CN117340173B - 抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金制备领域，具体涉及一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法。本发明公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，包括如下步骤：S1、对镍铜铸锭坯料表面喷丸处理，后浸入盐酸酸洗；S2、将酸洗后的镍铜铸锭坯料加热；S3、对镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层，后干燥和冷却；S4、将镍铜铸锭坯料升温加热至开锻温度并保温处理；S5、保温处理后进行锻造处理。本发明的方法解决了镍铜合金锻造过程中因存在氧化反应而导致的极易开裂问题，提高了镍铜合金的质量，可应用于高质量、无裂纹镍铜合金的工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及合金制备技术领域，尤其涉及一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法。
背景技术
以Ni-Cu合金为代表的耐蚀合金具有金属银一样的光泽，且不易被锈蚀，所以早期被用于制备珠宝首饰和一些精美的器具。随着工业技术的发展与进步，这种合金的其它优异性能也逐渐被发掘出来，并被命名为莫奈尔合金（Monel alloy）。Ni-Cu合金中在还原性介质中耐蚀性优于镍，在氧化性介质中耐蚀性优于铜，该合金除了在一般环境下具有抗介质腐蚀之外，对氢氟酸、氟气、氟化氢和碱等都具有很好的耐蚀性，在天然和人造海水中耐蚀性极其优异。因此，该合金广泛应用于航空航天、核能、石油、化工和海上装备等领域。
镍铜合金在锻造过程中存在开裂的问题，该问题一般认为是锻造工艺不合理或者合金成分含有杂质等因素导致的，然而通过扫描电子显微镜和X射线能量色谱仪（SEM-EDS）相结合的方式对Ni-Cu合金在高温锻造后产生的裂纹及附近区域进行微观形貌的观察和元素分析发现：Ni-Cu合金在裂纹萌生初期基体上有“水滴”状形成（如附图1所示），而且该“水滴”状区域除含有Ni和Cu成分外，Al和O成分的含量也明显增加（如下表1）；如附图2所示，Ni-Cu合金的裂纹完全形成后，裂纹处已不含Ni和Cu成分而仅含有较高含量的Al和O成分（如下表2），由此说明Ni-Cu合金在高温情况下产生的裂纹是由于存在氧化反应而产生的，从而导致Ni-Cu合金在锻造过程中极易发生开裂。
表1 裂纹萌生初期X射线能量色谱仪测出的成分及含量
表2 裂纹完全形成后X射线能量色谱仪测出的成分及含量
基于此，需要提出一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其解决的技术问题是分析出镍铜合金锻造过程中极易发生开裂的原因并如何解决该问题。
本发明实施例公开了一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，包括如下步骤：
S1、对镍铜铸锭坯料表面进行喷丸处理，后浸入盐酸酸洗预定时间；
S2、将酸洗后的所述镍铜铸锭坯料加热至预定温度；
S3、采用刷涂工艺对所述镍铜铸锭坯料表面涂抹预定厚度的玻璃防护涂层，涂抹后进行干燥和冷却，所述玻璃防护涂层由玻璃粉和粘合剂混匀制得，所述玻璃粉的成分按质量百分比计为：SiO2：20～50%，Al2O3：1～5%，Na2O：10～30%，CaO：2～8%，MgO：0～8%，BaO：0～12%，Li2O：1～3%，ZrO2≥3%；
S4、将干燥后并冷却至室温的所述镍铜铸锭坯料放入电加热炉，在惰性气体氛围下升温加热至开锻温度并进行保温处理；
S5、保温处理后取出所述镍铜铸锭坯料进行锻造处理。
根据本发明的一个实施例，所述镍铜铸锭坯料中的成分按质量百分比计为：C≤0.3%，Si≤0.5%，Mn≤1.60%，P≤0.005%、S≤0.005%，Ti：0.30%～0.90%，Al：2.30%～3.15%，Cu：27%～33%，余量为镍及杂质。
根据本发明的一个实施例，所述镍铜铸锭坯料经过真空感应、电渣重熔和真空自耗过程制得。
