一种亚稳态微晶结构体合金及其制备方法与流程

文档序号：16693259发布日期：2019-01-22 19:09阅读：255来源：国知局

本发明涉及合金材料技术领域，具体是一种亚稳态微晶结构体合金及其制备方法。

背景技术：

含有硬度的水流体的结垢问题普遍存在于自然界具有蒸发、浓缩、温度变化的所有过程中。大多数情况下，工业管路系统中的流体均为单质或混合溶液状态，其中溶液组成成分、总盐度、总离子浓度、温度、压力、气体分压、ph值、流速等众多因素影响着溶质的溶解度。一旦溶液系统的溶解条件发生变化，溶质溶解度也会随之改变。当溶解度下降，使得溶质含量处于过饱和状态，就会析出晶体；当析出晶体沉积或吸附在容器壁面时，就会形成水垢。水处理技术领域中一般将析出的非水溶性沉积物称为水垢，一般水垢都是由钙镁等金属阳离子和碳酸根或碳酸氢根等成垢阴离子结合形成的。当溶解条件一定时，溶液系统中的钙镁离子、酸根离子和一定量的碳酸钙和碳酸镁分子处于一个相对平衡状态。一方面，由于形成的碳酸钙和碳酸镁等化合物，溶解度很低，碳酸钙和碳酸镁分子析出形成沉淀，并堆积形成水垢；另一方面，钙镁离子与酸根离子结合生成新的碳酸钙和碳酸镁分子，发生结垢现象。碳酸钙的成垢反应主要是由于钙离子与碳酸根离子或碳酸氢根离子结合形成的。如果能够通过一定的技术手段能将金属离子与酸根离子中间介入水极子并使金属离子与酸根离子有序吸附在水极子的二端排列，会大幅度降低阴阳离子的结合速率，从而显著降低成垢速率。化学阻垢法是通过添加药剂的方法改变了溶液系统的成分、酸碱度和离子浓度来产生阻垢效果。化学法由于需要改变溶液系统的成分，其应用正受到越来越多的约束。长期以来人们一直在进行研究，寻找具有防垢的新型金属材料。本发明公开了一种用于阻垢的亚稳态微晶结构体合金，可以有效地减轻或解决工业、生活设施设备及管道结垢倾向问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种亚稳态微晶结构体合金及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

本发明在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，利用该亚稳态微晶结构体合金产生高的电化学催化活性，使从合金表面流过的液体中组分的静电位发生改变，将可能产生沉积的物质分散或处于溶解状态，从而起到防止或缓解结垢的产生。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金包括以下组分：cu35％-80％、ni10％-25％、zn5％-35％、sn1％-15％、mn0.05％-4％和fe0.1％-5％。

合金材料能够阻垢主要是由于组成合金的多元素间存在电势差，在合金材料中能够形成数量巨大的微电池，所以在选择合金成分时，尽量选择标准电极电位有很大差异的元素。参照标准电极电位表可知，标准电位为正值的金属为贵金属，如：金、铜、汞、银、铂、钯等，虽然铜的电极电位在它们中并不是最大的，但是和上述其他几种金属相比，铜在自然界中是最普遍的，并且铜更经济。标准电位为负值的金属也比较多，如锂、钾、钙、钠等，但这些金属过于活泼，不利于合金的制备。理论上加入的元素种类越多，形成的微电池越多，但是也会产生很多问题，如比例调整、冶炼工艺等。

本发明制备的该亚稳态微晶结构体合金选用金属铜、锌、镍、锡以及微量的铁元素和锰元素等作为主要化学成分，铜、锌、镍和锡的标准电极电位分别为+0.337v、-0.763v、-0.246v和-0.136v，这四种金属元素组成的合金中会存在多对电偶和多种氧化还原电位，由于电势差的存在，形成多个微小的原电池，从而增加了水中易结垢离子与合金的电化学反应的进行；铁元素的存在还能强化铜合金，提高其力学性能；金属锡加入铜合金中会使铜合金品粒细化，并起到固溶强化作用，提高耐磨性；金属镍同样也使晶粒细化、并且能够提高合金耐蚀性及强度。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金还包括以下组分：pb0.5％-2％、si0.01％-3％、al0.01％-3％、mg0.01％-2％和微量元素组合0.001％-0.8％。为了提该亚稳态微晶结构体合金的加工性能，在该合金中还加入了金属元素pb、si、mn、al、mg和微量元素组合。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金包括以下组分：cu40％-60％、ni5％-15％、zn8％-25％、sn5％-15％、pb0.75％-1.5％、fe0.5％-5％、si0.05％-3％、mn0.05％-3％、al0.01％-2％、mg0.02％-0.5％和微量元素组合0.05％-0.8％。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金包括以下组分：cu40％-50％、ni10％-15％、zn8％-20％、sn5％-10％、pb3％-5％、fe2％-5％、si0.05％-2％、mn0.05％-2％、al0.01％-1％、mg0.02％-0.3％和微量元素组合0.05％-0.6％。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金包括以下组分：cu50％、ni16％、zn18％、sn6％、pb3.5％、fe2.5％、si1.35％、mn1.735％、al0.85％、mg0.05％和微量元素组合0.015％。

作为优化，微量元素组合为re、ti、cr、mo、w、zr、bi、b中的三种或三种以上元素的组合。

一种亚稳态微晶结构体合金的制备方法，该合金的制备方法包括以下步骤：

(1)准备原材料，称取cu、ni、zn、sn、pb、fe、si、mn、al、mg和微量元素组合；

(2)高温熔炼，得溶体金属；

(3)注入模具中，冷却，取出金属锭，即得亚稳态微晶结构体合金。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金的制备方法，该合金的制备方法包括以下步骤：

