一种新型多元高强高耐蚀铜合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种新型多元高强高耐蚀铜合金及其制备方法 (Novel multi-element high-strength high-corrosion-resistance copper alloy and preparation method thereof ) 是由 宋克兴 周延军 周志云 董绍祥 张伟 于 2019-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种新型多元高强高耐蚀铜合金及其制备方法。本发明通过微合金化手段,在铜基体中添加镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、锰(Mn)等多种合金元素,在多种元素协同作用下,实现高强度的同时,耐海水腐蚀性能大幅提高。同时,同传统B10耐蚀铜合金相比,实现了以铝代替部分镍,降低了成本。(The invention relates to a novel multielement high-strength high-corrosion-resistance copper alloy and a preparation method thereof. According to the invention, by means of microalloying, multiple alloy elements such as nickel (Ni), aluminum (Al), iron (Fe), manganese (Mn) and the like are added into a copper matrix, and under the synergistic effect of the multiple elements, the seawater corrosion resistance is greatly improved while high strength is realized. Meanwhile, compared with the traditional B10 corrosion-resistant copper alloy, the aluminum is used for replacing part of nickel, and the cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及新材料设计开发领域，特别涉及一种多元高强高耐蚀铜合金设计开发及熔铸制备方法。
背景技术
耐蚀铜合金因具有高的换热系数、优良的抗海洋生物附着能力和耐海水腐蚀性能，广泛用于海洋工程中的海水淡化装置、舰船汽轮机用冷凝器管、石油精炼设备及滨海电站及原子能电站的热交换器用管等领域。目前已开发的耐蚀铜合金主要有以下几大类型：（1）素有“海军黄铜”之称的铝黄铜、锡黄铜，如HSn70-1、HSn60-1等；（2）锡青铜，如QSn4-4-4、QSn-5-5、QSn6-6-3等；（3）Cu-Ni系白铜合金，如B10（Cu-10Ni-1Fe-1Mn）、B30（Cu-30Ni-1Fe-lMn）。然而，在高温、高湿、高盐、高流速等复杂苛刻海洋环境服役条件下，传统耐蚀铜合金的力学性能和耐蚀性能越来越难以满足上述要求。同时，对于目前常用的B10、B30耐蚀铜合金，由于镍（Ni）含量高，导致合金生产成本高。因此，开发一种苛刻服役条件下高强高耐蚀、低成本的新型耐蚀铜合金对于我国海洋工程具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种海洋工程用多元高强高耐蚀铜合金的成分设计及制备方法，实现合金室温力学性能和耐蚀性能的大幅提高。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型多元高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 6-8%，Al 1-7%，Fe 0.5-2%，Mn 0.5-2%，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15%，余量为Cu。
优选的，新型多元高强高耐蚀铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7%，Al3%，Fe 1%，Mn 1%，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15%，余量为Cu。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型多元高强高耐蚀铜合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备原材料：取电解铜板（Cu≥99.95%）、电解镍板（Ni≥99.96%）、纯铝锭（Al≥99.7%）、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
（2）配料：按新型多元高强高耐蚀铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；
（3）熔炼：先向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，待电解铜板完全熔化后加入纯镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入纯铝锭。熔炼温度为1150～1250℃，持续时间30~50分钟。在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，中间采用纯镁脱氧剂进行脱氧，镁含量99.85%～99.95%，脱氧剂的用量为熔液总重的0.5%～1%。熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣。
（4）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置1~3分钟，将熔液直接浇注到金属铸型中，浇注温度为1200℃～1300℃，之后冷却，取出，得到新型多元高强高耐蚀铜合金铸锭；
步骤（4）中在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为250～350℃。
本发明在传统Cu-Ni系合金（B10）的基础上，通过合金化设计添加镍（Ni）、铝（Al）、铁（Fe）、锰（Mn）多种合金元素，并以低成本的铝元素（Al）代替部分镍元素（Ni），在大幅提高合金力学性能和耐蚀性能的同时，降低生产成本。
本发明制得的新型多元高强高耐蚀铜合金：（1）合金成分均匀，铸态缺陷少；（2）力学性能优异：抗拉强度≥300MPa，延伸率≥40%；（3）耐蚀性能优良：腐蚀速率≤0.01mm/a。采用本发明方法制得的新型多元高强高耐蚀铜合金尤其适合海洋工程关键部件使用。
本发明通过微合金化手段，在铜基体中添加镍（Ni）、铝（Al）、铁（Fe）、锰（Mn）等多种合金元素，在多种元素协同作用下，实现高强度的同时，耐海水腐蚀性能大幅提高。同时，同传统B10耐蚀铜合金相比，实现了以铝代替部分镍，降低了成本。
具体实施方式
实施例一：
本实施例的新型多元高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7%，Al3%，Fe 1%，Mn 1%，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15%，余量为Cu。