根据本发明的一个实施例，所述盐酸的质量百分比浓度为5～20%，所述盐酸的温度为50℃～70℃，所述酸洗的预定时间≥15min。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，将酸洗后的所述镍铜铸锭坯料加热至70～100℃。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中：若对所述镍铜铸锭坯料进行精锻处理，则涂抹所述玻璃防护涂层的所述预定厚度≥100μm；若对所述镍铜铸锭坯料进行模锻或自由锻处理，则涂抹所述玻璃防护涂层的所述预定厚度≥200μm。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中：对所述镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层的过程包括：使得第一遍涂抹的涂层覆盖所述镍铜铸锭坯料的底色，待第一遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第二遍，待第二遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第三遍，直至第N遍涂抹后的所述玻璃防护涂层的厚度达到所述预定厚度。
根据本发明的一个实施例，所述玻璃粉和所述粘合剂之间的质量配比为1：0.8～1，所述粘合剂包括质量分数为30%的甲基纤维素溶液和质量分数为70%的水，其中所述甲基纤维素溶液的质量百分比浓度为2%。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，所述惰性气体为氮气，所述开锻温度≥1150℃，所述升温加热至开锻温度的升温速率≥5℃/min，所述保温处理的保温时间≤3h。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S5中，所述锻造处理的变形量≤50%，所述锻造处理的终锻温度≥850℃。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，通过在锻造处理前对镍铜铸锭坯料进行喷丸处理、酸洗及对镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层处理，后在惰性气体氛围下进行升温加热至开锻温度，有效避免了镍铜合金在高温锻造过程中由于发生氧化反应而引起的开裂问题，有利于解决工业化生产下镍铜合金锻造过程中开裂的问题，且获得的镍铜合金内部质量良好，无其他缺陷。同时，为了增加玻璃防护涂层的耐高温性，玻璃防护涂层中添加质量百分数不低于3%的ZrO2，有效保证了在镍铜合金锻造过程中玻璃防护涂层对外界氧气的有效隔绝，从而有效避免出现因玻璃防护涂层的耐高温性低而导致的隔绝效果差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为镍铜合金锻造过程中裂纹萌生初期的扫描电子显微镜下的微观形貌图；
图2为镍铜合金锻造过程中裂纹完全形成的扫描电子显微镜下的微观形貌图；
图3为本发明一实施例公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法流程示意图；
图4为对比例获得的镍铜合金表面的组织图；
图5为实施例获得的镍铜合金表面的组织图；
图6为对比例获得的镍铜合金和实施例获得的镍铜合金各自的宏观形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图1和图2所示，图1示出了镍铜合金锻造过程中裂纹萌生初期的扫描电子显微镜下的微观形貌图；图2示出了镍铜合金锻造过程中裂纹完全形成的扫描电子显微镜下的微观形貌图，由此分析出镍铜合金在锻造过程中发生了开裂，同时通过上述扫描电子显微镜图和X射线能量色谱仪元素分析相结合的方式分析出了镍铜合金锻造过程中发生开裂的原因，基于上述分析本发明提出了一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法。
如图3所示，本发明一实施例公开了一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，包括如下步骤：
S1、对镍铜铸锭坯料表面进行喷丸处理，后浸入盐酸酸洗预定时间；
S2、将酸洗后的镍铜铸锭坯料加热至预定温度；
