一种高硅镍铜合金铸件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，该方法首先按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3-7min，然后降温至1260～1320℃进行浇铸，获得近成型合金铸件；凝固控制工艺为：初始冷却速度为90～180℃/s，铸件温度达到900～1100℃后，将冷却速度降至0.01～0.1℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。本发明专利技术可有效改善高硅镍铜合金塑性及其机械加工性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有色合金铸件的制备
，具体涉及一种可有效改善高硅镍 铜合金塑性及其机械加工性能的高硅镍铜合金铸件的制备方法。
技术介绍
镍-铜合金（GB5235-38)，是以70/30的镍铜固溶体为基体的一类合金，在工程应 用上具有悠久的历史。合金具有易成型、易钎焊、易切削等特点，同时还具有高的强度和硬 度及优良的耐热，耐腐蚀性能。因此被广泛的使用于航空、航海、化工、原子能、等领域。 高硅镍铜合金材料是一种弥散强化型合金，结合Cu、Fe、Mn等固溶强化。俄罗斯 相近牌号为HMK >K M u 30-4-2-1，美国相应牌号主要有S Monel和Monel505,也称高强 度蒙乃尔合金。与普通镍铜合金比较，其中Si含量高达4wt. %，形成Ni3Si弥散强化相，显 著提高了合金的强度和再结晶温度，使合金具有高硬度、高强度、高耐磨和优良的抗粘合、 抗高温、耐腐蚀等特点，综合性能超过铝青铜和普通镍铜合金，特别适合于制作先进航空发 动机燃油调节系统的精密摩擦器件。俄罗斯现行生产的A JI-31 Φ和HP-31B发动机主燃油 泵、PC Φ -31B发动机喷口加力燃油泵、A u 25-T JI发动机的燃油调节器等附件的摩擦零件， 以及英国道蒂公司现行生产的燃油附件均采用高硅镍铜合金制造，显著提高了燃油调节系 统的可靠性和工作寿命。 镍铜合金中加入显量Si元素后显著提高了合金的使用性能，但也大幅度降低合 金的工艺性能，合金形成气孔、缩孔和裂纹倾向性增大，给合金冶炼和铸造带来新的难题。 由于Cu30%左右的镍铜合金的液固相线间距约为50°C。凝固时，富镍树枝晶首先从熔体中 析出，最后凝固的是相对富铜部分。其典型组织是单相固溶体，铸态下形成树枝晶并产生偏 析，由于树枝晶相当发达，凝固时严重阻碍了合金液的补缩，这成为铸件内部产生显微缩松 的主要原因。另外，常温下Ni和Cu在大气中很稳定，不易氧化。但在高温下，液态镍和铜 很容易被空气中的氧所氧化，还有炉气中的水蒸气、一氧化碳、二氧化碳等都能使合金发生 氧化。氧化产物Cu 2CKNiO以及Ni2C、Ni3S2等都可溶解在镍铜合金中，且随温度升高溶解度 增加。在凝固时，一方面，由于Cu 2CKNi3S2等以低熔点共晶体形式析出于晶界，使合金变脆。 另一方面，NiO, Ni2C, Ni3S2等的溶解度随温度下降而促使氧化反应逆向进行，在合金中产生 析出性气孔。 国内一些部门也曾有类似合金的开发，但在合金工艺和综合性能上与国外相比性 能差距较大。存在的最主要问题是在铸件中存在严重的褐色断口，部分铸件甚至出现了整 体断裂的现象，难以铸造与加工成形。另外，高硅镍铜合金主要用作发动机燃油调控系统， 其零件形状复杂，精度要求高。但由于现有工艺制备的合金铸件塑性低、加工性能差，故零 件加工成品率极低，限制了其使用。所以就需要开发一种新的高硅镍铜合金及其铸件的铸 造工艺和零件制备技术，满足零部件的制造和使用需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足之处，提供一种可有效改善合金塑性 及机械加工性能，提高零件加工成品率的高硅镍铜合金铸件的制备方法。 本专利技术的技术方案是： -种高硅镍铜合金铸件的制备方法，该方法包括如下步骤： (1)合金熔炼：按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并 铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450?1550°C精炼3-7min，然后 降温至浇铸温度，炉内真空度为〇. 1?5Pa ; (2)浇铸过程：经步骤（1)处理后的合金进行浇铸，获得近成型合金铸件；浇铸温 度 1260 ?132(TC ; (3)凝固过程：近成型合金铸件凝固控制工艺为：初始冷却速度为90?180°C /s， 铸件温度达到900?1100°C后，将冷却速度降至0. 01?0. I°C /s，当合金铸件冷却至400°C 以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。 制得的高硅镍铜合金铸件按使用要求不同，可在铸态或热处理状态下使用。 