一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺
阅读说明：本技术 一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺 (Preparation process of low-melting-point high-voltage-resistant tin-lead alloy material ) 是由 骆芳 沈逸周 蒋荣杰 路远航 柴为民 袁林江 于 2020-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺,涉及金属材料设计技术领域,包括备料：按以下质量份的原料备料：锡1-15份、铅30-45份、铋40-60份、镉0.005-0.025份；将锡、铅、镉原料放入到熔炼炉内,调整熔炼温度到700-800℃进行炼制,并进行搅拌熔化；将熔炼温度调整至300-350℃,加入锡原料,搅拌至全部熔化后去除表层扒渣,并让其静置后得到金属热熔体；将混合热熔料过滤后,置入铸型中,冷却后得到金属锭；将金属锭加工成金属圆柱；清理整形；封装入库。本发明工艺简单,整个过程可在大气环境下进行,制作成本低,易于操作,适合大范围推广使用,合金熔点低熔化范围小,且能够在70MPa高压氢气条件下进行工作。(The invention provides a preparation process of a low-melting-point high-pressure-resistant tin-lead alloy material, which relates to the technical field of metal material design and comprises the following steps of: preparing the following raw materials in parts by mass: 1-15 parts of tin, 30-45 parts of lead, 40-60 parts of bismuth and 0.005-0.025 part of cadmium; putting raw materials of tin, lead and cadmium into a smelting furnace, adjusting the smelting temperature to 700-800 ℃ for smelting, and stirring and melting; adjusting the melting temperature to 300-350 ℃, adding a tin raw material, stirring until the tin raw material is completely melted, removing surface skimming, and standing to obtain a metal hot melt; filtering the mixed hot melting material, putting the filtered mixed hot melting material into a casting mold, and cooling the casting mold to obtain a metal ingot; processing the metal ingot into a metal cylinder; cleaning and shaping; and (7) packaging and warehousing. The invention has simple process, low manufacturing cost, easy operation, suitability for large-scale popularization and use, low melting point of the alloy, small melting range and capability of working under the condition of high-pressure hydrogen of 70MPa, and the whole process can be carried out in the atmospheric environment.)
技术领域
本发明涉及一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，属于金属材料设计技术领域。
背景技术
氢能与传统化石能源如石油、煤炭等相比具有清洁环保、来源多样、可规模储输等优点，在能源结构中扮演重要的角色。作为氢燃料电池汽车的储能部件，方便高效的氢气储存方式是实现氢燃料电池汽车大规模商业化的关键技术之一。高压气态储氢和液态储氢是两种比较主要的储氢方式，已得到推广应用。而高压气态储氢具有容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装速度快等优点，是目前国内氢燃料电池汽车领域技术发展较成熟且应用最为广泛的一种方式。尽管车载高压气态储氢技术已经得到广泛应用，但我国高性能车载高压储氢系统依然存在诸多技术瓶颈。