S3、采用刷涂工艺对镍铜铸锭坯料表面涂抹预定厚度的玻璃防护涂层，涂抹后进行干燥和冷却，玻璃防护涂层由玻璃粉和粘合剂混匀制得，玻璃粉的成分按质量百分比计为：SiO2：20～50%，Al2O3：1～5%，Na2O：10～30%，CaO：2～8%，MgO：0～8%，BaO：0～12%，Li2O：1～3%，ZrO2≥3%；
S4、将干燥后并冷却至室温的所述镍铜铸锭坯料放入电加热炉，在惰性气体氛围下升温加热至开锻温度并进行保温处理；
S5、保温处理后取出所述镍铜铸锭坯料进行锻造处理。
在本发明实施例中，对镍铜铸锭坯料表面进行喷丸处理可以除去坯料表面的氧化物，通过喷丸处理也可以增加后续涂抹的玻璃防护涂层与镍铜铸锭坯料之间的结合力；后在盐酸中酸洗可以进一步除去坯料表面的氧化物和坯料表面的油污。在步骤S4中，在惰性气体氛围下升温加热至开锻温度也有利于避免镍铜铸锭坯料在加热的过程中发生氧化。
本发明实施例通过在锻造处理前对镍铜铸锭坯料进行喷丸处理、酸洗及对镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层处理，后在惰性气体氛围下进行升温加热至开锻温度，有效避免了镍铜合金由于高温氧化引起的开裂问题，有利于解决工业化生产下镍铜合金锻造过程中开裂的问题；另外，为了增加玻璃防护涂层的耐高温性，玻璃防护涂层中添加质量百分数不低于3%的ZrO2，有效保证了在镍铜合金锻造过程中玻璃防护涂层对外界氧气的隔绝，从而有效避免出现因玻璃防护涂层的耐高温性低而导致的隔绝效果差的问题。
在一些实施例中，镍铜铸锭坯料中的成分按质量百分比计为：C≤0.3%，Si≤0.5%，Mn≤1.60%，P≤0.005%、S≤0.005%，Ti：0.30%～0.90%，Al：2.30%～3.15%，Cu：27%～33%，余量为镍及杂质。
在一些实施例中，镍铜铸锭坯料经过真空感应、电渣重熔和真空自耗过程制得。在该实施例中，通过真空自耗步骤可以除去合金内的气体成分及有害元素，可制得组织致密、成分均匀的镍铜铸锭坯料，有利于有效地控制镍铜铸锭坯料的内部质量及外表面质量。
在一些实施例中，盐酸的质量百分比浓度为5～20%，盐酸的温度为50℃～70℃，酸洗的预定时间≥15min。通过设定盐酸的温度和酸洗的时间，可以保证镍铜铸锭坯料表面的氧化物和油污的彻底去除。
在一些实施例中，在步骤S2中，将酸洗后的镍铜铸锭坯料加热至70～100℃。在该实施例中，通过将酸洗后的镍铜铸锭坯料加热至一定温度，可以防止后续在刷涂玻璃防护涂层时玻璃防护涂层的流淌或鼓泡，从而避免了因玻璃防护涂层流淌或鼓泡而导致的玻璃防护涂层不均匀、隔离效果不理想的问题，从而有利于防止镍铜合金的氧化。
在一些实施例中，在步骤S3中：若对镍铜铸锭坯料进行精锻处理，则涂抹玻璃防护涂层的预定厚度≥100μm；若对镍铜铸锭坯料进行模锻或自由锻处理，则涂抹玻璃防护涂层的预定厚度≥200μm。在该实施例中，根据不同的热加工工艺选择涂抹玻璃防护涂层的厚度，可以保证在不同的热加工工艺下涂抹的玻璃防护涂层均具有良好的防护和隔离效果，从而有效防止镍铜合金在锻造过程中的氧化。
在一些实施例中，在步骤S3中：对镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层的过程包括：使得第一遍涂抹的涂层覆盖所述镍铜铸锭坯料的底色，待第一遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第二遍，待第二遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第三遍，直至第N遍涂抹后的所述玻璃防护涂层的厚度达到预定厚度。在该实施例中，有利于保证玻璃防护涂层在镍铜铸锭坯料表面上的均匀程度，可以有效避免因玻璃防护涂层在镍铜铸锭坯料表面上不同区域厚度不均匀而导致的防护和隔离效果差的问题，有利于强化玻璃防护涂层的防护和隔离作用，从而减少镍铜合金在锻造过程中的氧化情况。
在一些实施例中，玻璃粉和粘合剂之间的质量配比为1：0.8～1，粘合剂包括质量分数为30%的甲基纤维素溶液和质量分数为70%的水，其中甲基纤维素溶液的质量百分比浓度为2%。在该实施例中，通过设置玻璃粉和粘合剂之间的质量配比及选择合适的粘合剂，有利于保证制得的玻璃防护涂层成分分散均匀，并使其在镍铜铸锭坯料表面具有很好的附着力。