热处理制度为：固溶处理：920?980°C，保温30?45min，油淬； 时效处理：580°C，保温6?8h，空冷。 步骤（2)浇铸过程中，浇铸近成型合金铸件采用Al2O3制备陶瓷型壳。 步骤（2)浇铸前，浇铸的模壳在850°C以上预热3?5h。 冶炼坩埚选用MgO坩埚，测温系统为W - Re电偶，测温保护套管为外层涂覆 ZrO2 (或CeO)和BN的Mo-Al2O3金属陶瓷管。 按重量百分含量计，本专利技术高硅镍铜合金的化学成分为：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。 本专利技术设计原理如下： 本专利技术在高硅镍铜合金铸件的制备中采用一种新型的分段式凝固控制工艺，控制 高硅镍铜合金铸件凝固过程中不同阶段的凝固速度，在凝固初期，采用较快冷却速度，使合 金铸件中形成细晶；在凝固中期，采用较为缓慢的冷却速度，减小合金中内应力生成；在凝 固后期，可使铸件自然冷却至室温。 高硅镍铜合金是典型的枝晶结构（图2-a)，主要依靠脆性的Ni3Si相在基体中弥散 析出，达到沉淀强化作用（图2-b)。但现有合金铸件制备工艺由于凝固过程冷却速度快，合 金内部容易产生较大内应力，在应力作用下，合金凝固过程会生成大量位错，位错的运动和 聚集会形成部分高能量区，致使Ni 3Si相在该区域聚集长大，这不仅达不到强化合金目的， 反而成为合金内部的裂纹源，降低合金塑性和加工性能。本专利技术通过控制合金冷却速度，调 整合金在不同凝固阶段的晶粒尺寸及组织状态，减小了合金中的内应力，抑制合金中的位 错生成，从而避免脆性Ni 3Si相在某一区域的聚集长大，促使其在合金基体中均匀弥撒的析 出，达到强化合金的目的。解决了以往此类合金中存在的内裂纹及加工成型难的问题。 与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果： 1、工艺简单：在不改变合金成分和冶炼工艺的基础上，通过对凝固过程的控制，达 到改善合金性能的目的。 2、合金组织改善：合金中脆性Ni3Si相细小弥散分布，无聚集长大，强化合金效果 明显。 3、合金性能提高：合金拉伸塑性可达4%，加工成形性良好。 4、铸造性能好：可浇铸出形状复杂的部件，铸件不发生热裂，内部无微裂纹。 【附图说明】 图1是本专利技术的凝固工艺曲线图。 图2是采用本专利技术工艺的合金组织形态；图中：（a)合金典型铸态组织；（b)合金 中Ni 3Si相的形貌。 图3是合金的拉伸性能曲线。 图4是合金铸件毛坯的断口形貌；图中：（a)对比例I ;(b)实施例1。 【具体实施方式】 下面结合附图及实施例详述本专利技术。 实施例1 合金采用IOKg真空感应炉熔炼，浇铸合金试棒。精炼温度为1450°C，精炼时间为 3min，真空度是0. IPa，浇注温度为1300°C。 合金试棒在凝固过程中采用凝固控制工艺：初始冷却速度为120°C /s，铸件温度 达到1000°C后，将冷却速度降至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：（1）合金熔炼：按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450～1550℃精炼3‑7min，然后降温至浇铸温度，炉内真空度为0.1～5Pa；（2）浇铸过程：经步骤（1）处理后的合金进行浇铸，获得近成型合金铸件；浇铸温度1260～1320℃；（3）凝固过程：近成型合金铸件凝固控制工艺为：初始冷却速度为90～180℃/s，铸件温度达到900～1100℃后，将冷却速度降至0.01～0.1℃/s，当合金铸件冷却至400℃以下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。

【技术特征摘要】
1. 一种高硅镍铜合金铸件的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： (1) 合金熔炼：按照高硅镍铜合金的化学成分和配比配料，采用真空感应炉熔炼并铸造 成母合金锭，再采用真空感应炉熔化母合金锭，并在1450?1550°C精炼3-7min，然后降温 至浇铸温度，炉内真空度为0. 1?5Pa ; (2) 浇铸过程：经步骤（1)处理后的合金进行浇铸，获得近成型合金铸件；浇铸温度 1260 ?1320°C ; (3) 凝固过程：近成型合金铸件凝固控制工艺为：初始冷却速度为90?180°C /s，铸件 温度达到900?1KKTC后，将冷却速度降至0. 01?0. 1°C /s，当合金铸件冷却至400°C以 下，自然冷却至室温获得高硅镍铜合金铸件。2. 根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑启，韦华，张洪宇，王志辉，张朝威，金涛，孙晓峰，胡壮麒，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21