專利名稱：一種高強度銅鎳合金及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及材料工程，特別涉及一種高強度銅鎳合金及其制備工藝。
背景技術：
空蝕是一種破壞力非常嚴重的水力現(xiàn)象，其發(fā)生原因是由于液體中微氣泡潰滅后形成高速微射流沖擊壁面，進而造成固體壁面材料嚴重損傷?？瘴g是造成水輪機、汽輪機、風力發(fā)電機等重大能源裝備運行失效的主要損傷形式，同時空蝕過程中所產(chǎn)生的噪聲是嚴重制約艦船和潛艇以及魚雷等水中兵器作戰(zhàn)性能提高的一個主要因素。銅鎳合金具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能，其常用于艦船上管道關鍵部位的制 造、海水泵的葉片材料以及蒸汽冷凝管的制造等。但是，目前常用的銅鎳合金其力學性能不是很高，這樣就限制了銅鎳合金的大規(guī)模應用。特別是隨著艦船、水輪機等流體機械不斷向高速、大功率方向發(fā)展，對材料的綜合力學性能提出了更高的要求?？瘴g過程是一種力學行為過程，其發(fā)生過程主要是由于流體中存在的空氣、蒸汽微團及固體顆粒等異相介質(zhì)在高速流體的低壓區(qū)容易產(chǎn)生空化，形成空泡。當形成的空泡進人高壓區(qū)后受到壓縮而潰滅，便產(chǎn)生一種頻率很高、壓力很大的微射流或沖擊波打擊試樣表面，即產(chǎn)生空蝕破壞。在自來水、河水和海水中含有大量的微顆粒，這些微顆粒形狀各異，尺寸大小不同，這些微顆粒有可能附著在低壓區(qū)形成的空泡上，當空泡在高壓區(qū)破裂時形成的微射流有可能帶動微顆粒一起一極高的速率打擊材料表面，給材料帶來嚴重的損傷。目前對于艦船螺旋槳來說減小空蝕發(fā)生主要有兩個途徑，其一是改變螺旋槳的線性結(jié)構(gòu)使得空泡不易形成；其二提高材料的力學性能和抗空蝕性能。然而改變螺旋槳的線性結(jié)構(gòu)可以有效地降低空泡的形成，但是不能完全消除。當提高材料的強度和韌性，夾雜著微顆粒的微射流高速打擊到材料表面時，材料會發(fā)生彈性變形，這樣就會吸收微射流打擊表面所產(chǎn)生的能量，從而有效地緩解空蝕的發(fā)生。特別對于銅鎳合金而言，由于銅和鎳的晶格均屬于面心立方結(jié)構(gòu)，面心立方結(jié)構(gòu)的晶體發(fā)生彈性變形的能力比其他結(jié)構(gòu)晶格的能力更強，也就是說銅鎳合金抗空蝕能力要比其他合金的要強。因此，提高銅鎳合金的力學性能和抗空蝕性能可以有效抑制空蝕的發(fā)生。但是現(xiàn)有銅鎳合金的強度不高，限制了其抗空蝕能力的提聞。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高強度銅鎳合金及其制備工藝，所得銅鎳合金自身具有很高的強度和韌性，抗拉強度和屈服強度約為現(xiàn)有B30銅鎳合金的抗拉和屈服強度的2-3倍。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為28% -35%的Ni，
0.8% -I. 5% 的 Mn，0. 8% -I. 5% 的 Fe，0. 08% -0.7% 的 Ag，2% -5% 的 Mo 和 57% -65%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1450-1520°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量2% -5%的八1、0.3% -0. 6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1280-1360°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)800°C _960°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。按照本發(fā)明的制備工藝制得的耐空蝕合金重量百分比為28 31% Ni，0. 8
I.2 % Fe,0. 8 I. 2 % Mn，2 5 % Al，I 3 % Mo,0. 3 0. 6 % Ti,0. 08 0. 12 % Ag,
0.01 0. 05% Ce 和 57. 83 67. 01%的 Cu。本發(fā)明所制備的銅鎳合金具有非常高的強度和韌性，其抗拉強度可以達到920MPa，屈服強度可以達到680MPa，硬度HV達到314. 8，延伸率達到15%左右，力學性能指標比常用銅鎳合金(B30)高出約2 3倍。另外，該銅鎳合金的耐腐蝕性能和抗空蝕能力比現(xiàn)有的艦船用螺旋槳用鎳鋁青銅材料提高了很多。與現(xiàn)有的螺旋槳用鎳鋁青銅材料相比，本發(fā)明具有以下突出性效果所得銅鎳合金強度遠遠優(yōu)于常用鎳鋁青銅材料；同時銅鎳合金的耐海水腐蝕性能優(yōu)異；實際環(huán)境中的空蝕實驗結(jié)果表明，此種合金的耐空蝕能力較強，空蝕過程中所產(chǎn)生的噪聲比鎳鋁青銅材料要??；實際使用環(huán)境中的電化學腐蝕、空蝕和噪聲實驗結(jié)果表明，合金的抗空蝕性能和耐電化學腐蝕能力顯著提高，同時合金空蝕過程中的噪聲水平大大下降。表明該銅鎳合金可以作為一種高強度的耐空蝕合金加以推廣。
