一種高硅鎳銅合金鑄件的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，該方法首先按照高硅鎳銅合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄造成母合金錠，再采用真空感應(yīng)爐熔化母合金錠，并在1450～1550℃精煉3-7min，然后降溫至1260～1320℃進(jìn)行澆鑄，獲得近成型合金鑄件；凝固控制工藝為：初始冷卻速度為90～180℃/s，鑄件溫度達(dá)到900～1100℃后，將冷卻速度降至0.01～0.1℃/s，當(dāng)合金鑄件冷卻至400℃以下，自然冷卻至室溫獲得高硅鎳銅合金鑄件。本發(fā)明可有效改善高硅鎳銅合金塑性及其機(jī)械加工性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高硅鎳銅合金鑄件的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有色合金鑄件的制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種可有效改善高硅鎳 銅合金塑性及其機(jī)械加工性能的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎳-銅合金（GB5235-38)，是以70/30的鎳銅固溶體為基體的一類(lèi)合金，在工程應(yīng) 用上具有悠久的歷史。合金具有易成型、易釬焊、易切削等特點(diǎn)，同時(shí)還具有高的強(qiáng)度和硬 度及優(yōu)良的耐熱，耐腐蝕性能。因此被廣泛的使用于航空、航海、化工、原子能、等領(lǐng)域。
[0003] 高硅鎳銅合金材料是一種彌散強(qiáng)化型合金，結(jié)合Cu、Fe、Mn等固溶強(qiáng)化。俄羅斯 相近牌號(hào)為HMK >K M u 30-4-2-1，美國(guó)相應(yīng)牌號(hào)主要有S Monel和Monel505,也稱高強(qiáng) 度蒙乃爾合金。與普通鎳銅合金比較，其中Si含量高達(dá)4wt. %，形成Ni3Si彌散強(qiáng)化相，顯 著提高了合金的強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度，使合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨和優(yōu)良的抗粘合、 抗高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，綜合性能超過(guò)鋁青銅和普通鎳銅合金，特別適合于制作先進(jìn)航空發(fā) 動(dòng)機(jī)燃油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精密摩擦器件。俄羅斯現(xiàn)行生產(chǎn)的A JI-31 Φ和HP-31B發(fā)動(dòng)機(jī)主燃油 泵、PC Φ -31B發(fā)動(dòng)機(jī)噴口加力燃油泵、A u 25-T JI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油調(diào)節(jié)器等附件的摩擦零件， 以及英國(guó)道蒂公司現(xiàn)行生產(chǎn)的燃油附件均采用高硅鎳銅合金制造，顯著提高了燃油調(diào)節(jié)系 統(tǒng)的可靠性和工作壽命。
[0004] 鎳銅合金中加入顯量Si元素后顯著提高了合金的使用性能，但也大幅度降低合 金的工藝性能，合金形成氣孔、縮孔和裂紋傾向性增大，給合金冶煉和鑄造帶來(lái)新的難題。 由于Cu30%左右的鎳銅合金的液固相線間距約為50°C。凝固時(shí)，富鎳樹(shù)枝晶首先從熔體中 析出，最后凝固的是相對(duì)富銅部分。其典型組織是單相固溶體，鑄態(tài)下形成樹(shù)枝晶并產(chǎn)生偏 析，由于樹(shù)枝晶相當(dāng)發(fā)達(dá)，凝固時(shí)嚴(yán)重阻礙了合金液的補(bǔ)縮，這成為鑄件內(nèi)部產(chǎn)生顯微縮松 的主要原因。另外，常溫下Ni和Cu在大氣中很穩(wěn)定，不易氧化。但在高溫下，液態(tài)鎳和銅 很容易被空氣中的氧所氧化，還有爐氣中的水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳等都能使合金發(fā)生 氧化。氧化產(chǎn)物Cu 2CKNiO以及Ni2C、Ni3S2等都可溶解在鎳銅合金中，且隨溫度升高溶解度 增加。在凝固時(shí)，一方面，由于Cu 2CKNi3S2等以低熔點(diǎn)共晶體形式析出于晶界，使合金變脆。 另一方面，NiO, Ni2C, Ni3S2等的溶解度隨溫度下降而促使氧化反應(yīng)逆向進(jìn)行，在合金中產(chǎn)生 析出性氣孔。
