一种低温冲击性能优异的镍铜合金及其生产工艺

摘要

本发明涉及合金材料技术领域，具体公开了一种低温冲击性能优异的镍铜合金，同时还公开了其生产工艺。所述镍铜合金的成分重量百分比为：Cu：28.5％～32.5％；Al：2.74％～3.2％；Ti：0.47％～0.6％；Mn：1.18％～1.28％；Si：0.33％～0.38％；C：0.057％～0.085％；S≤0.002％；余量为Ni。本发明提供的镍铜合金的低温冲击功远远高于现有镍铜合金材料，实际使用环境中的低温使用情况表明，本发明镍铜合金的抗低温冲击能力非常强；同时其综合力学性能非常优异，远优异于现有的镍铜合金材料。用该镍铜合金替换同类镍铜合金制成的LNG低温泵轴，低温泵的使用寿命大大提高。

说明书

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其涉及一种低温冲击性能优异的镍铜合 金，同时还涉及其生产工艺。

背景技术

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG(液化天然气) 列为首选燃料。天然气在能源供应中的比例迅速增加，液化天然气正以每年约 12％的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。近年来全球LNG的生产 和贸易日趋活跃，LNG已成为稀缺清洁资源，正在成为世界油气工业新的热点。 为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视 LNG的引进，日本、韩国、美国、欧洲都在大规模兴建LNG接收站。国际大石 油公司也纷纷将其新的利润增长点转向LNG业务，LNG将成为石油之后下一个 全球争夺的热门能源商品。

目前，大量的LNG的运输主要依靠轮船的运输方式，当LNG运输船到达码 头后需要用专用的低温泵将其从船舱输送到岸上的管道或储存罐。这样一来， 低温泵的功效便成为LNG运输过程中的关键一环。通常，金属材料大部分都存 在塑性-脆性转变温度，这种温度一般均在0摄氏度以下，温度越低材料的力学 性能越差。因此，对于LNG专用低温泵的轴材料来说，其超低温力学性能决定 了低温泵的使用性能。低温泵轴材料的超低温力学性能越优异，低温泵的使用 性能越好。

目前低温泵的轴材料一般采用镍铜合金，镍铜合金为单一σ相，该合金 没有塑性-脆性转变温度，非常适合在低温下使用。然而，镍铜二元合金的强 度不高，难以满足泵轴对力学性能的要求。为此，要满足LNG低温泵轴在低温 条件下的力学性能要求，镍铜合金中还需要加入锰、碳、硅、铁、铝和钛等元 素来提高镍铜二元合金的力学性能。但是现有的低温泵轴材料用镍铜合金，由 于其元素组成不够合理，加上生产工艺上的缺陷，现有的低温泵轴材料用镍铜 合金低温冲击性能不佳，韧性也不能满足要求。

发明内容

本发明目的是提供一种低温冲击性能优异的镍铜合金，该镍铜合金除具有 很高的强度和韧性外，其低温冲击功可以达到150J以上(V型口，-196℃)， 具有非常优异的低温冲击性能。

本发明目的还在于提供一种低温冲击性能优异的镍铜合金的生产工艺。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种低温冲击性能优异的镍铜合 金，所述镍铜合金的成分重量百分比为：

Cu：28.5％～32.5％；

Al：2.74％～3.2％；

Ti：0.47％～0.6％；

Mn：1.18％～1.28％；

Si：0.33％～0.38％；

C：0.057％～0.085％；

S≤0.002％；

余量为Ni。

可选的，所述镍铜合金的成分重量百分比为：Cu：30.5％，Al：2.88％，Ti： 0.47％，Mn：1.18％，Si：0.35％，C：0.06％，S≤0.002％；余量为Ni。

可选的，所述镍铜合金的成分重量百分比为：Cu：32.5％，Al：3.2％，Ti： 0.6％，Mn：1.28％，Si：0.38％，C：0.085％，S≤0.002％；余量为Ni。

