CN101381824A - 一种管用多元铝青铜合金新材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种管用多元铝青铜合金新材料，其成分Al：4.0～10.0wt％，Fe：1.0～4.5wt％，Mn：1.0～4.5wt％，Ni：0.8～4.0wt％，其余组分为Cu和不可避免的杂质；其铸态下的抗拉强度380MPa以上、屈服强度179MPa以上、屈强比0.47以上、延伸率26.2％以上，退火态下的抗拉强度523MPa以上、屈服强度282MPa以上、屈强比0.54以上、延伸率41.2％以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01～0.04mm/a。该铜合金具有优越的性能，特别适合高海水流速环境，是制造海水淡化冷凝器设备、船舶海水冷凝器设备、滨海发电厂冷凝器的最佳材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜合金，尤其涉及一种低成本、高强度、耐海水腐蚀性能优良的铝青铜合金材料，属于有色金属技术领域。
背景技术
铝青铜合金具有优异的物理化学性能、机械性能、耐腐蚀耐磨性能，是一类综合性能优良的工程材料，因而在民用、军用工业中占有非常重要的地位，被广泛应用于机械工业、船舶和海洋工业、家电工业、石化工业、电气工业及建筑工业等场合中工作的结构零件、耐磨件及耐腐蚀件等。
目前世界各国用于冷凝器的耐腐蚀材料一直采用加As锡黄铜、加As铝黄铜以及含10％和30％镍的白铜，还有使用钛合金和不锈钢。
但随着海水水质的不断恶化，现有的冷凝器的耐腐蚀材料不能完全满足要求，如现用铜合金存在着强度偏低、耐冲刷腐蚀性能较差的缺点，而钛合金和不锈钢则存在着海洋生物污染严重的问题。另外，海水淡化设备、船舶和滨海电厂对高强耐蚀的铜管一直存在着迫切的要求。目前我国已开发出加Al的HSn70-1A-0.05锡黄铜，加Ni和B的HA177-2A-0.5铝黄铜等，同时也开发出了污染的淡水发电厂用的HSn-70-1B合金。美国Olin公司开发出Zn(25～35wt％)-Ni(2.5～3.5wt％)-As(0.03～0.06wt％)余量为铜的含镍含砷的黄铜。日本开发出Zn(10～40wt％)-P(0.005～0.07wt％)-Sn(0.05～1.0wt％)-Al(0.05～1.0wt％)-As(0.005～1.0wt％)-Sb(0.005～1.0wt％)的铜合金，添加B、Ni、Co、Cr、Mn、Te、In、Be、Ti中的一种或几种元素，其添加总量为0.005～2.0wt％，余量为铜。波兰有色金属研究院开发出了Ni、Cr、Mn改善的铝黄铜。
上述公开的铜合金，虽然能适应一定的工作环境，为铜合金的性能改进做出了贡献，但就合金耐海水腐蚀、耐冲刷腐蚀来说，仍存在着问题。例如，锡黄铜和铝黄铜存在强度偏低、耐冲刷腐蚀性能较差的问题，这就限制了海水在冷凝器中的流速要在3m/s以下使用，大大降低了设备的效率。
而目前在海水环境中使用的管束材料主要有铝黄铜(典型代表是：C68700，其成分为76～79wt％Cu、1.8～2.5wt％Al，余量为Zn)，锡黄铜(典型代表是：C44300，其成分为70～73wt％Cu、0.8～1.2wt％Sn、0.06wt％Fe、0.02～0.06As，余量为Zn)，镍白铜(典型代表是：C70600，其成分为9.0～11wt％Ni、1.0～1.8wt％Fe、1.0wt％Mn、1.0wt％Zn，余量为Cu；C71500，其成分为29～33wt％Ni、0.4～0.7wt％Fe、1.0wt％Mn、1.0wt％Zn，余量为Cu)，不锈钢(典型代表是1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10和00Cr18Ni12Mo2)和钛合金(典型代表是TA2)等。
以上的管束材料在海水腐蚀环境中使用的局限和不足是：铝黄铜和锡黄铜存在强度偏低、脱合金成分腐蚀(脱锌、脱铝)和冲刷腐蚀严重的问题；镍白铜存在成本高、加工较为困难的缺陷；钛合金和不锈钢存在成本较高、海洋生物污染严重的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种低成本、高强度、高屈强比的管用多元铝青铜合金，该铜合金具有优良的耐腐蚀性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种管用多元铝青铜合金新材料，其成分的质量百分含量如下——