在一些实施例中，在步骤S4中，惰性气体为氮气，开锻温度≥1150℃，升温加热至开锻温度的升温速率≥5℃/min，保温处理的保温时间≤3h。在该实施例中，氮气作为保护气体具有容易获得、成本低的优点。当温度达到开锻温度后保温时间不大于3h，可以防止镍铜铸锭坯料过烧。
在一些实施例中，在步骤S5中，锻造处理的变形量≤50%，锻造处理的终锻温度≥850℃。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
该实施例制备镍铜合金的镍铜铸锭坯料的成分按质量百分比计为：C：0.1%，Si：0.3%，Mn：1.0%，P：0.003%、S：0.003%，Ti：0.37%，Al：2.75%，Cu：30.25%，余量为镍及杂质；该实施例中的镍铜铸锭坯料经过真空感应、电渣重熔和真空自耗过程制得；采用以下流程对镍铜铸锭坯料处理并进行锻造：
1、对上述镍铜铸锭坯料表面进行喷丸处理，后浸入盐酸酸洗，盐酸的质量百分比浓度为15%，盐酸的温度为60℃，酸洗的预定时间为24min；
2、将酸洗后的镍铜铸锭坯料加热至80℃；
3、将玻璃粉和粘合剂混匀制备成玻璃防护涂料，其中玻璃粉总重量为10Kg，玻璃粉成分按质量百分比计为：SiO2：45%，Al2O3：4%，Na2O：25%，CaO：5%，MgO：4%，BaO：10%，Li2O：2%，ZrO2：5%；粘合剂总重量为10Kg，粘合剂成分按质量百分比计为：30%的甲基纤维素溶液，其余为水，其中甲基纤维素溶液的质量百分比浓度为2%：
4、采用刷涂工艺对镍铜铸锭坯料表面涂抹，使得第一遍涂抹的涂层覆盖镍铜铸锭坯料的底色，此时平均厚度50μm，待第一遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第二遍，此时平均厚度150μm，待第二遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第三遍，此时平均厚度210μm；
5、涂抹完成后干燥，后将冷却至室温的镍铜铸锭坯料放入电加热炉，在氮气氛围下，升温加热至开锻温度，其中升温速率为7℃/min，开锻温度为1160℃，并在该温度下保温时间2.5h；
6、保温处理后取出镍铜铸锭坯料，对镍铜铸锭坯料进行自由锻，锻造处理的变形量为40%，锻造处理的终锻温度为900℃。
将该实施例制备的镍铜合金取样以进行扫描电子显微镜观察并获得合金表面的组织图，参考附图5。
对比例
该对比例制备镍铜合金的镍铜铸锭坯料的成分按质量百分比计为：C：0.1%，Si：0.3%，Mn：1.0%，P：0.003%、S：0.003%，Ti：0.37%，Al：2.75%，Cu：30.25%，余量为镍及杂质；该对比例中的镍铜铸锭坯料经过真空感应、电渣重熔和真空自耗过程制得；采用以下流程对镍铜铸锭坯料进行锻造：
1、将上述镍铜铸锭坯料直接放入电加热炉，升温加热至开锻温度，其中升温速率为7℃/min，开锻温度为1160℃，并在该温度下保温时间2.5h；
2、保温处理后取出镍铜铸锭坯料，对镍铜铸锭坯料进行自由锻，锻造处理的变形量为40%，锻造处理的终锻温度为900℃。
将该对比例制备的镍铜合金取样以进行扫描电子显微镜观察并获得合金表面的组织图，参考附图4。
通过比较附图4和附图5可以得出：对未采用本发明一实施例公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法获得的镍铜合金表面存在明显的裂纹缺陷，而采用本发明一实施例公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法获得的镍铜合金表面无明显的裂纹缺陷。
如附图6所示，图6中左半侧宏观形貌图P为上述对比例获得的镍铜合金表面的宏观形貌图，图6中右半侧宏观形貌图Q为上述实施例获得的镍铜合金表面的宏观形貌图，通过比较左半侧宏观形貌图P和右半侧宏观形貌图Q，可以得出采用本发明一实施例公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法获得的镍铜合金的表面光滑平整且没有明显裂纹，而未采用本发明一实施例公开的方法获得的镍铜合金表面粗糙且有明显的裂纹。