可选的，所述镍铜合金的成分重量百分比为：Cu：28.5％，Al：2.74％，Ti： 0.52％，Mn：1.18％，Si：0.33％，C：0.057％，S≤0.002％；余量为Ni。

一种低温冲击性能优异的镍铜合金的生产工艺，所述生产工艺包括以下步 骤：

原料在真空熔炼炉内于1500～1650℃下熔炼生产熔液，熔炼过程中加入少 量镁铜作为除气剂，所述原料的重量百分比组成为：29％～33％的Cu，2.9％～3.5％ 的电解铝，0.5％～0.7％的纯钛，1.2％～1.3％的电解锰，0.35％～0.4％的纯硅， 0.07％～0.1％的碳粉，余量的电解镍；

熔液在1580～1600℃下进行精炼40～45分钟；

精炼结束后在1530～1550℃静置30分钟；

降温至1500～1520℃后，浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸锭；

对所述铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

然后对铸锭在1150℃进行加热，之后进行锻压加工，锻压变形量大于60％；

锻压结束后对所得锻件进行热处理，制得镍铜合金成品。

优选的，所述热处理工艺为：所述锻件在热处理炉内从室温加热至400℃， 升温耗时1～2小时，在400℃保温1～2小时，然后所述锻件从400℃加热至 580～600℃，升温耗时1～2小时，在580～600℃保温16～20小时，之后锻件 从580～600℃降至400℃，降温耗时15～18小时，然后热处理炉断电，随炉冷 却，制得镍铜合金成品。

所述镍铜合金成品的成分重量百分比为：

Cu：28.5％～32.5％；

Al：2.74％～3.2％；

Ti：0.47％～0.6％；

Mn：1.18％～1.28％；

Si：0.33％～0.38％；

C：0.057％～0.085％；

S≤0.002％；

余量为Ni。

本发明具有如下有益效果：由于本发明的镍铜合金中铝、钛、碳元素的含 量科学合理，铝和钛的加入可以与镍之间形成(Ti,Al)₃Ni的强化相，在晶界处 析出，从而显著提高镍铜合金的合金强度，碳在晶间形成碳化物析出，增强了 合金强度；同时采取固溶加时效的热处理方式，使得镍铜合金中(Ti,Al)₃Ni强 化相的数量更加弥散、结构更加细小以及分布更加均匀，最终显著增加了镍铜 合金的综合力学性能。本发明所制备的镍铜合金具有非常优异的低温冲击性能， 在-196℃下其V型口冲击功可以达到170J左右，其常温抗拉强度可以达到 1100MP，屈服强度可以达到870MPa，延伸率可以达到22％，硬度达到33HRC， 面缩为57％，其力学性能指标远超美国深蓝集团对LNG泵轴材料所要求达到的 力学性能要求和低温冲击性能要求。与现有的同类镍铜合金相比，其低温冲击 功比现有镍铜合金高出约2～3倍，低温冲击性能显著提高。另外，该镍铜合金 的韧性也要比现有的镍铜合金高出很多。

与现有的同类镍铜合金相比，本发明的镍铜合金具有以下突出性效果：所 得镍铜合金的低温冲击功远远高于现有镍铜合金材料，实际使用环境中的低温 使用情况表明，本发明镍铜合金的抗低温冲击能力非常强；同时其综合力学性 能非常优异，远优异于现有的镍铜合金材料。实际环境中的空蚀实验结果表明， 本发明镍铜合金的抗低温冲击能力较强，用该镍铜合金替换同类镍铜合金制成 的LNG低温泵轴，低温泵的使用寿命大大提高。表明该镍铜合金可以作为一种 LNG低温泵轴用合金加以推广。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的镍铜合金成品组织的金相图谱；

图2为本发明实施例2制得的镍铜合金成品组织的金相图谱；

图3为本发明实施例3制得的镍铜合金成品组织的金相图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例提供了一种镍铜合金，其成分重量百分比为：Cu：30.5％，Al：2.88％， Ti：0.47％，Mn：1.18％，Si：0.35％，C：0.06％，S：0.002％；余量为Ni。

