專利名稱：鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁青銅合金及其制備方法，尤其是一種新型鎳鋁青銅及其制備方法，具體地說是一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎳鋁青銅具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能、抗高速海水沖刷性能、抗腐蝕性能和良好的成形性能(熔鑄性能、塑性成形性、焊接性)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、艦船、海上石油平臺等許多領(lǐng)域，是制造海上艦船螺旋槳、海水泵、海上石油平臺、海水管路系統(tǒng)、機(jī)械模具以及在高速、高壓和高溫下工作的軸承、襯套、渦輪等機(jī)械零件的主體材料。隨著遠(yuǎn)洋艦船、海上石油平臺的大型化、深水化，以及服役周期的延長和服役環(huán)境的進(jìn)一步苛刻，迫切需要性能更高的鎳鋁青銅。
眾所周知，合金化及微合金化是提高合金組織與性能的有效手段。從鎳鋁青銅的成分(銅(Cu) 77 82%，錳(Mn) O. 5 4. 0%,鋁(Al) 7. 0 11· 0%,鐵(Fe) 2. 0 6· 0%,鎳(Ni)
3.(Γ6. 0%,鋅(Zn) ￡1. 0%,余量為雜質(zhì)元素)來看,該合金尚未進(jìn)行微合金化。錯(Zr)或鈧(Sc)加入到鋁青銅合金中，在合金凝固過程中鋯(Zr)或鈧(Sc)元素與Al形成Al3Zr (熔點(diǎn)15800C )、A13Sc (熔點(diǎn)1320°C )等高熔點(diǎn)物相，對銅合金的后續(xù)凝固起到非均質(zhì)形核作用，細(xì)化合金組織，在合金凝固后的后續(xù)冷卻過程中鋯(Zr)或鈧(Sc)元素還會從銅合金中析出，并與Cu元素形成金屬間化合物(b相等)，與Al元素形成金屬間化合物Al3Zr或Al3Sc等，對合金起強(qiáng)化作用，并阻止晶粒長大。而鋯(Zr)和鈧(Sc)的復(fù)合加入，則會形成比Al3Zr或Al3Sc尺寸更小的三元物相AlJSCh，Zrx),使錯(Zr)和鈧(Sc)的微合金化作用更加顯著。鍶(Sr)是一種活性元素，并且在鋁青銅中的固溶度極小。向高錳鋁青銅中加入微量鍶(Sr)不僅能有效凈化熔體、提高元素的分布均勻性，此外還對鈧(Sc) Jg(Zr)的燒損起到保護(hù)作用。到目前為止，我國尚未有一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅可供使用，這一定程度上制約了我國海上艦船螺旋槳、海水泵、海上石油平臺、海水管路系統(tǒng)、機(jī)械模具以及在高速、高壓和高溫下工作的軸承、襯套、渦輪等機(jī)械零件的高速發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在鎳鋁青銅主成分的基礎(chǔ)上，通過添加微量鈧、鋯和鍶元素，發(fā)明一種高性能的鎳鋁青銅及其制備方法，以滿足我國海上艦船螺旋槳、海水泵、海上石油平臺、海水管路系統(tǒng)、模具以及在高速、高壓和高溫下工作的軸承、襯套、渦輪等機(jī)械零件等領(lǐng)域的需求。本發(fā)明的技術(shù)方案之一是
一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅，其特征在于它包括
鈧(Sc)，質(zhì)量百分比為O. 025 O. 078% ；鋯(Zr)，質(zhì)量百分比為O. 028 O. 082% ；
鍶(Sr)，質(zhì)量百分比為O. 012 O. 057% ；
鎳招青銅，余量； 各組份的質(zhì)量百分比之和為100%;
所述的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化能凈化熔體、細(xì)化組織、阻礙晶粒長大、生成強(qiáng)化合金；所述的鎳鋁青銅主要由銅(Cu)、鎳(Ni)、鋁(Al)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鐵(Fe)組成，其中，鎳(Ni)的質(zhì)量百分比為3. (Γ6. 0%，鋁(Al)的質(zhì)量百分比為7. (TlI. 0%，錳(Mn)的質(zhì)量百分比為O. 5 4. 0%，鋅(Zn)的質(zhì)量百分比為￡1. 0%，鐵(Fe)的質(zhì)量百分比為2. 0 6· 0%，鈧(Sc)的質(zhì)量百分比為O. 025 O. 078%，各組份的質(zhì)量百分比之和為100%。本發(fā)明的技術(shù)方案之二是
一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅的制備方法，其特征是