[0005] 國(guó)內(nèi)一些部門(mén)也曾有類(lèi)似合金的開(kāi)發(fā)，但在合金工藝和綜合性能上與國(guó)外相比性 能差距較大。存在的最主要問(wèn)題是在鑄件中存在嚴(yán)重的褐色斷口，部分鑄件甚至出現(xiàn)了整 體斷裂的現(xiàn)象，難以鑄造與加工成形。另外，高硅鎳銅合金主要用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃油調(diào)控系統(tǒng)， 其零件形狀復(fù)雜，精度要求高。但由于現(xiàn)有工藝制備的合金鑄件塑性低、加工性能差，故零 件加工成品率極低，限制了其使用。所以就需要開(kāi)發(fā)一種新的高硅鎳銅合金及其鑄件的鑄 造工藝和零件制備技術(shù)，滿足零部件的制造和使用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種可有效改善合金塑性 及機(jī)械加工性能，提高零件加工成品率的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，該方法包括如下步驟：
[0009] (1)合金熔煉：按照高硅鎳銅合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并 鑄造成母合金錠，再采用真空感應(yīng)爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3-7min，然后 降溫至澆鑄溫度，爐內(nèi)真空度為〇. 1?5Pa ;
[0010] (2)澆鑄過(guò)程：經(jīng)步驟（1)處理后的合金進(jìn)行澆鑄，獲得近成型合金鑄件；澆鑄溫 度 1260 ?132(TC ;
[0011] (3)凝固過(guò)程：近成型合金鑄件凝固控制工藝為：初始冷卻速度為90?180°C /s， 鑄件溫度達(dá)到900?1100°C后，將冷卻速度降至0. 01?0. I°C /s，當(dāng)合金鑄件冷卻至400°C 以下，自然冷卻至室溫獲得高硅鎳銅合金鑄件。
[0012] 制得的高硅鎳銅合金鑄件按使用要求不同，可在鑄態(tài)或熱處理狀態(tài)下使用。
[0013] 熱處理制度為：固溶處理：920?980°C，保溫30?45min，油淬；
[0014] 時(shí)效處理：580°C，保溫6?8h，空冷。
[0015] 步驟（2)澆鑄過(guò)程中，澆鑄近成型合金鑄件采用Al2O3制備陶瓷型殼。
[0016] 步驟（2)澆鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預(yù)熱3?5h。
[0017] 冶煉坩堝選用MgO坩堝，測(cè)溫系統(tǒng)為W - Re電偶，測(cè)溫保護(hù)套管為外層涂覆 ZrO2 (或CeO)和BN的Mo-Al2O3金屬陶瓷管。
[0018] 按重量百分含量計(jì)，本發(fā)明高硅鎳銅合金的化學(xué)成分為：Cu :29?32% ;Si :3. 5? 4. 7% ;Fe :1· 5 ?2. 8% ;Mn :0· 5 ?I. 5% ;C 彡 0· 2% ;Ni 余量。
[0019] 本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：
[0020] 本發(fā)明在高硅鎳銅合金鑄件的制備中采用一種新型的分段式凝固控制工藝，控制 高硅鎳銅合金鑄件凝固過(guò)程中不同階段的凝固速度，在凝固初期，采用較快冷卻速度，使合 金鑄件中形成細(xì)晶；在凝固中期，采用較為緩慢的冷卻速度，減小合金中內(nèi)應(yīng)力生成；在凝 固后期，可使鑄件自然冷卻至室溫。
[0021] 高硅鎳銅合金是典型的枝晶結(jié)構(gòu)（圖2-a)，主要依靠脆性的Ni3Si相在基體中彌散 析出，達(dá)到沉淀強(qiáng)化作用（圖2-b)。但現(xiàn)有合金鑄件制備工藝由于凝固過(guò)程冷卻速度快，合 金內(nèi)部容易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，在應(yīng)力作用下，合金凝固過(guò)程會(huì)生成大量位錯(cuò)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和 聚集會(huì)形成部分高能量區(qū)，致使Ni 3Si相在該區(qū)域聚集長(zhǎng)大，這不僅達(dá)不到強(qiáng)化合金目的， 反而成為合金內(nèi)部的裂紋源，降低合金塑性和加工性能。本發(fā)明通過(guò)控制合金冷卻速度，調(diào) 整合金在不同凝固階段的晶粒尺寸及組織狀態(tài)，減小了合金中的內(nèi)應(yīng)力，抑制合金中的位 錯(cuò)生成，從而避免脆性Ni 3Si相在某一區(qū)域的聚集長(zhǎng)大，促使其在合金基體中均勻彌撒的析 出，達(dá)到強(qiáng)化合金的目的。解決了以往此類(lèi)合金中存在的內(nèi)裂紋及加工成型難的問(wèn)題。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0023] 1、工藝簡(jiǎn)單：在不改變合金成分和冶煉工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)凝固過(guò)程的控制，達(dá) 到改善合金性能的目的。
