一種鑄造青銅合金材料及其製備方法與流程
2023-05-08 18:31:32
本發明涉及一種青銅合金材料，特別涉及一種核電汽輪機閥體用鑄造青銅合金材料，本發明還涉及該青銅合金材料的製備方法。
背景技術：
青銅材料因具有良好的延展性和可鍛性等性能，應用較為廣泛，例如鍛打成型為各類閥塊、耐磨泵塊，閥體等而應用於核電汽輪機等技術領域中。但是，隨著核電工業的迅猛發展，對青銅材料的需求日益擴大，性能要求也日益提高。傳統的青銅材料在鍛打處理中會產生各種缺陷，越來越不能滿足國內外高標泵閥類合金錠的需求，而且鍛打過程工藝複雜，成本高，工時長。因此，開發不需要後續鍛打處理的鑄造青銅合金日益受到重視。但傳統的鑄造青銅合金由於材料自身內部結構，導致翻砂鑄造成型產品極易產生氣孔及表面夾雜，不易二次成型。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明的目的是提供了一種青銅合金材料，其力學性能和成品率與傳統青銅合金相比明顯提高，而氣孔率等缺陷明顯降低。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
根據本發明的一個具體實施方式，提供了一種鑄造青銅合金材料，其包含：鍍鎳碳化矽0.5-1.5wt％、鋁15-17wt％、鐵4-5.5wt％、錳0.5-1.5wt％、鎳0.5-1.2wt％，鑭或鈰0.2-0.7wt％，餘量為銅及不可避免的雜質。
根據本發明的一個實施例的鑄造青銅合金材料，其中，鍍鎳碳化矽的粒徑為50μm～100μm。
根據本發明的一個實施例的鑄造青銅合金材料，其中，鍍鎳碳化矽含量為1.0-1.5wt％，所述錳含量為1.0-1.5wt％。
根據本發明的一個實施例的鑄造青銅合金材料，其中，鎳含量為0.8-1.2wt％，所述鑭或鈰含量為0.5-0.7wt％。
根據本發明的一個具體實施方式，提供了一種製備鑄造青銅合金材料的方法，該鑄造青銅合金材料為根據以上所述的鑄造青銅合金材料，該方法包括以下步驟：
步驟一：按照配比將鋁、鐵、錳、鎳、銅置於工頻電爐內，加熱至1100度完全熔化並保溫；
步驟二：將預定含量的稀土元素鑭和/或鈰添加到保溫中的合金熔體當中，開啟振動裝置與攪拌裝置；
步驟三：將粒徑50μm～100μm的鍍鎳碳化矽顆粒添加到合金熔體當中，同時再次進行攪拌；
步驟四：將攪拌完成的合金熔體轉移至鑄造保溫爐當中，第三次進行攪拌；
步驟五：將攪拌完成的合金熔體靜止後取樣檢測，以確定成份在設定範圍之內；
步驟六：成份合格後，採用導流管直接將熔體引入結晶器，結晶器內塗抹潤滑油，爐膛內覆蓋炭黑；
步驟七：根據核電汽輪機閥體用材料的要求進行鑄造，包裝入庫。
根據本發明的一個實施例的製備鑄造青銅合金材料的方法，其中，所述步驟二中，振動裝置的振動頻率為8次/秒，攪拌裝置的攪拌速率為250轉/分鐘，攪拌時間為10-15分鐘。
根據本發明的一個實施例的製備鑄造青銅合金材料的方法，其中，所述步驟三中攪拌速率為300轉/分鐘，攪拌時間15-20分鐘。
根據本發明的一個實施例的製備鑄造青銅合金材料的方法，其中，所述步驟四中攪拌時間為15-20分鐘，速率為400轉/分鐘。
根據本發明的一個實施例的製備鑄造青銅合金材料的方法，其中，炭黑的厚度為3-5cm。
本發明提供的核電汽輪機閥體用鑄造青銅合金材料，通過在傳統青銅材料中加入預處理的碳化矽陶瓷顆粒即鍍鎳碳化矽顆粒，提高了鑄造青銅合金材料的硬度；通過適當添加增強相稀土元素鑭或鈰，細化了晶粒，改善了合金內部材料的徑粒組織結構。由此，本發明的青銅合金材料在不需要進一步鍛打或者熱處理的前提下，即可實現達到所需的強度和硬度，能夠滿足核電汽輪機閥體用材料的要求。
同時，本發明的鑄造青銅合金材料有效避免了傳統合金材料因鍛打而產生的開裂現象，顯著降低了青銅材料在鑄造過程中產生的氣孔率，避免了後續加工，節約了生產成本，提高了生產效率。