首先，將鎳鋁青銅熔化后，依次加入Al-Sr中間合金、Al-Zr中間合金和純Sc，在添加過程中必須按所列次序添加，即必須等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或待添加的金屬；其次，待全部熔化后，加入淸渣劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?；最后，倒入澆包，靜置后除渣并澆鑄成錠；即可獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。所述的Al-Sr中間合金中Sr的質(zhì)量百分比為8. 901% 10. 879%，Al-Zr中間合金中Zr的質(zhì)量百分比為3. 699% 4. 521%。所述的Al-Sr中間合金中Sr的最佳質(zhì)量百分比為9. 89%, Al-Zr中間合金中Zr的最佳質(zhì)量百分比為4. 11%。本發(fā)明的有益效果是
(I)本發(fā)明鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅，具有組織致密、晶粒細(xì)小、硬度高、抗腐蝕性好、摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)。如本發(fā)明鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅(以實施例一為例)，其硬度(HV)為240. 7HV，比常規(guī)鎳鋁青銅(以對比例一為例)的硬度212. 125 HV提高了 13.4% ;再如，按國標(biāo)GB 10124-88 (均勻腐蝕試驗方法)，其在3. 5% NaCl (試驗溫度為20°C)溶液中的均勻腐蝕速率為0.02298 mm/a (以實施例一為例)，比常規(guī)鎳鋁青銅(以對比例一為例)的均勻腐蝕速率O. 02424 mm/a降低了 5. 2%。(2)本發(fā)明鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅(以實施例一為例)，在高頻往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)上(頻率20Hz，載荷IN，時間lOmin，沖程O. 8 1mm，摩擦對偶件為直徑4 mm的Si3N4球)的干摩擦系數(shù)為O. 023,比常規(guī)鎳招青銅(以對比例一為例)的干摩擦系數(shù)O. 0272降低了 15. 4% ;在3. 5%NaCl溶液中的濕摩擦系數(shù)為O. 022 (以實施例一為例)，比常規(guī)鎳鋁青銅(以對比例一為例)的濕摩擦系數(shù)O. 0251降低了 12. 35%，摩擦系數(shù)大幅降低。(3)本發(fā)明通過大量的試驗獲得了理想的制備方法，尤其是通過采用按次序加入各中間合金及純金屬的方法來控制各組份含量，按本發(fā)明的工藝能容易地得到符合要求的微合金化的鎳鋁青銅材料。(4)本發(fā)明公開了一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅的制備方法，一定程度上打破了國外對高性能鎳鋁青銅的技術(shù)封鎖，可滿足我國大型艦船螺旋槳、水泵、閥門、海水淡化設(shè)備等領(lǐng)域的需求。
圖I是本發(fā)明實施例一的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅金相組織。圖2是本發(fā)明對比例一的常規(guī)鎳鋁青銅金相組織。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例一。 如圖I所示。一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅按以下方法制備而成 按7. 2268kg配制為例。首先，將7. Ikg市售或預(yù)制的鎳鋁青銅(銅(Cu)77 82%，錳(Mn)O. 5 4. 0%，鋁(Al)7. (Til. 0%，#(Fe)2. 0 6· 0%，鎳(Ni)3. 0 6· 0%，鋅(Zn) ￡1. 0%，余量為雜質(zhì)元素)熔化后依次加入35. 9gAl-Sr中間合金(89. 85%A1，9. 89%Sr (鍶的含量可在8. 901% 10. 879%之間浮動，下同)，0. 16%Fe，0. 10%Si)(Sr 的損失率約為 40%) ,86. 4g Al-Zr 中間合金(95. 69%A1,4. ll%Zr (鋯的含量可在3. 699% 4. 521%之間浮動，下同)，O. 20%Fe, O. 10%Si ) (Zr的損失率約為8%)、4. 5g純Sc (Sc的損失率約為8%)，所述的中間合金可直接從市場上購置，也可采用常規(guī)方法自行配制，熔化過程中等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或金屬；待全部熔化后，加入淸渣劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?min ;最后，倒入澆包，靜置保溫f 5min后，除渣并澆鑄成錠；即獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。本實施例的鎳鋁青銅經(jīng)光譜實際測量成分為4. 52% Ni，9. 97%A1，I. 05% Mn，5. 4%Fe,O. 62%Zn,0. 057% Sc,O. 045% Zr,O. 029% Sr，余量為銅和少量雜質(zhì)元素。本實施例的鎳鋁青銅組織細(xì)小、致密(圖1)，其硬度(HV)為240. 