Al 4.0～10.0wt％，
Fe 1.0～4.5wt％，
Mn 1.0～4.5wt％，
Ni 0.8～4.0wt％，
该铜合金其余组分为Cu和不可避免的杂质。
进一步地，上述的一种管用多元铝青铜合金新材料，所述铜合金在铸态下的抗拉强度为380MPa以上、屈服强度为179MPa以上、屈强比为0.47以上、延伸率在26.2％以上。
更进一步地，上述的一种管用多元铝青铜合金新材料，所述铜合金在退火态下的抗拉强度为523MPa以上、屈服强度为282MPa以上、屈强比为0.54以上、延伸率为41.2％以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01～0.04mm/a。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明铜合金具有很好的强度、高的屈强比及优良的耐蚀性能，其铸态下的抗拉强度为380MPa以上、屈服强度为179MPa以上、屈强比为0.47以上、延伸率在26.2％以上，退火态下的抗拉强度为523MPa以上、屈服强度为282MPa以上、屈强比为0.54以上、延伸率为41.2％以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01～0.04mm/a；
②该合金与铝黄铜、锡黄铜及镍白铜一样，具有比不锈钢和钛合金强的抗海洋生物污染的能力；铜离子等的存在抑制了海洋生物的滋生和生长，减少了设备的维修次数，降低工人的劳动强度，提高设备的利用率；
③此铜合金生产成本低、管壁薄、导热性能好，特别适合于高海水流速环境，是制造海水淡化冷凝器设备、船舶海水冷凝器设备、滨海发电厂冷凝器的最佳材料，显著降低冷凝器管束材料的成本，产生了良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
本发明根据高海水流速环境下工作的海水淡化冷凝器设备、船舶海水冷凝器设备、滨海发电厂冷凝器设备工作特点，研制一种新型管束铜合金材料，该铜合金具有良好的机械性能和耐海水腐蚀性能，还同时具备高强度、高屈强比和优良的耐腐蚀性能。
采用了多元合金化的原则：铝元素固溶于铜中，在合金表面形成氧化铝保护膜，提高合金的耐腐蚀性能，此外，添加Al元素还提高合金的流动性和铸件表面质量。锰元素使青铜合金的强度得到提高，当含锰量增加时，强度大幅度增加而塑性降低不多。当青铜合金中的铁达到一定值时，就会形成K相化合物，凝固时K相以细小质点为结晶核心，细化晶粒，从而提高青铜合金的强度、硬度和耐蚀性。Ni的作用是提高耐蚀性、防止“缓冷脆性”和细化晶粒。正是由于多元合金化的作用，使得本发明铜合金基体上弥散分布着多种高强度相的质点，从而使该铜合金的机械性能大大优于一般铝青铜，特别在海水环境下表现出较高的耐腐蚀性能。
本发明管用多元铝青铜合金的成分含量是，Al：4.0～10.0wt％，Fe：1.0～4.5wt％，Mn：1.0～4.5wt％，Ni：0.8～4.0wt％，其余组分为Cu和不可避免的杂质。
此铜合金材料的铸坯可以在常规的熔炼和铸造设备上获得。采用“铸造—热轧—冷轧”的方法在常规设备上获得板材，还可采用“铸造—热挤—冷轧—拉伸”的方法在常规设备上获得管材，两种工艺所获得的不同规格的材料，其性能一致。
铜合金的退火态组织基体为塑性很好的α相，其上又均匀地分布着硬度极高的K相颗粒，形成了良好的耐腐蚀组织，所以本发明合金通过形变热处理就可使其性能得到调整和全面提高。
本发明合金的铸态性能、热处理后的性能与锡黄铜(热处理态)、铝黄铜(热处理态)、镍白铜(热处理态)性能进行对比，如表1所示。
表1
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rm/MPa | 屈强比 | 延伸率A/％ | 均匀腐蚀速率mm/a | |
| 本发明(铸态) | 380 | 179 | 0.47 | 26.2 | —— |