附圖說明
圖1為製備本發明的鑄造青銅合金材料的工藝流程圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明的鑄造青銅合金材料，包含：鍍鎳碳化矽0.5-1.5wt％、鋁15-17wt％、鐵4-5.5wt％、錳0.5-1.5wt％、鎳0.5-1.2wt％，鑭或鈰0.2-0.7wt％，餘量為銅及不可避免的雜質。
在進一步的實施例中，所採用的鍍鎳碳化矽的粒徑為50μm～100μm。
在進一步的實施例中，鍍鎳碳化矽含量為1.0-1.5wt％，錳含量為1.0-1.5wt％。
在進一步的實施例中，鎳含量為0.8-1.2wt％，鑭或鈰含量為0.5-0.7wt％。
其中鍍鎳碳化矽的製備過程為：
步驟一：活化碳化矽顆粒：將40g碳化矽顆粒(平均粒徑為5μm)加入乙酸鎳和硼氫化鈉的醇溶液(12g乙酸鎳、4g硼氫化鈉和1L的乙醇)中，滴加穩定劑10％NaOH溶液後常溫攪拌30min，攪拌速度為400r/min，形成混合物一；
步驟二：將步驟一中活化完成的混合物一靜置沉澱，過濾後用蒸餾水洗滌沉澱，洗滌完成後過濾並70-80℃下烘乾；
步驟三，化學鍍鎳：將26g六水硫酸鎳(主鹽)、20g一水次亞磷酸鈉(還原劑)、44g檸檬酸(絡合劑)和66g硫酸銨(緩衝劑)加入燒杯中，並加入蒸餾水直至固體物質全部溶解，形成鍍液；將步驟二中5g烘乾的活化碳化矽顆粒和痕量穩定劑硫脲加入上述鍍液中形成混合物二，將混合物二水浴加熱並攪拌(加熱溫度為40℃，攪拌速度為400r/min)，並在加熱攪拌的同時加入NaOH溶液調節混合物二的pH值為9；
步驟四：將步驟三中化學鍍鎳完成的混合物二靜置沉澱，過濾後用蒸餾水洗滌沉澱，洗滌完成後過濾並70-80℃下烘乾得到鍍鎳碳化矽顆粒。
如圖1所示，本發明的鑄造青銅合金材料的製備方法包括以下步驟：
步驟一：按照配比將鋁、鐵、錳、鎳、銅置於工頻電爐內，加熱至1100度完全熔化並保溫；
步驟二：將預定質量分數的稀土元素鑭和/或鈰添加到保溫中的合金熔體中，開啟振動裝置與攪拌裝置；
步驟三：將通過以上所述鍍鎳碳化矽的製備工藝製備的粒徑50μm～100μm的鍍鎳碳化矽顆粒添加到合金熔體當中，同時進行再次攪拌；
步驟四：將攪拌完成的合金熔體轉移至鑄造保溫爐當中，第三次進行攪拌；
步驟五：將攪拌完成的合金熔體靜止3-5分鐘，並取樣檢測，以檢測成分是否在設定含量範圍之內；
步驟六：成份合格後，採用導流管直接將熔體引入結晶器，結晶器內塗抹潤滑油，爐膛內覆蓋炭黑；
步驟七：根據核電汽輪機閥體用材料的要求進行鑄造，包裝入庫。
在進一步的實施例中，步驟二中振動裝置的振動頻率為8次/秒，攪拌裝置的攪拌速率為250轉/分鐘，攪拌時間為10-15分鐘。
在進一步的實施例中，步驟三中攪拌速率為300轉/分鐘，攪拌時間15-20分鐘。
在進一步的實施例中，步驟四中攪拌時間為15-20分鐘，速率為400轉/分鐘。
在進一步的實施例中，炭黑的厚度為3-5cm，由此能夠充分避免氧化和生渣。
對本發明的鑄造青銅合金與傳統的鑄造青銅合金材料和鍛打青銅合金材料的力學性能進行了測試，其結果如表1所示：
表1：本發明的鑄造青銅材料與傳統青銅合金材料的性能對比
由此可見，本發明的新型鑄造青銅合金材料與傳統的鑄造青銅合金材料和鍛打青銅合金材料相比，硬度和成品率明顯提高，氣孔率明顯下降，傳統上，鍛打過程能夠有效降低鑄造合金產品的氣孔率，但本發明的合金材料即使不進行鍛打過程即可有效消除氣孔，且與鍛打青銅合金相比，降低氣孔率的成效更加顯著。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍；如果不脫離本發明的精神和範圍，對本發明進行修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明權利要求的保護範圍當中。