7HV，按國標(biāo)GB10124-88 (均勻腐蝕試驗方法)，其在3. 5% NaCl (試驗溫度為20°C )溶液中的均勻腐蝕速率為O. 02298 mm/a，在高頻往復(fù)摩擦磨損試驗條件下，與Si3N4球?qū)δr，在空氣中的干摩擦系數(shù)為O. 023，在3. 5%NaCl溶液中的濕摩擦系數(shù)為O. 022。實施例二。一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅按以下方法制備而成 按7. 2268kg配制為例。首先，將7. Ikg鎳鋁青銅熔化后依次加入30.9gAl_Sr中間合金(89·85%Α1，9. 89%Sr,0. 16%Fe，0. 10%Si) (Sr 的損失率約為 40%)、91· 9g Al-Zr 中間合金(95. 69%A1,
4.ll%Zr, 0. 20%Fe, 0. 10%Si ) (Zr的損失率約為8%)、4g純Sc (Sc的損失率約為8%)，所述的中間合金可直接從市場上購置，也可采用常規(guī)方法自行配制，熔化過程中等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或金屬；待全部熔化后，加入淸渣劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?min ;最后，倒入澆包，靜置保溫廣5min后，除渣并澆鑄成錠；即獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。本實施例的鎳鋁青銅經(jīng)光譜實際測量成分為4. 52% Ni, 10. 34% Al，I. 06 % Mn，
5.18% Fe,O. 41%Zn,0. 055% Sc,O. 048% Zr,O. 025% Sr，余量為銅和少量雜質(zhì)元素。實施例三。如圖I所示。
一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅按以下方法制備而成 按7. 2268kg配制為例。首先，將7. 157kg市售或預(yù)制的鎳鋁青銅(銅(Cu) 77 82%，錳(Mn) O. 5 4. 0%，鋁(Al)7. 0 11· 0%，鐵(Fe)2. 0 6· 0%，鎳(Ni)3. 0 6· 0%，鋅(Zn) ￡1. 0%，余量為雜質(zhì)元素)熔化后依次加入 14. 61gAl-Sr 中間合金(89. 85%A1，9. 89%Sr,0. 16%Fe，0. 10%Si)(Sr 的損失率約為 40%)、53· 51g Al-Zr 中間合金(95. 69%A1, 4. ll%Zr, O. 20%Fe, 0. 10%Si ) (Zr 的損失率約為8%)、I. 96g純Sc (Sc的損失率約為8%)，所述的中間合金可直接從市場上購置，也可采用常規(guī)方法自行配制，熔化過程中等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或金屬；待全部熔化后，加入淸洛劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?min ;最后,倒入燒包，靜置保溫f5min后，除渣并澆鑄成錠；即獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。本實施例的鎳鋁青銅經(jīng)光譜實際測量成分為4. 52% Ni，9. 97%A1，I. 05% Mn，5. 4%Fe,O. 62%Zn,0. 025% Sc,O. 028% Zr,O. 012% Sr，余量為銅和少量雜質(zhì)元素。實施例四。 如圖I所示。一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅按以下方法制備而成 按7. 2268kg配制為例。首先，將6. 995kg市售或預(yù)制的鎳鋁青銅(銅(Cu) 77 82%，錳(Mn) O. 5 4. 0%，鋁(Al) 7. 0 11· 0%，鐵(Fe) 2. 0 6· 0%，鎳(Ni) 3. 0 6· 0%，鋅(Zn) ￡1. 0%，余量為雜質(zhì)元素)熔化后依次加入69. 42gAl-Sr中間合金(89. 85%A1，9. 89%Sr (鍶的含量可在8. 901% 10. 879% 之間浮動，下同)，0. 16%Fe，0. 10%Si) (Sr 的損失率約為 40%) ,156. 7g Al-Zr 中間合金(95. 69%A1, 4. ll%Zr (鋯的含量可在3. 699% 4. 521%之間浮動，下同)，O. 20%Fe,