综上所述，本发明实施例公开的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，通过在锻造处理前对镍铜铸锭坯料进行喷丸处理、酸洗及对镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层处理，后在惰性气体氛围下进行升温加热至开锻温度，有效避免了镍铜合金在高温锻造过程中由于发生氧化反应而引起的开裂问题，有利于解决工业化生产下镍铜合金锻造过程中开裂的问题，且获得的镍铜合金内部质量良好，无其他缺陷。同时，为了增加玻璃防护涂层的耐高温性，玻璃防护涂层中添加质量百分数不低于3%的ZrO2，有效保证了在镍铜合金锻造过程中玻璃防护涂层对外界氧气的有效隔绝，从而有效避免出现因玻璃防护涂层的耐高温性低而导致的隔绝效果差的问题。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对镍铜铸锭坯料表面进行喷丸处理，后浸入盐酸酸洗预定时间，所述预定时间≥15min；
S2、将酸洗后的所述镍铜铸锭坯料加热至预定温度，所述预定温度为70～100℃；
S3、采用刷涂工艺对所述镍铜铸锭坯料表面涂抹预定厚度的玻璃防护涂层，涂抹后进行干燥和冷却，所述玻璃防护涂层由玻璃粉和粘合剂混匀制得，所述玻璃粉的成分按质量百分比计为：SiO2：20～50%，Al2O3：1～5%，Na2O：10～30%，CaO：2～8%，MgO：0～8%，BaO：0～12%，Li2O：1～3%，ZrO2≥3%，若对所述镍铜铸锭坯料进行精锻处理，则涂抹所述玻璃防护涂层的所述预定厚度≥100μm；若对所述镍铜铸锭坯料进行模锻或自由锻处理，则涂抹所述玻璃防护涂层的所述预定厚度≥200μm；
S4、将干燥后并冷却至室温的所述镍铜铸锭坯料放入电加热炉，在惰性气体氛围下升温加热至开锻温度并进行保温处理；
S5、保温处理后取出所述镍铜铸锭坯料进行锻造处理。
2.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，所述镍铜铸锭坯料中的成分按质量百分比计为：C≤0.3%，Si≤0.5%，Mn≤1.60%，P≤0.005%、S≤0.005%，Ti：0.30%～0.90%，Al：2.30%～3.15%，Cu：27%～33%，余量为镍及杂质。
3.根据权利要求1或2所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，所述镍铜铸锭坯料经过真空感应、电渣重熔和真空自耗过程制得。
4.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，所述盐酸的质量百分比浓度为5～20%，所述盐酸的温度为50℃～70℃。
5.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，在所述步骤S3中：对所述镍铜铸锭坯料表面涂抹玻璃防护涂层的过程包括：使得第一遍涂抹的涂层覆盖所述镍铜铸锭坯料的底色，待第一遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第二遍，待第二遍涂抹的涂层干燥后再涂抹第三遍，直至第N遍涂抹后的所述玻璃防护涂层的厚度达到所述预定厚度。
6.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，所述玻璃粉和所述粘合剂之间的质量配比为1：0.8～1，所述粘合剂包括质量分数为30%的甲基纤维素溶液和质量分数为70%的水，其中所述甲基纤维素溶液的质量百分比浓度为2%。
7.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述惰性气体为氮气，所述开锻温度≥1150℃，所述升温加热至开锻温度的升温速率≥5℃/min，所述保温处理的保温时间≤3h。
8.根据权利要求1所述的抑制镍铜合金锻造过程中开裂的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述锻造处理的变形量≤50%，所述锻造处理的终锻温度≥850℃。
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| GR01 | Patent grant | ||
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