该镍铜合金的生产工艺，包括以下步骤：

取原料，原料的重量百分比组成为：31％的Cu，3％的电解铝，0.5％的纯钛， 1.2％的电解锰，0.37％的纯硅，0.07％的碳粉，余量的电解镍；原料在真空中频 熔炼炉内于1550～1650℃下熔炼生产熔液，熔炼过程中加入少量镁铜作为除气 剂；

熔液在1600℃下进行精炼45分钟；

精炼结束后在1550℃静置30分钟；

降温至1520℃后，浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸锭；

对铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

然后对铸锭在1150℃进行加热，之后进行锻压加工，锻压变形量大于60％；

锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下制度的热处理：所得锻件在 热处理炉内从室温加热至400℃，升温耗时2小时，在400℃保温2小时，然后 锻件从400℃加热至600℃，升温耗时2小时，在600℃保温20小时，之后锻 件从600℃降至400℃，降温耗时18小时，然后热处理炉断电，随炉冷却，制 得镍铜合金成品。该镍铜合金成品的组织金相图谱见图1所示。

实施例2

本实施例提供了一种镍铜合金，其成分重量百分比为：Cu：32.5％，Al：3.2％， Ti：0.6％，Mn：1.28％，Si：0.38％，C：0.085％，S：0.001％；余量为Ni。

该镍铜合金的生产工艺，包括以下步骤：

取原料，原料的重量百分比组成为：33％的Cu，3.5％的电解铝，0.7％的纯 钛，1.3％的电解锰，0.4％的纯硅，0.1％的碳粉，余量的电解镍；原料在真空中 频熔炼炉内于1580～1650℃下熔炼生产熔液，熔炼过程中加入少量镁铜作为除 气剂；

熔液在1600℃下进行精炼45分钟；

精炼结束后在1550℃静置30分钟；

降温至1520℃后，浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸锭；

对铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

然后对铸锭在1150℃进行加热，之后进行锻压加工，锻压变形量大于60％；

锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下制度的热处理：所得锻件在 热处理炉内从室温加热至400℃，升温耗时2小时，在400℃保温1小时，然后 锻件从400℃加热至580℃，升温耗时1小时，在580℃保温16小时，之后锻 件从580℃降至400℃，降温耗时15小时，然后热处理炉断电，随炉冷却，制 得镍铜合金成品。该镍铜合金成品的组织金相图谱见图2所示。

实施例3

本实施例提供了一种镍铜合金，其成分重量百分比为：Cu：28.5％，Al：2.74％， Ti：0.52％，Mn：1.18％，Si：0.33％，C：0.057％，S：0.002％；余量为Ni。

该镍铜合金的生产工艺，包括以下步骤：

取原料，原料的重量百分比组成为：29％的Cu，2.9％的电解铝，0.6％的纯 钛，1.2％的电解锰，0.35％的纯硅，0.07％的碳粉，余量的电解镍；原料在真空 中频熔炼炉内于1500～1600℃下熔炼生产熔液，熔炼过程中加入少量镁铜作为 除气剂；

熔液在1580℃下进行精炼40分钟；

精炼结束后在1530℃静置30分钟；

降温至1500℃后，浇入铸铁模中，冷却至室温，得到铸锭；

对铸锭进行切冒口和去除氧化皮处理；

然后对铸锭在1150℃进行加热，之后进行锻压加工，锻压变形量大于60％；

锻压结束后对所得锻件在热处理炉内进行如下制度的热处理：所得锻件在 热处理炉内从室温加热至400℃，升温耗时1小时，在400℃保温1小时，然后 锻件从400℃加热至580℃，升温耗时1小时，在580℃保温18小时，之后锻 件从580℃降至400℃，降温耗时15小时，然后热处理炉断电，随炉冷却，制 得镍铜合金成品。该镍铜合金成品的组织金相图谱见图3所示。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。