本实施例新型多元高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：
（1）准备原材料：取1#电解铜板（Cu≥99.95%）、1#电解镍板（Ni≥99.96%）、纯铝锭（Al≥99.7%）、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
（2）配料：按新型多元高强高耐蚀铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；
（3）熔炼：先向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，待电解铜板完全熔化后加入纯镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入纯铝锭。熔炼温度为1200℃，持续时间40分钟。在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭厚度约200mm，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，中间采用纯镁脱氧剂进行脱氧，镁含量99.85%～99.95%，脱氧剂的用量为熔液总重的0.5%。熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣。
（4）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置2分钟，将熔液直接浇注到金属铸型中，浇注温度为1250℃，之后冷却，取出，得到新型多元高强高耐蚀铜合金铸锭；
步骤（4）中在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为300℃。
本实施例优选的新型多元高强高耐蚀Cu-7Ni-3Al-1Fe-1Mn合金的抗拉强度和延伸率分别为401MPa和48%，腐蚀速率为0.0026mm/a。同传统B10合金相比（抗拉强度为245MPa，延伸率为44%，腐蚀速率为0.0359mm/a），强度显著提升，腐蚀速率明显降低，新型耐蚀铜合金具有优良的力学性能和耐蚀性能，同时加入3%的铝元素（Al）将B10中的镍元素（Ni）由10%降至7%，合金生产成本降低。
实施例二：
本实施例的新型多元高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7%，Al1%，Fe 1%，Mn 1%，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15%，余量为Cu。
本实施例新型多元高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：
（1）准备原材料：取1#电解铜板（Cu≥99.95%）、1#电解镍板（Ni≥99.96%）、纯铝锭（Al≥99.7%）、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
（2）配料：按新型多元高强高耐蚀铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；
（3）熔炼：先向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，待电解铜板完全熔化后加入纯镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入纯铝锭。熔炼温度为1150℃，持续时间50分钟。在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭厚度约200mm，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，中间采用纯镁脱氧剂进行脱氧，镁含量99.85%～99.95%，脱氧剂的用量为熔液总重的0.8%。熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣。
（4）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置2分钟，将熔液直接浇注到金属铸型中，浇注温度为1200℃，之后冷却，取出，得到新型多元高强高耐蚀铜合金铸锭；
步骤（4）中在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为250℃。
本实施例新型多元高强高耐蚀Cu-7Ni-1Al-1Fe-1Mn合金的抗拉强度和延伸率分别为357MPa和37%，腐蚀速率为0.01mm/a。同传统B10合金相比（抗拉强度为245MPa，延伸率为48%，腐蚀速率为0.0359mm/a），强度显著提升，腐蚀速率明显降低，同时加入1%的铝元素（Al）将B10中的镍元素（Ni）由10%降至7%，合金生产成本降低。
实施例三：
本实施例的新型多元高强高耐蚀铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Ni 7%，Al7%，Fe 1%，Mn 1%，杂质成分C、S、P、Zn的总含量≤0.15%，余量为Cu。
本实施例新型多元高强高耐蚀铜合金的制备方法，具体步骤为：
（1）准备原材料：取1#电解铜板（Cu≥99.95%）、1#电解镍板（Ni≥99.96%）、纯铝锭（Al≥99.7%）、Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
（2）配料：按新型多元高强高耐蚀铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；
（3）熔炼：先向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，待电解铜板完全熔化后加入纯镍板，然后再加入Cu-10Fe中间合金和Cu-22Mn中间合金，最后加入纯铝锭。熔炼温度为1250℃，持续时间30分钟。在加热熔化过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，木炭厚度约200mm，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现熔化过程在微氧化气氛下进行，中间采用纯镁脱氧剂进行脱氧，镁含量99.85%～99.95%，脱氧剂的用量为熔液总重的1.0%。熔炼过程中采用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣。
（4）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后并静置3分钟，将熔液直接浇注到金属铸型中，浇注温度为1300℃，之后冷却，取出，得到新型多元高强高耐蚀铜合金铸锭；
步骤（4）中在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为250℃。
本实施例新型多元高强高耐蚀Cu-7Ni-7Al-1Fe-1Mn合金的抗拉强度和延伸率分别为365MPa和35%，腐蚀速率为0.004mm/a。同传统B10合金相比（抗拉强度为245MPa，延伸率为48%，腐蚀速率为0.0359mm/a），强度显著提升，腐蚀速率明显降低，同时加入7%的铝元素（Al）将B10中的镍元素（Ni）由10%降至7%，合金生产成本降低。