度為150mm/min，傾斜角為3°，在加工的過程中吹氬氣冷卻。將試樣表面拋光後測得的顯微硬度為292HV，但是試樣的顯微組織主要由魏氏體α和殘餘β相組成(見圖2)，具有較差的腐蝕性能。由圖2可見，經攪拌摩擦加工表面處理後，得到了組織均勻細小的鎳鋁青銅，顯微組織主要由魏氏體組織組成。
[0031]實施例4
[0032]其他條件同實施例3，實施例4中攪拌摩擦加工後的樣品在675°C退火4小時之後空冷。將試樣表面拋光後測得的顯微硬度為260HV，顯微組織由均勻細小的α相和較少的殘餘β組成(見圖3)，具有較好的耐腐蝕性能。
[0033]由圖3可見，攪拌摩擦加工試樣經熱處理後，魏氏體組織轉化成細小的α晶粒，晶粒大小約為2?3 μ m。
[0034]綜上所述，本發明工藝所得到的鎳鋁青銅合金的組織均勻細小，減少了殘餘α和殘餘應力，明顯改善了鎳鋁青銅合金的機械和耐腐蝕性能。
[0035]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟:將純銅板、銅鋁合金、鎳板、鐵板和錳粉在1200?1300°C真空熔煉30?60分鐘，非真空澆鑄得鑄錠，去除所述鑄錠表面氧化物。
2.根據權利要求1所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述方法還包括對去除表面氧化物的鑄錠表面進行攪拌摩擦處理。
3.根據權利要求1所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述方法還包括從去除表面氧化物的鑄錠中切割出塊狀鑄體，對所述塊狀鑄體表面進行攪拌摩擦處理；所述塊狀鑄體為50mm X 1 20mm X 5mm的長方塊。
4.根據權利要求2所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述攪拌摩擦處理時通入氬氣進行冷卻。
5.根據權利要求2所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述攪拌摩擦處理採用鎢錸合金攪拌摩擦加工刀具；所述刀具軸肩直徑為15mm，攪拌針端部直徑為7mm，攪拌針根部直徑為3mm，傾斜角為3°。
6.根據權利要求5所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述攪拌摩擦處理時，攪拌針的轉速為600?1200rpm，攪拌針前進的速度為100?200mm。
7.根據權利要求2所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述攪拌摩擦處理後的塊狀鑄體在500?675°C退火2?6小時後空冷。
8.根據權利要求1所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述鎳鋁青銅為國標鑄造招青銅9-4_4_2。
9.根據權利要求1所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述真空熔煉前放置材料時將銅鋁合金放在最上方。
10.根據權利要求1所述的鎳鋁青銅的製備方法，其特徵在於，所述鑄錠的尺寸為Φ 150mmX 240mmo
【文檔編號】C22C1/02GK104313365SQ201410541694
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】呂玉延, 呂維潔, 王立強, 徐小嚴, 毛建偉 申請人:上海交通大學