具體實施例方式下面提供幾個具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例一一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為31%的附，1%的Mn，I %的Fe，0. I %的Ag，3%的Mo和59. 25%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1520°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量4%的Al、0.6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1360°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)900°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。按照本實施例制備工藝制得的白銅合金重量百分比為28% Ni,0.8% Fe,0.8%Mn, 2% Al, 1% Mo，0. 3% Ti，0. 08% Ag，0. 01% Ce 和 67. 01% 的 Cu。實施例二一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為31^^^Ni，1.2^^AMn, I. 2%的Fe，0. 12%的Ag，3%的Mo和57. 83%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1480°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量5%的A1、0. 6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1280°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)950°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到 銅鎳合金。按照本實施例制備工藝制得的白銅合金重量百分比為29.2% Ni，0.94% Fe,l%Mn, 2. 8% Al, 2% Mo，0. 45% Ti，0. 1% Ag，0. 01% Ce 和 63. 5% 的 Cu。
實施例三一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為30%的Ni，l%的Mn, I %的Fe，0. 08 %的Ag，2. 5 %的Mo和60. 87 %的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1490°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量4%的A1、0. 5%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1320°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)890°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。按照本實施例制備工藝制得的白銅合金重量百分比為29.5% Ni,0. 96% Fe,0. 9% Mn, 2. 88% Al, 2% Mo，0. 45% Ti，0. 12% Ag，0. 03% Ce 和 63. 16% 的 Cu。實施例四 一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為28. 5%的Ni，
0.85% 的 Mn，0. 9% 的 Fe，0. 1% 的 Ag，2. 5% 的 Mo 和 63. 7% Cu 于中頻熔煉爐內(nèi) 1450°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量3%的A1、0. 4%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1300°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)800°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。按照本發(fā)明的制備工藝制得的耐空蝕合金重量百分比為28% Ni，0.85% Fe，
0.8% Mn, 2. 3% Al, 2% Mo，0. 35% Ti，0. 08% Ag，0. 03% Ce 和 65. 59% 的 Cu。實施例五一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將原料總重量百分比為33%的祖，1.45%的Mn，1. 45 %的Fe，0. 12 %的Ag，2. 5 %的Mo和58. 83 % Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1500°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量2%的Al、
0.6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1280_1360°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)850°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。按照本發(fā)明的制備工藝制得的耐空蝕合金重量百分比為31% Ni，1.2% Fe，
1.2% Mn, I. 7% Al, 3% Mo，0. 5% Ti，0. 1% Ag，0. 04% Ce 和 61. 26%的 Cu。
權(quán)利要求