瓶口阀是整个车载高压储氢系统的关键元器件之一，对高压气瓶的超压保护起着关键的作用，70MPa的储氢压力对气瓶瓶口阀性能提出了更高的要求。需保证瓶口阀能在70MPa的高压下进行长期服役，且在高温下为保证氢气瓶不会因氢气升温膨胀产生爆炸。
因此，研制开发一种工艺简单、易于操作、制作成本低，且能满足上述要求的低熔点抗高压的锡铅合金材料来作为高压气瓶瓶口阀的阀芯迫在眉睫。
基于此，做出本申请。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，用于作为高压气瓶瓶口阀的阀芯。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，包括如下：
（1）按以下质量份的原料备料：锡1-5份、铅30-45份、铋40-60份、镉0.005-0.025份；上述质量份的镉的加入，可以提高熔断温度至120℃±5℃。
（2）将上述质量份的铅、铋、镉原料放入到熔炼炉内，调整熔炼温度到700-800℃进行炼制，并进行搅拌熔化；
（3）将熔炼温度调整至300-350℃，待熔炉内的温度降为300-350℃时加入上述质量份的相对熔点低的锡原料，搅拌至全部熔化后去除表层扒渣，并让其静置后得到合金热熔体；
（4）将合金热熔体通过过滤装置进行过滤，并浇铸到铸型中，冷却至室温后得到合金锭，合金锭的宽度为50-100mm，厚度为10-30mm；
（5）将合金锭进行机械加工，按要求将合金锭切割（激光切割或线切割）至所需的阀芯形状（圆柱体）和尺寸；
（6）将步骤（5）切割得到的合金锭进行表面处理，保证金属圆柱体外观整洁，表面无破损、无磨损；
（7）装袋入库。
进一步地，所述锡的纯度≥99.8%，铅的纯度≥99.8%，铋的纯度≥99.8%。
进一步地，锡料和铅料以及铋料为块状，尺寸为22-40mm，锡料为球状，直径为5-6mm。比如所述铅料和铋料为长宽高均在20-40mm范围内的块体，具体地，尺寸可以为22mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm或上述任意两个数值点形成的数值范围。相比于粉末状原料，本发明采用的块状原料可以避免粉末原料加工过程中被污染；还可以避免粉末原料因比表面积大而造成的较严重的洗氧和洗水问题，避免氧含量高、后期熔炼产生较多的氧化性杂质和原料损耗、造成成份不均的问题,即本发明采用的块状原料污染少、氧含量低、熔炼后氧化性杂质少、原料损耗少、成份均匀性好。另外，本发明的先混合原料后熔炼的方法得到的合金成份均匀性更好，尤其是制备重量和尺寸较大的制品时。本发明快状原料优选为20-40mm，一方面便于加工，另一方面便于两种原料的同时熔化，避免成分不均匀，同时可以将坩埚装料量最大化。
进一步地，所述步骤（3）中，搅拌熔化时间为30-50分钟，静置时间为25-30分钟。
进一步地，所述步骤（3）中，合金热熔体随炉冷却降温至300～400℃，随炉冷却降温在真空条件下进行，真空度为0.1～1Pa。
进一步地，所述步骤（3）中搅拌采用电磁搅拌，在随炉冷却的过程中，每隔9-12min启动一次电磁搅拌，每次搅拌时间3～5min。电磁搅拌会进一步使成份均匀；间隔的开启电磁搅拌可以使熔炼温度保持在一定范围内。在冷却过程中进行电磁搅拌可以避免在降温过程中成份偏析，会使成份更加均匀。
进一步地，所述步骤（4）中，所述步骤（4）中，所述过滤装置为泡沫氧化铝，泡沫氧化铝的孔径选为80目。
进一步地，所述步骤（5）中，机械加工采用低硬度材料加工工艺。
进一步地，所述步骤（7）中，经过表面处理后的合金锭用基底纸相隔进行上下层叠加后装入袋中，再进行入库。
本发明能实现如下技术效果：
（1）本发明的低熔点抗高压的锡铅合金材料制备方法工艺简单，整个过程可在大气环境下进行，制作成本低，易于操作，适合大范围推广使用；
（2）本发明的低熔点锡铅合金材料具有较高的抗压强度，且锡铅合金熔点的温度范围较小，能够满足在氢气瓶口阀中应用的要求，锡铅合金阀芯能够在压强为70Mpa的氢气条件下长期服役，保证瓶口阀在工作中不会泄漏，一旦氢气温度过高，锡铅合金阀芯就会迅速熔化，进行泄压和降温，保护设备安全，起到保护的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1的低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺得到的阀芯金相图；
图2为本发明实施例2的低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺得到的阀芯金相图；
图3为本发明实施例3的低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺得到的阀芯金相图；
图4为本发明实施例1的低熔点抗高压的锡铅合金材料的压缩应力-应变图；
图5为本发明实施例2的低熔点抗高压的锡铅合金材料的压缩应力-应变图；