(1)准备原材料，称取以下各组分：cu、ni、zn、sn、pb、fe、si、mn、al、mg和微量元素组合；

(2)在加热炉的坩埚内铺入石墨粉，按重量计将上述原料中cu料的一半铺在石墨粉上，然后在cu料上铺入ni块，再铺入覆盖剂，开炉升温至全部金属融化后，加入pb块、fe块、si块和mn块，搅拌至金属全部熔化后，再加入al块和zn块，保温，使熔体金属脱气；

(3)然后向步骤(2)所得的混合料中依次加入sn块、mg块、微量元素组合和剩余的cu块，搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，降温，将熔体金属注入浇筑型模具中，加入覆盖剂并冷却，至金属表面结壳形成金属锭，强制冷却，取出金属锭，即得亚稳态微晶结构体合金。

作为优化，一种亚稳态微晶结构体合金的制备方法，该合金的制备方法包括以下步骤：

(1)准备原材料，按质量百分比称取以下各组分：cu35％-80％、ni10％-25％、zn5％-35％、sn1％-15％、pb0.5％-2％、fe0.1％-5％、si0.01％-3％、mn0.05％-4％、al0.01％-3％、mg0.01％-2％和微量元素组合0.001％-0.8％；

(2)在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的石墨粉，按重量计将上述原料中cu料的一半均匀铺在石墨粉上，然后在cu料上均匀铺入全部ni块，再铺入3cm厚的覆盖剂，开炉升温至全部金属融化后，加入全部pb块、fe块、si块和mn块，搅拌至金属全部熔化后，再加入全部al块和zn块，保温4-6min，使熔体金属脱气；

(3)然后向步骤(2)所得的混合料中依次加入全部sn块、mg块、微量元素组合和剩余的cu块，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1000℃-1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，加入覆盖剂并冷却5-12min，至金属表面结壳形成金属锭，然后强制冷却至室温，取出金属锭，即得亚稳态微晶结构体合金。

作为优化，步骤(1)中各组分均为纯度在99.9％以上的块状物，所述块状物的体积≤2cm³；步骤(2)中的加热炉为感应炉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一是本发明该亚稳态微晶结构体合金的主要元素是铜、锌、锡、镍、锰、铁等，这些元素的电极电位存在差异，利用这些元素制备的合金中，会有电势差存在，形成多个微小的原电池，电极电位较低的锌首先被氧化为离子进入水中，释放出来的电子同样进入水中，相比碳酸根离子和自由电子，钙离子和带正电的胶体更容易与电子结合，形成稳定结构，不再进行吸附，减少结垢；锌离子能够抑制文石向方解石转换，而且锌离子含量很小时便可以起到很大的作用，当水流经合金材料时，微量锌离子进入水中，抑制文石向方解石的转换，文石呈粉末或淤泥状，利于被水冲走，而不附着于管壁上，达到了阻垢的目的；

二是在固-液表面处，固体表面上与其附近的液体内通常会分别带有电性相反、电量相等的两层离子，形成了双电层。当水流经合金材料时，该亚稳态微晶结构体合金材料与流体之间同样存在双电层，合金表面带正电，构成双电层溶液一侧剩余电荷的阴离子水化程度较低，又能进行特性吸附，因而阴离子的水化膜遭到破坏，即阴离子能够逸出水化膜，取代水偶极层中的水分子而直接吸附在合金表面，组成内紧密层。一部分碳酸根离子吸附于合金表面，而且由于其被水化膜包围，和钙离子结合比较困难，由于碳酸根离子的特性吸附，使得溶液中的碳酸根离子的量降低，与钙离子结合的几率减小，从而溶液中剩余钙离子含量较高，达到阻垢的目的；

三是本发明在不改变流体化学成分前提下，利用该亚稳态微晶结构体合金产生高的电化学催化活性机理，阻止水垢的生成，并具有很强的溶解水垢能力，运行过程不需要额外维护与无磁无电。当流体中的离子被激活时，成垢阳离子处于兴奋状态，使其难以与酸根结合成垢。同时，电化学活性的持续作用会导致垢盐晶体发生“方解石型”向“文石型”转变，垢盐晶体变得疏松，与壁面结合力降低，导致已经板结的垢层逐渐松脱溶解；

四是本发明采用更合理的配方组分，提升了合金释放电子的能力和耐腐蚀性能，在合金的机械加工性能方面也有明显的提高，且本发明的合金为亚稳态微晶结构体合金，与现有技术的晶轴形成的柱状合金相比，亚稳态微晶结构体合金在某些性能方面更具特别的优势，该亚稳态微晶结构体合金也因结构的优化，电子释放量得到了较大的提高；防垢防腐蚀性能更加趋于稳定；与现有技术的晶轴形成的柱状合金相比，该亚稳态微晶结构体合金更先进、更稳定，完全满足目前阻垢设备工程应用要求，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的亚稳态微晶结构体合金材料的金相图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种亚稳态微晶结构体合金，按质量百分比该合金包括以下组分：cu55％、ni15％、zn10％、sn10％、pb2％、fe3％、si2％、mn2.5％、al0.45％、mg0.03％和微量元素组合0.02％；微量元素组合为re、ti和cr中三种元素的组合。