CN102644004A

CN102644004A - 一种高强度铜镍合金及其制备工艺

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Publication number: CN102644004A
Application number: CN2012101269675A
Authority: CN
Inventors: 李党国; 陈大融; 汪家道
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN102644004B

Abstract

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将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熔炼熔化后依次加入占原料总重量2％-5％的Al、0.3％-0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280-1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却；最后热处理炉内保温进行固熔处理，得到重量百分比为：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的铜镍合金，本发明具有很高的强度和韧性，抗拉强度和屈服强度约为现有B30铜镍合金的抗拉和屈服强度的2-3倍。

Description

一种高强度铜镍合金及其制备工艺

技术领域

本发明涉及材料工程，特别涉及一种高强度铜镍合金及其制备工艺。

背景技术

空蚀是一种破坏力非常严重的水力现象，其发生原因是由于液体中微气泡溃灭后形成高速微射流冲击壁面，进而造成固体壁面材料严重损伤。空蚀是造成水轮机、汽轮机、风力发电机等重大能源装备运行失效的主要损伤形式，同时空蚀过程中所产生的噪声是严重制约舰船和潜艇以及鱼雷等水中兵器作战性能提高的一个主要因素。铜镍合金具有优异的耐海水腐蚀性能，其常用于舰船上管道关键部位的制造、海水泵的叶片材料以及蒸汽冷凝管的制造等。但是，目前常用的铜镍合金其力学性能不是很高，这样就限制了铜镍合金的大规模应用。特别是随着舰船、水轮机等流体机械不断向高速、大功率方向发展，对材料的综合力学性能提出了更高的要求。

空蚀过程是一种力学行为过程，其发生过程主要是由于流体中存在的空气、蒸汽微团及固体颗粒等异相介质在高速流体的低压区容易产生空化，形成空泡。当形成的空泡进人高压区后受到压缩而溃灭，便产生一种频率很高、压力很大的微射流或冲击波打击试样表面，即产生空蚀破坏。在自来水、河水和海水中含有大量的微颗粒，这些微颗粒形状各异，尺寸大小不同，这些微颗粒有可能附着在低压区形成的空泡上，当空泡在高压区破裂时形成的微射流有可能带动微颗粒一起一极高的速率打击材料表面，给材料带来严重的损伤。目前对于舰船螺旋桨来说减小空蚀发生主要有两个途径，其一是改变螺旋桨的线性结构使得空泡不易形成；其二提高材料的力学性能和抗空蚀性能。然而改变螺旋桨的线性结构可以有效地降低空泡的形成，但是不能完全消除。当提高材料的强度和韧性，夹杂着微颗粒的微射流高速打击到材料表面时，材料会发生弹性变形，这样就会吸收微射流打击表面所产生的能量，从而有效地缓解空蚀的发生。特别对于铜镍合金而言，由于铜和镍的晶格均属于面心立方结构，面心立方结构的晶体发生弹性变形的能力比其他结构晶格的能力更强，也就是说铜镍合金抗空蚀能力要比其他合金的要强。因此，提高铜镍合金的力学性能和抗空蚀性能可以有效抑制空蚀的发生。但是现有铜镍合金的强度不高，限制了其抗空蚀能力的提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高强度铜镍合金及其制备工艺，所得铜镍合金自身具有很高的强度和韧性，抗拉强度和屈服强度约为现有B30铜镍合金的抗拉和屈服强度的2-3倍。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：28％-35％的Ni，0.8％-1.5％的Mn，0.8％-1.5％的Fe，0.08％-0.7％的Ag，2％-5％的Mo和57％-65％的Cu于中频熔炼炉内1450-1520℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量2％-5％的Al、0.3％-0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280-1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内800℃-960℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本发明的制备工艺制得的耐空蚀合金重量百分比为：28～31％Ni，0.8～1.2％Fe，0.8～1.2％Mn，2～5％Al，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。