图6为本发明实施例3的低熔点抗高压的锡铅合金材料的压缩应力-应变图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及其所能达到的技术效果，能够更清楚更完善的披露，兹提供了以下实施例作如下详细说明：
实施例1
本实施例的一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，包括如下：
（1）按以下质量份的原料备料：锡1份、铅30份、铋40份、镉0.005份；其中锡的纯度≥99.8%，铅的纯度≥99.8%，铋的纯度≥99.8%。锡料和铅料以及铋料为块状，尺寸为22mm，镉料为球状，直径为5mm。
（2）将上述质量份的铅、铋、镉原料放入到熔炼炉内，调整熔炼温度到700℃进行炼制，并进行搅拌熔化；
（3）将熔炼温度调整至300℃，待熔炉内的温度降为300℃时加入上述质量份的锡原料，搅拌至全部熔化后去除表层扒渣，并让其静置后得到合金热熔体；搅拌熔化时间为30分钟，静置时间为25分钟。合金热熔体随炉冷却降温至300℃，随炉冷却降温在真空条件下进行，真空度为0.1Pa。搅拌采用电磁搅拌，在随炉冷却的过程中，每隔9min启动一次电磁搅拌，每次搅拌时间3min。
（4）将合金热熔体通过80目的泡沫氧化铝进行过滤，并浇铸到铸型中，冷却至室温后得到合金锭；
（5）将合金锭通过低硬度材料加工工艺进行机械加工，按要求将合金锭激光切割或线切割至阀芯所需的形状和尺寸；
（6）将步骤（5）切割得到的合金锭进行表面处理；
（7）经过表面处理后的合金锭用基底纸相隔进行上下层叠加后装入袋中，再进行入库。
实施例2
本实施例的一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，包括如下：
（1）按以下质量份的原料备料：锡35份、铅40份、铋50份、镉0.015份；其中锡的纯度≥99.8%，铅的纯度≥99.8%，铋的纯度≥99.8%。锡料和铅料以及铋料为块状，尺寸为28mm，镉料为块状，直径为5mm。
（2）将上述质量份的铅、铋、镉原料放入到熔炼炉内，调整熔炼温度到750℃进行炼制，并进行搅拌熔化；
（3）将熔炼温度调整至330℃，待熔炉内的温度降为330℃时加入上述质量份的锡原料，搅拌至全部熔化后去除表层扒渣，并让其静置后得到合金热熔体；搅拌熔化时间为40分钟，静置时间为28分钟。合金热熔体随炉冷却降温至330℃，随炉冷却降温在真空条件下进行，真空度为0.51Pa。搅拌采用电磁搅拌，在随炉冷却的过程中，每隔10min启动一次电磁搅拌，每次搅拌时间4min。
（4）将合金热熔体通过80目的泡沫氧化铝进行过滤，并浇铸到铸型中，冷却至室温后得到合金锭；
（5）将合金锭通过低硬度材料加工工艺进行机械加工，按要求将合金锭激光切割或线切割至阀芯所需的形状和尺寸；
（6）将步骤（5）切割得到的合金锭进行表面处理；
（7）经过表面处理后的合金锭用基底纸相隔进行上下层叠加后装入袋中，再进行入库。
实施例3
本实施例的一种低熔点抗高压的锡铅合金材料的制备工艺，包括如下：
（1）按以下质量份的原料备料：锡5份、铅45份、铋60份、镉0.025份；其中锡的纯度≥99.8%，铅的纯度≥99.8%，铋的纯度≥99.8%。锡料和铅料以及铋料为块状，尺寸为40mm，镉料为球状，直径为6mm。
（2）将上述质量份的铅、铋、镉原料放入到熔炼炉内，调整熔炼温度到800℃进行炼制，并进行搅拌熔化；
（3）将熔炼温度调整至350℃，待熔炉内的温度降为350℃时加入上述质量份的锡原料，搅拌至全部熔化后去除表层扒渣，并让其静置后得到合金热熔体；搅拌熔化时间为50分钟，静置时间为30分钟。合金热熔体随炉冷却降温至400℃，随炉冷却降温在真空条件下进行，真空度为1Pa。搅拌采用电磁搅拌，在随炉冷却的过程中，每隔12min启动一次电磁搅拌，每次搅拌时间5min。
（4）将合金热熔体通过80目的泡沫氧化铝进行过滤，并浇铸到铸型中，冷却至室温后得到合金锭；
（5）将合金锭通过低硬度材料加工工艺进行机械加工，按要求将合金锭激光切割或线切割至阀芯所需的形状和尺寸；
（6）将步骤（5）切割得到的合金锭进行表面处理；
（7）经过表面处理后的合金锭用基底纸相隔进行上下层叠加后装入袋中，再进行入库。
本发明上述实施例1至实施例3制备得到的锡铅合金阀芯的金相图分别如图1至图3所示，由图1至图3可以看出凝固组织已发生改变，共晶组织已不明显，分布均匀。
本发明上述实施例1至实施例3制备得到的锡铅合金阀芯具有以下优点：
制备工艺简单，整个过程可在大气环境下进行，制作成本低，易于操作，适合大范围推广使用；且本发明的低熔点锡铅合金材料具有较高的抗压强度（如图4至图6所示），且锡铅合金熔点的温度范围较小，能够满足在氢气瓶口阀中应用的要求，锡铅合金阀芯能够在压强为70Mpa的氢气条件下长期服役，保证瓶口阀在工作中不会泄漏，一旦氢气温度过高，锡铅合金阀芯就会迅速熔化，进行泄压和降温。保护设备安全，起到保护的作用。
以上内容是结合本发明的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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