1.一種高強度銅鎳合金制備工藝，其特征在于，首先將重量百分比為28% -35%的Ni，0. 8% -I. 5% 的 Mn，0. 8% -I. 5% 的 Fe，0. 2% -0. 7% 的 Ag，2% -5% 的 Mo 和 58% -66%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1450-1520°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380 °C后依次加入熔液質(zhì)量2%-5%的Al、0.3%-0.6%的Ti和0.05%的稀土 Ce ；繼續(xù)降溫，當溫度達到1280-1360°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)800°C _960°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高強度銅鎳合金制備工藝，其特征在于，首先將原料總重量百分比為31 %的Ni，I %的Mn，I %的Fe，0. I %的Ag，3 %的Mo和59. 25 %的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1520°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量4%的A1、0. 6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1360°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)900°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高強度銅鎳合金制備工藝，其特征在于，首先將原料總重量百分比為31%的祖，1. 2%的Mn，I. 2%的Fe，0. 12%的Ag，3%的Mo和57. 83%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1480°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋齊U，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量5%的A1、0. 6%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1280°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)950°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高強度銅鎳合金制備工藝，其特征在于，首先將原料總重量百分比為30%的Ni，l%的Mn，l%的Fe，0. 08%的Ag，2. 5%的Mo和60. 87%的Cu于中頻熔煉爐內(nèi)1490°C下熔煉，含鎂量為20%的銅鎂合金作為除氣劑，草木灰作為覆蓋劑，草木灰量以完全覆蓋銅液為宜，待充分熔化后等待10分鐘，然后將熔液降至1380°C后依次加入占原料總重量4%的A1、0. 5%的Ti和0. 05%的稀土 Ce ;繼續(xù)降溫，當溫度達到1320°C時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻至室溫即可；最后對鑄造所得合金在熱處理爐內(nèi)890°C下保溫5個小時，進行固熔處理得到銅鎳合金。
5.一種高強度銅鎳合金，其特征在于，重量百分比為28 31% Ni，0.8 I. 2% Fe，0. 8 I. 2% Mn, 2 5% Al, I 3% Mo, 0.3 0.6% Ti, 0.08 0. 12% Ag, 0. 01 0. 05%Ce 和 57. 83 67. 01% 的 Cu。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高強度銅鎳合金，其特征在于，重量百分比為28%Ni，0. 8% Fe，0. 8% Mn, 2% Al, 1% Mo，0. 3% Ti，0. 08% Ag，0. 01% Ce 和 67. 01% 的 Cu。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高強度銅鎳合金，其特征在于，重量百分比為29.2%Ni，0. 94% Fe, 1% Mn, 2. 8% Al, 2% Mo，0. 45% Ti，0. 1% Ag，0. 01% Ce 和 63. 5% 的 Cu。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高強度銅鎳合金，其特征在于，重量百分比為29.5%Ni，0. 96% Fe,0. 9% Mn, 2. 88% Al, 2% Mo，0. 45% Ti，0. 12% Ag，0. 03% Ce 和 63. 16% 的Cu o
全文摘要
一種高強度銅鎳合金制備工藝，首先將28％-35％的Ni，0.8％-1.5％的Mn，0.8％-1.5％的Fe，0.2％-0.7％的Ag，2％-5％的Mo和58％-65％的Cu熔煉熔化后依次加入占原料總重量2％-5％的Al、0.3％-0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；繼續(xù)降溫，當溫度達到1280-1360℃時將合金熔液澆入鑄鐵模中，冷卻；最后熱處理爐內(nèi)保溫進行固熔處理，得到重量百分比為28～31％Ni，0.8～1.2％Fe，0.8～1.2％Mn，2～5％A1，1～3％Mo，0.3～0.6％Ti，0.08～0.12％Ag，0.01～0.05％Ce和57.83～67.01％的Cu的銅鎳合金，本發(fā)明具有很高的強度和韌性，抗拉強度和屈服強度約為現(xiàn)有B30銅鎳合金的抗拉和屈服強度的2-3倍。
文檔編號C22F1/08GK102644004SQ20121012696
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者李黨國, 汪家道, 陳大融 申請人:清華大學