本发明所制备的铜镍合金具有非常高的强度和韧性，其抗拉强度可以达到920MPa，屈服强度可以达到680MPa，硬度HV达到314.8，延伸率达到15％左右，力学性能指标比常用铜镍合金(B30)高出约2～3倍。另外，该铜镍合金的耐腐蚀性能和抗空蚀能力比现有的舰船用螺旋桨用镍铝青铜材料提高了很多。与现有的螺旋桨用镍铝青铜材料相比，本发明具有以下突出性效果：所得铜镍合金强度远远优于常用镍铝青铜材料；同时铜镍合金的耐海水腐蚀性能优异；实际环境中的空蚀实验结果表明，此种合金的耐空蚀能力较强，空蚀过程中所产生的噪声比镍铝青铜材料要小；实际使用环境中的电化学腐蚀、空蚀和噪声实验结果表明，合金的抗空蚀性能和耐电化学腐蚀能力显著提高，同时合金空蚀过程中的噪声水平大大下降。表明该铜镍合金可以作为一种高强度的耐空蚀合金加以推广。

具体实施方式

下面提供几个具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：31％的Ni，1％的Mn，1％的Fe，0.1％的Ag，3％的Mo和59.25％的Cu于中频熔炼炉内1520℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量4％的Al、0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内900℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本实施例制备工艺制得的白铜合金重量百分比为：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。

实施例二

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：31％的Ni，1.2％的Mn，1.2％的Fe，0.12％的Ag，3％的Mo和57.83％的Cu于中频熔炼炉内1480℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量5％的Al、0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内950℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本实施例制备工艺制得的白铜合金重量百分比为：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。

实施例三

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：30％的Ni，1％的Mn，1％的Fe，0.08％的Ag，2.5％的Mo和60.87％的Cu于中频熔炼炉内1490℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量4％的Al、0.5％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1320℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内890℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本实施例制备工艺制得的白铜合金重量百分比为：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。

实施例四

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：28.5％的Ni，0.85％的Mn，0.9％的Fe，0.1％的Ag，2.5％的Mo和63.7％Cu于中频熔炼炉内1450℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量3％的Al、0.4％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1300℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内800℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本发明的制备工艺制得的耐空蚀合金重量百分比为：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。

实施例五

一种高强度铜镍合金制备工艺，首先将原料总重量百分比为：33％的Ni，1.45％的Mn，1.45％的Fe，0.12％的Ag，2.5％的Mo和58.83％Cu于中频熔炼炉内1500℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量2％的Al、0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280-1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内850℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

按照本发明的制备工艺制得的耐空蚀合金重量百分比为：31％Ni，1.2％Fe，1.2％Mn，1.7％Al，3％Mo，0.5％Ti，0.1％Ag，0.04％Ce和61.26％的Cu。

Claims

1.一种高强度铜镍合金制备工艺，其特征在于，首先将重量百分比为：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％-66％的Cu于中频熔炼炉内1450-1520℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入熔液质量2％-5％的Al、0.3％-0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280-1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内800℃-960℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

2.根据权利要求1所述的一种高强度铜镍合金制备工艺，其特征在于，首先将原料总重量百分比为：31％的Ni，1％的Mn，1％的Fe，0.1％的Ag，3％的Mo和59.25％的Cu于中频熔炼炉内1520℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量4％的Al、0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1360℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内900℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

3.根据权利要求1所述的一种高强度铜镍合金制备工艺，其特征在于，首先将原料总重量百分比为：31％的Ni，1.2％的Mn，1.2％的Fe，0.12％的Ag，3％的Mo和57.83％的Cu于中频熔炼炉内1480℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量5％的Al、0.6％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1280℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内950℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

4.根据权利要求1所述的一种高强度铜镍合金制备工艺，其特征在于，首先将原料总重量百分比为：30％的Ni，1％的Mn，1％的Fe，0.08％的Ag，2.5％的Mo和60.87％的Cu于中频熔炼炉内1490℃下熔炼，含镁量为20％的铜镁合金作为除气剂，草木灰作为覆盖剂，草木灰量以完全覆盖铜液为宜，待充分熔化后等待10分钟，然后将熔液降至1380℃后依次加入占原料总重量4％的Al、0.5％的Ti和0.05％的稀土Ce；继续降温，当温度达到1320℃时将合金熔液浇入铸铁模中，冷却至室温即可；最后对铸造所得合金在热处理炉内890℃下保温5个小时，进行固熔处理得到铜镍合金。

5.一种高强度铜镍合金，其特征在于，重量百分比为：28～31％Ni，0.8～1.2％Fe，0.8～1.2％Mn，2～5％Al，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。

6.根据权利要求5所述的一种高强度铜镍合金，其特征在于，重量百分比为：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.根据权利要求5所述的一种高强度铜镍合金，其特征在于，重量百分比为：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.根据权利要求5所述的一种高强度铜镍合金，其特征在于，重量百分比为：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。