O.10%Si ) (Zr的損失率約為8%)、6. 127g純Sc (Sc的損失率約為8%)，所述的中間合金可直接從市場上購置，也可采用常規(guī)方法自行配制，熔化過程中等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或金屬；待全部熔化后，加入淸渣劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?min ;最后，倒入澆包，靜置保溫廣5min后，除渣并澆鑄成錠；即獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。本實施例的鎳鋁青銅經(jīng)光譜實際測量成分為4. 52% Ni，9. 97%A1，I. 05% Mn，5. 4%Fe,O. 62%Zn,0. 078% Sc,O. 082% Zr,O. 057% Sr，余量為銅和少量雜質(zhì)元素。實施例二 四的復(fù)合微合金化鎳鋁青銅的金相組織與實施例一相比變化不大，均呈現(xiàn)細(xì)小、致密組織，其硬度(HV)及在3. 5% NaCl (試驗溫度為20°C )溶液中的均勻腐蝕速率等遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。對比例一 如圖I所示。一種常規(guī)鎳鋁青銅可直接從市場購買，也可按以下方法制備而成 按7. 2268kg配制為例。首先，將7. 2268 kg鎳鋁青銅熔化后，加入淸渣劑(除去雜質(zhì))，接著通入高純氮?dú)饩珶?min ;最后倒入澆包，靜置f 5min后，除渣并澆鑄成錠；即得常規(guī)鎳鋁青銅。本對比例的鎳鋁青銅經(jīng)光譜實際測量成分為4. 54% Ni,8. 84%A1,1.20% Mn，5. 05% Fe,O. 44%Zn，余量為銅和少量雜質(zhì)元素。
本對比例的鎳鋁青銅組織粗大(圖2)，其硬度(HV)為212. 125HV，按國標(biāo)GB10124-88 (均勻腐蝕試驗方法)，其在3. 5% NaCl (試驗溫度為20°C )溶液中的均勻腐蝕速率為O. 02424 mm/a，在高頻往復(fù)摩擦磨損試驗條件下，與Si3N4球?qū)δr，在空氣中的干摩擦系數(shù)為O. 0272，在3. 5%NaCl溶液中的濕摩擦系數(shù)為O. 0251。
以上僅列出了幾個常見鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅的配比及制造方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)上述實施例，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各組份的配比并嚴(yán)格按上述步驟進(jìn)行制造，即可獲得理想的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅，其特征在于它包括 鈧(Sc)，質(zhì)量百分比為O. 025 O. 078% ； 鋯(Zr)，質(zhì)量百分比為O. 028 O. 082% ； 鍶(Sr)，質(zhì)量百分比為O. 012 O. 057% ； 鎳招青銅，余量； 各組份的質(zhì)量百分比之和為100%; 所述的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化能凈化熔體、細(xì)化組織、阻礙晶粒長大、生成強(qiáng)化合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅的制備方法，其特征在于 首先，將鎳鋁青銅熔化后，依次加入Al-Sr中間合金、Al-Zr中間合金和純Sc，在添加過程中必須按所列次序添加，即必須等前一種中間合金熔化后再加入后一種中間合金或待添加的金屬； 其次,待全部熔化后,加入淸渣劑(除去雜質(zhì)),接著通入高純氮?dú)饩珶挘? 最后，倒入澆包，靜置后除渣并澆鑄成錠； 即可獲得鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是所述的Al-Sr中間合金中Sr的質(zhì)量百分比為8. 901% 10. 879%, Al-Zr中間合金中Zr的質(zhì)量百分比為3. 699% 4. 521%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征是所述的Al-Sr中間合金中Sr的最佳質(zhì)量百分比為9. 89%，Al-Zr中間合金中Zr的最佳質(zhì)量百分比為4. 11%。
全文摘要
一種鈧、鋯和鍶復(fù)合微合金化的鎳鋁青銅及制備方法，其特征是它包括鈧(Sc)(0.025~0.078%)、鋯(Zr)(0.028~0.082%)、鍶(Sr)(0.012~0.057%)和余量的鎳鋁青銅。它的制備方法為首先，將鎳鋁青銅熔化后，依次加入Al-Sr中間合金、Al-Zr中間合金和純Sc；其次，加入淸渣劑，接著通入高純氮?dú)饩珶?；最后，倒入澆包，靜置后除渣并澆鑄成錠。與常規(guī)鎳鋁青銅相比，本發(fā)明具有組織細(xì)小、致密，其硬度提高13.4％，在3.5%NaCl溶液中的均勻腐蝕速率降低5.2％，并且摩擦系數(shù)顯著下降，在海上艦船螺旋槳、海水泵、海上石油平臺、海水管路系統(tǒng)、機(jī)械模具以及在高速、高壓和高溫下工作的軸承、襯套、渦輪等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C22C1/03GK102912181SQ201210417859
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者許曉靜, 王宏宇, 陳樹東, 潘勵, 楚滿軍, 何峰林, 何峰明, 丁志紅 申請人:江蘇大學(xué)