| 本发明(热处理态) | 523 | 282 | 0.54 | 41.2 | 0.01～0.04 |
| 铝黄铜 | 392 | 150 | 0.38 | 40 | 0.02～0.18② |
| 锡黄铜 | 365 | 152 | 0.42 | 65 | 0.0075～0.10① |
| 镍白铜(B10-1-1) | 290 | 90 | 0.31 | 30 | 0.01～0.0164① |
| 镍白铜(B30-1-1) | 360 | 120 | 0.33 | 30 | 0.03～0.13① |
表中：上标①表示数据来源于《工程材料实用手册》(第2版)；
上标②表示数据来源于《材料腐蚀与防护》。
从表1中可以看出，本发明合金的抗拉强度是铝黄铜的1.33倍，是锡黄铜的1.43倍，是镍白铜(B10-1-1)的1.80倍，是镍白铜(B30-1-1)的1.45倍。本发明合金的屈服强度是铝黄铜的1.88倍，是锡黄铜的1.86倍，是镍白铜(B10-1-1)的3.13倍，是镍白铜(B30-1-1)的2.35倍。本发明合金的合金的屈强比是铝黄铜的1.42倍，是锡黄铜的1.29倍，是镍白铜(B10-1-1)的1.74倍，是镍白铜(B30-1-1)的1.64倍。本发明合金的延伸率分别是铝黄铜的1.03倍，是锡黄铜的0.63倍，是镍白铜(B10-1-1)的1.37倍，是镍白铜(B30-1-1)的1.37倍。本发明合金的静海水中的耐腐蚀性能与现用的铝黄铜、锡黄铜、镍白铜(B10-1-1)及镍白铜(B30-1-1)相当。
另外，本发明合金与铝黄铜、锡黄铜及镍白铜一样，具有比不锈钢和钛合金强的抗海洋生物污染的能力。由于铜离子等的存在抑制了海洋生物的滋生和生长，这样减少设备的维修次数，降低工人的劳动强度，提高设备的生产效率。实施应用，将可降低冷凝器管束材料的成本，提高设备利用率、减轻工人的劳动强度，产生良好的经济、社会效益。
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
实施例1：
将原料按照质量百分比：Al 7.2wt.％，Fe 4.5wt.％，Mn 1.0wt.％，Ni2.6wt.％，其余组分为Cu和不可避免的杂质。值得注意的是，在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Al：7％，Fe：4％，Mn：3.5％，Ni：1.5％，在配料的过程中应给予补足。在中频感应电炉中熔炼，立式半连铸铸造成锭坯。铣面之后放在加热炉中加热到900℃，保温一定时间后在热轧机上进行热轧处理，制成轧态板坯。表面处理后经多道次冷轧至2mm厚的板材，随后进行终态热处理，获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
对本实施例合金铸态和热处理后材料进行性能测试，结果见表2。
表2
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rm/MPa | 屈强比 | 延伸率A/％ | 腐蚀速率mm/a | |
| 铸态 | 402 | 192 | 0.48 | 27.3 | —— |
| 热处理态 | 526 | 295 | 0.56 | 42.5 | 0.01 |
实施例2：
将原料按照质量百分：Al 5.8wt.％，Fe 1.0wt.％，Mn 4.5wt.％，Ni 3.2wt.％，其余组分为Cu和不可避免的杂质。值得注意的是，在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Al：8％，Fe：3％，Mn：3.2％，Ni：1.7％，在配料的过程中应给予补足。在中频感应电炉中熔炼，立式半连铸铸造成锭坯。铣面之后放在加热炉中加热到900℃，保温一定时间后在热轧机上进行热轧处理，制成轧态板坯。表面处理后经多道次冷轧至2mm厚的板材，随后进行终态热处理，获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
对本实施例合金铸态和热处理后材料进行性能测试，结果见表3。
表3