[0024] 2、合金組織改善：合金中脆性Ni3Si相細(xì)小彌散分布，無(wú)聚集長(zhǎng)大，強(qiáng)化合金效果 明顯。
[0025] 3、合金性能提高：合金拉伸塑性可達(dá)4%，加工成形性良好。
[0026] 4、鑄造性能好：可澆鑄出形狀復(fù)雜的部件，鑄件不發(fā)生熱裂，內(nèi)部無(wú)微裂紋。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的凝固工藝曲線圖。
[0028] 圖2是采用本發(fā)明工藝的合金組織形態(tài)；圖中：（a)合金典型鑄態(tài)組織；（b)合金 中Ni 3Si相的形貌。
[0029] 圖3是合金的拉伸性能曲線。
[0030] 圖4是合金鑄件毛坯的斷口形貌；圖中：（a)對(duì)比例I ;(b)實(shí)施例1。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。
[0032] 實(shí)施例1
[0033] 合金采用IOKg真空感應(yīng)爐熔煉，澆鑄合金試棒。精煉溫度為1450°C，精煉時(shí)間為 3min，真空度是0. IPa，澆注溫度為1300°C。
[0034] 合金試棒在凝固過(guò)程中采用凝固控制工藝：初始冷卻速度為120°C /s，鑄件溫度 達(dá)到1000°C后，將冷卻速度降至0. 04°C /s，當(dāng)合金鑄件冷卻至400°C以下，使鑄件自然冷卻 至室溫，合金凝固工藝曲線如圖1。本實(shí)施例合金成分見(jiàn)表1。
[0035] 表1高娃鎳銅合金成分（wt%)
[0036]

【權(quán)利要求】
1. 一種高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，其特征在于：該方法包括如下步驟： (1) 合金熔煉：按照高硅鎳銅合金的化學(xué)成分和配比配料，采用真空感應(yīng)爐熔煉并鑄造 成母合金錠，再采用真空感應(yīng)爐熔化母合金錠，并在1450?1550°C精煉3-7min，然后降溫 至澆鑄溫度，爐內(nèi)真空度為0. 1?5Pa ; (2) 澆鑄過(guò)程：經(jīng)步驟（1)處理后的合金進(jìn)行澆鑄，獲得近成型合金鑄件；澆鑄溫度 1260 ?1320°C ; (3) 凝固過(guò)程：近成型合金鑄件凝固控制工藝為：初始冷卻速度為90?180°C /s，鑄件 溫度達(dá)到900?1KKTC后，將冷卻速度降至0. 01?0. 1°C /s，當(dāng)合金鑄件冷卻至400°C以 下，自然冷卻至室溫獲得高硅鎳銅合金鑄件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，其特征在于：所述高硅鎳銅 合金鑄件的熱處理制度為： 固溶處理：920?980°C，保溫30?45min，油淬； 時(shí)效處理：580°C，保溫6?8h，空冷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，其特征在于：步驟（2)澆鑄過(guò) 程中，澆鑄近成型合金鑄件采用A1203制備陶瓷型殼。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，其特征在于：步驟（2)澆 鑄前，澆鑄的模殼在850°C以上預(yù)熱3?5h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硅鎳銅合金鑄件的制備方法，其特征在于：冶煉坩堝選用 MgO坩堝，測(cè)溫系統(tǒng)為W - Re電偶，測(cè)溫保護(hù)套管為外層涂覆Zr02 (或CeO)和BN的M〇-A1203金屬陶瓷管。
【文檔編號(hào)】C22C1/03GK104372188SQ201310363031
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】鄭啟, 韋華, 張洪宇, 王志輝, 張朝威, 金濤, 孫曉峰, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所