[发明专利]一种耐海水腐蚀的含钛低镍铜合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐海水腐蚀含钛、低镍的铜合金材料。

背景技术

铜合金由于导热性能好，且产生的铜离子能够杀死微生物，防止海洋生物堵塞铜合金管，因此是舰艇、核电站、海水淡化工程等众多与海洋相关的领域中应用于冷凝管等换热产品的最佳材料。目前，耐海水腐蚀铜合金主要有白铜如BFe30-1-1、BFe10-1-1和黄铜如HSn70-1、HAl77-1，白铜由于性能相对较好，因此应用最为广泛。白铜分为普通白铜以及铁白铜、锰白铜、锌白铜和铝白铜，主要以Cu-Ni合金为基础加入不同的其它元素如铁、锰、锌、铝等形成，如铁白铜合金是在Cu-Ni合金的基础上加入少量的合金元素Fe和Mn，已有研究表明，各元素对提高铁白铜的耐海水腐蚀作用机理如下：

镍的作用是通过Ni²⁺进入Cu₂O点阵结构中，Cu₂O可以容纳大量Ni²⁺而不发生结构变化，Ni²⁺在Cu₂O点阵中有两种存在方式：一是占据Cu^＋空缺位置，增加膜的离子阻力；另一种是直接替代Cu⁺，这时离子阻力不发生变化，但每次替代均导致一个正孔消失，使电子阻力增加，故Ni的加入有益于提高铜合金的耐腐蚀性。

添加少量的Fe也有益于提高铜合金的耐腐蚀性，主要有两种观点：一种观点认为Fe与基体形成致密、坚韧、结合牢固的含水氧化铁的腐蚀产物膜，这种化合物能够充当阳极抑制剂；另一种观点是认为Fe具有与Ni相同的效应，能够掺杂到缺陷的Cu₂O点阵中增加腐蚀产物膜的阳极（离子）和阴极（电子）阻力 。

Mn能提高Cu-Ni合金的强度和冲击腐蚀的能力，特别是当Cu-Ni合金中铁含量低时，Mn能弥补铁的作用，只是Mn的作用不如Fe的显著。当Cu-Ni合金加入Mn后，其中Ni及Mn的氧化物均为离子型结构， Mn的氧化物标准自由能负于Ni的氧化物自由能。 Mn比Ni优先氧化，Mn²⁺的半径为0.08nm，Ni²⁺半径为0.06～0.07nm。当Mn²⁺逃逸向海水时留下的空位极易为Ni²⁺补充，从而提高合金的耐腐蚀性能。 

Si能提高Cu-Ni合金的强度和耐腐蚀性能，但含量高的情况下，会降低加工性能和材料的塑性。

目前，在各种耐海水腐蚀的铁白铜合金中，尚未见以元素Ti作为主元素添加的耐海水腐蚀铜合金材料。 

发明内容

本发明提供一种高强度、高硬度且耐海水腐蚀的含钛、低镍铜合金，其特征在于：按质量百分比，该成分配方中合金元素Ni为2.0-4.0wt.%，Ti为1.2-2.3wt.%，Fe为1.2-1.8wt.%，Mn为0.8-1.5wt.%， Si为0.1-0.2wt.%，不可避免杂质含量总和小于等于0.5wt.%，余量为Cu。

本合金的特点是基本元素构成的种类与铁白铜基本相同（均含Cu、Ni、Fe、Mn，但本合金不含Zn），但各元素含量有所不同（本合金Ni含量明显较低），在此基础上加入了元素Ti。钛原子外层4s和3d电子的电离势很小，极易失去，因此钛是热力学很活泼的金属，其平衡电位为-1.63V，但在大气或水溶液中，钛表面会立即形成一层保护很好的氧化膜，并使稳定电位远远的偏向正值，钛在25 ℃的海水中稳态电位约等于+0.09V，比锌、镉、铁、铝甚至比在同一介质中的铜及铜合金为正。钛的钝化膜有非常好的愈合性，当钝化膜被机械破损后能很快地弥合修复形成新膜。钛在水溶液中再钝化作用可在小于0.1秒内完成。铜合金在海水腐蚀中作为阳极，钛的加入可以促使铜合金钝化。同时，添加少量钛于Cu-Ni合金中，还可借Ni₃Ti沉淀硬化的作用获得更高强度和耐磨性的合金，效果比加铝、锡等更好。

本发明的耐海水腐蚀铜合金材料具有以下优点:

1.     与目前广泛应用的BFe10-1-1铁白铜（该合金含10wt.%Ni）相比，元素Ni的含量显著降低，综合成本低，而耐海水腐蚀性能相当；

2.     与铁白铜相比，在基本元素含量相近情况下，含Ti铜合金的强度明显提高；

3.     与铁白铜相比，在基本元素含量相近情况下，含Ti铜合金耐海水腐蚀性能显著提高。

 

附图说明

图1为本合金（含1.22%Ti）和BFe10-1-1合金在人工海水中均浸泡30天后测得的极化曲线图。