CN101967579A - 一种含Ti多元铝青铜合金新材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其成分Al:5.0~7.0wt%,Fe:2.0~3.0wt%,Mn:1.5~3.5wt%,Ni:2.0~3.5wt%,Ti:0.05~0.5wt%,其余组分为Cu和不可避免的杂质。其退火态下的抗拉强度550MPa以上、屈服强度325MPa以上、延伸率30%以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、耐冲刷腐蚀速率在3m/s的流速时为0.05~0.06mm/a、在5m/s的流速时为0.10~0.13mm/a。该铜合金具有优异的性能,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、滨海发电厂冷凝器设备的最佳材料。
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铜管一直有迫切要求。目前我国已开发出加Al的HSn70-1A-0.05锡黄铜,加Ni和B的HAl77-2A-0.5铝黄铜等,同时也开发出了污染的淡水发电厂用的HSn70-1B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,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;C71640),不锈钢(典型代表是1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10和00Cr18Ni12Mo2)和钛合金(典型代表是TA2)等。
上述所述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、高强度的含Ti多元铝青铜合金,该铝青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:
一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其成分的质量百分含量如下:
Al 5.0~7.0%,
Fe 2.0~3.0%,
Mn 1.5~3.5%,
Ni 2.0~3.5%,
Ti 0.05~0.5%,
该铜合金其余组分为Cu和不可避免的杂质。
进一步地,上述的一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其中,所述含Ti多元铝青铜合金新材料在退火态下的抗拉强度为550MPa以上、屈服强度为325MPa以上、延伸率为30%以上。
更进一步地,上述的一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其中,所述含Ti多元铝青铜合金新材料浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、耐冲刷腐蚀速率在3m/s的流速时为0.05~0.06mm/a、在5m/s的流速时为0.10~0.13mm/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本发明铝青铜合金具有很好的强度、优良的耐蚀性能,其退火态下的抗拉强度为550MPa以上、屈服强度为325MPa以上、延伸率为30%以上、全浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、全浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、耐冲刷腐蚀速率在3m/s的流速时为0.05~0.06mm/a、在5m/s的流速时为0.10~0.13mm/a;
②该铝青铜合金与铝黄铜、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该铝青铜合金生产成本低、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、滨海发电厂冷凝器设备的最佳材料,可显著降低冷凝器管束材料的成本,产生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。
本发明一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其成分的质量百分含量为:Al 5.0~7.0%,Fe 2.0~3.0%,Mn 1.5~3.5%,Ni 2.0~3.5%,Ti 0.05~0.5%,该铜合金其余组分为Cu和不可避免的杂质。
上述含Ti多元铝青铜合金新材料在退火态下的抗拉强度为550MPa以上、屈服强度为325MPa以上、延伸率为30%以上。含Ti多元铝青铜合金新材料浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、耐冲刷腐蚀速率在3m/s的流速时为0.05~0.06mm/a、在5m/s的流速时为0.10~0.13mm/a。
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。
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“锋造-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。
本发明铝青铜合金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
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1.40倍,是锡黄铜的1.51倍,是镍白铜(B10-1-1)的1.90倍,是镍白铜(B30-1-1)的1.53倍。本发明合金的屈服强度是铝黄铜的2.17倍,是锡黄铜的2.14倍,是镍白铜(B10-1-1)的3.61倍,是镍白铜(B30-1-1)的2.70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。本发明合金的耐海水冲刷腐蚀速率比镍白铜(B10-1-1)低。
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,产生良好的经济和社会效益。
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 6.0wt.%,Fe 3.0wt.%,Mn 1.5wt.%,Ni3.0wt.%,Ti 0.05%,其余组分为Cu和不可避免的杂质。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。同时将半连铸铸造圆坯经车皮后,放在加热炉中加热到980℃,保温一定时间后在挤压机上进行挤压获得特定规格的管坯,表面处理并经过多道次拉拔及进行最终热处理,获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
实施例2:
将原料按照质量百分:Al 7.0wt.%,Fe 2.0wt.%,Mn 2.8wt.%,Ni 3.5wt.%,Ti 0.15wt.%其余组分为Cu和不可避免的杂质。实验材料制备与工艺过程与实施例1相同,获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
实施例3:
将原料按照质量百分:Al 5.0wt.%,Fe 2.5wt.%,Mn 3.5wt.%,Ni 2.0wt.%,Ti 0.3wt.%,其余组分为Cu和不可避免的杂质。实验材料制备与工艺过程与实施例1相同,获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
实施例4:
将原料按照质量百分:Al 7.0wt.%,Fe 3.0wt.%,Mn 2.2wt.%,Ni 2.0wt.%,Ti 0.5wt.%,其余组分为Cu和不可避免的杂质。实验材料制备与工艺过程与实施例1相同,获得组织性能优异的高强耐蚀合金材料。
对实施例1~4合金热处理后材料进行性能测试,结果见表2。
表2本发明合金经热处理后的性能
综上所述,此铜合金具有很好的强度、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、滨海发电厂冷凝器设备的最佳材料,较好实现在海水中安全、稳定、长期工作。
需要理解到的是:以上所述仅是本发明的优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种含Ti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 5.0~7.0%,
Fe 2.0~3.0%,
Mn 1.5~3.5%,
Ni 2.0~3.5%,
Ti 0.05~0.5%,
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所述的一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其特征在于:所述含Ti多元铝青铜合金新材料在退火态下的抗拉强度为550MPa以上、屈服强度为325MPa以上、延伸率为30%以上。
3.根据权利要求1所述的一种含Ti多元铝青铜合金新材料,其特征在于:所述含Ti多元铝青铜合金新材料浸均匀腐蚀速率在0.01~0.02mm/a、耐冲刷腐蚀速率在3m/s的流速时为0.05~0.06mm/a、在5m/s的流速时为0.10~0.13mm/a。
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