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rm/MPa | 屈强比 | 延伸率A/％ | 腐蚀速率mm/a | |
| 铸态 | 400 | 192 | 0.48 | 27.1 | —— |
| 热处理态 | 529 | 299 | 0.57 | 41.5 | 0.022 |
实施例3：
将原料按照质量百分：Al 10.0wt.％，Fe 3.2wt.％，Mn 2.5wt.％，Ni 0.8wt.％，其余组分为Cu和不可避免的杂质。值得注意的是，在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Al：7.4％，Fe：3.5％，Mn：3.9％，Ni：1.4％，在配料的过程中应给予补足。在中频感应电炉中熔炼，立式半连铸铸造成锭坯。铣面之后放在加热炉中加热到900℃，保温一定时间后在热轧机上进行热轧处理，制成轧态板坯。表面处理后经多道次冷轧至2mm厚的板材，随后进行终态热处理，获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
对本实施例合金铸态和热处理后材料进行性能测试，结果见表4。
表4
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rm/MPa | 屈强比 | 延伸率A/％ | 腐蚀速率mm/a | |
| 铸态 | 385 | 185 | 0.48 | 26.5 | —— |
| 热处理态 | 527 | 290 | 0.55 | 41.3 | 0.025 |
实施例4：
将原料按照质量百分：Al 4.0wt.％，Fe 3.5wt.％，Mn 2.5wt.％，Ni 4.0wt.％，其余组分为Cu和不可避免的杂质。值得注意的是，在合金的熔炼过程中，各个元素均有不同程度的烧损，其烧损率Al：7.9％，Fe：3.6％，Mn：3.2％，Ni：1.3％，在配料的过程中应给予补足。在中频感应电炉中熔炼，立式半连铸铸造成锭坯。铣面之后放在加热炉中加热到900℃，保温一定时间后在热轧机上进行热轧处理，制成轧态板坯。表面处理后经多道次冷轧至2mm厚的板材，随后进行终态热处理，获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
对本实施例合金铸态和热处理后材料进行性能测试，结果见表5。
表5
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度Rm/MPa | 屈强比 | 延伸率A/％ | 腐蚀速率mm/a | |
| 铸态 | 384 | 188 | 0.49 | 26.3 | —— |
| 热处理态 | 525 | 294 | 0.56 | 41.5 | 0.027 |
综上所述，此铜合金具有很好的强度、高的屈强比及优良的耐蚀性能，生产成本低、管壁薄、导热性能好；特别适用于高海水流速环境，是制造海水淡化冷凝器设备、船舶海水冷凝器设备、滨海发电厂冷凝器的最佳材料，较好实现在海水中安全、稳定、长期工作。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (3)
1.一种管用多元铝青铜合金新材料，其特征在于：其成分的质量百分含量如下——
Al 4.0～10.0wt％，
Fe 1.0～4.5wt％，
Mn 1.0～4.5wt％，
Ni 0.8～4.0wt％，
该铜合金其余组分为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种管用多元铝青铜合金新材料，其特征在于：所述铜合金在铸态下的抗拉强度为380MPa以上、屈服强度为179MPa以上、屈强比为0.47以上、延伸率在26.2％以上。
3.根据权利要求1所述的一种管用多元铝青铜合金新材料，其特征在于：所述铜合金在退火态下的抗拉强度为523MPa以上、屈服强度为282MPa以上、屈强比为0.54以上、延伸率为41.2％以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01～0.04mm/a。
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