本发明涉及锰镍中间合金铸锭、铜锰镍合金铸锭及其制备方法和应用。
背景技术：
：近年来在铜合金领域，cu-mn-ni合金作为一种新型的铜基弹性材料，在强度和弹性性能方面表现优异，主要应用于机械手表擒纵轮片和擒纵叉、载流弹性元件或精密仪表弹性元件。目前，cu-mn-ni合金铸锭的生产工艺主要有粉末冶金法、非真空熔铸-电渣重熔法、真空熔炼-金属型浇注和水平连铸法。虽然易于操作，但粉末冶金法制得的合金铸锭气体含量较高，致密度一般，不适用于进一步制备弹性元件；非真空熔铸-电渣重熔法和水平连铸法在制备过程中，元素烧损大，成分均匀性和一致性均较差；真空熔炼-金属型浇注一般是采用金属铜、锰、镍配料，再依次进行真空熔炼和金属型浇注，对模具的要求较高，对于特殊产品可实现性差，而且真空熔炼-金属型浇注制得的合金铸锭均匀度较差，且冒口材料颈出现较深的缩孔，导致材料的利用率较低。因此，亟需提供一种气体含量低，成分、组织均匀，致密度好，一致性好的锰镍中间合金铸锭和铜锰镍合金铸锭，且能够进一步制得高强度和高弹性的cu-mn-ni合金。技术实现要素：本发明所要解决的问题在于克服现有技术中铜锰镍合金铸锭气体含量较高，致密度不佳，成分、组织不均匀，一致性不好或者存在偏析的缺陷，并提供一种锰镍中间合金铸锭、铜锰镍合金铸锭及其制备方法和应用。本发明中的锰镍中间合金铸锭和铜锰镍合金铸锭气体含量低，致密度好，成分、组织均匀，一致性好，无偏析，元素烧损较小；其制备方法工艺简单，能耗低，有效地提高了生产效率和材料利用率；可进一步制得高强度和高弹性的cu-mn-ni合金。本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：本发明提供的技术方案之一为：一种锰镍中间合金铸锭，所述锰镍中间合金铸锭为mn50ni50中间合金铸锭；所述mn50ni50中间合金铸锭的制备方法包括如下步骤：将所述mn50ni50中间合金铸锭的原料经真空熔炼处理和浇铸处理，即可；所述真空熔炼处理的功率经程序上升，所述程序上升中包括3个阶段；其中，第1阶段为将开启功率设置为25±2kw，保持5min；第2阶段为由25±2kw升高至45±2kw，保持45±2kw5min；第3阶段为由45±2kw升高至65kw，保持65kw直至所述mn50ni50中间合金铸锭的原料熔化完全；所述浇铸处理的方式为水冷铜模浇铸。本发明中，所述mn50ni50中间合金铸锭的原料可包括mn和ni。其中，根据本领域常规，所述mn和所述ni的质量含量之比可为1:1；允许的误差范围可为1：(0.95～1.05)；例如，所述mn质量含量为51wt％；所述ni的质量含量为49wt％；或者，所述mn质量含量为49wt％；所述ni的质量含量为51wt％；百分比为各组分质量占所述mn50ni50中间合金铸锭的原料的总质量的质量百分比。本发明中，所述mn50ni50中间合金铸锭可包括50.21wt％mn；49.75wt％ni；0.0035wt％o；0.0006wt％n；0.0025wt％c；0.0008wt％s；百分比为各组分质量占所述mn50ni50中间合金铸锭总质量的质量百分比。本发明中，所述真空熔炼处理的真空度优选为10pa以下。本发明中，优选地，所述mn50ni50中间合金铸锭的原料熔化完全后，将所述真空熔炼处理的功率降低至20kw以下，并充入氩气；当压力为-0.08mpa时，将所述真空熔炼处理的功率进行第4阶段的升高，所述第4阶段可为由20kw以下升高至60kw，并保持60kw3min。其中，所述氩气优选为本领域常规的高纯氩气。本发明中，所述浇铸处理可为本领域常规的浇铸处理，优选为将所述真空熔炼处理的功率降低至40±5kw，保持40±5kw30s后开始浇铸。所述浇铸的时间可为50～70s，例如60s。根据本领域常规，所述mn50ni50中间合金铸锭的制备方法还可包括装炉、抽真空和出炉的步骤。其中，所述装炉可为将所述mn50ni50中间合金铸锭的原料装入坩埚内，合上炉盖后，关闭放气阀，并清理观察窗。所述抽真空的操作步骤可为开启机械泵，并打开低真空挡板阀进行抽真空，当真空压力为-0.08mpa以下时，开启罗茨泵。所述出炉一般可为当所述浇铸处理完成后，关闭加热装置，冷却30分钟后出炉。本发明提供的技术方案之二为：一种铜锰镍合金铸锭，所述铜锰镍合金铸锭为cumn20ni20合金铸锭；所述cumn20ni20合金铸锭包括如下质量百分比的组分：cu：56～64wt％；mn：18～22wt％；ni：18～22wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明所述cumn20ni20合金铸锭中，所述cu的质量百分比优选为58～62wt％，例如59.93wt％。所述mn的质量百分比优选为19～21wt％，例如19.91wt％。所述ni的质量百分比优选为19～21wt％，例如20.12wt％。所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明中，优选地，所述cumn20ni20合金铸锭包括如下质量百分比的组分：cu：59.93wt％；mn：19.91wt％；ni：20.12wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明中，所述cumn20ni20合金铸锭，还可包括o、n、c和s中的一种或多种。其中，所述o的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0008wt％。所述n的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0005wt％。所述c的质量百分比优选为<0.0035wt％，例如0.003wt％。所述s的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0009wt％。所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明中，所述cumn20ni20合金铸锭，优选还包括如下质量百分比的组分：o：0.0008wt％；n：0.0005wt％；c：0.003wt％；s：0.0009wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明中，所述cumn20ni20合金铸锭，优选由如下质量含量的组分，及不可避免的杂质组成：cu：59.93wt％；mn：19.91wt％；ni：20.12wt％；o：0.0008wt％；n：0.0005wt％；c：0.003wt％；s：0.0009wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。本发明提供的技术方案之三为：一种铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述铜锰镍合金铸锭为cumn20ni20合金铸锭；所述cumn20ni20合金铸锭的制备方法包括下述步骤：将所述cumn20ni20合金铸锭的原料经真空熔炼处理和浇铸处理，即可；其中，所述cumn20ni20合金铸锭的原料包括如前所述的mn50ni50中间合金铸锭和cu；所述真空熔炼处理的功率经程序上升，所述程序上升中包括5个阶段；其中，第1阶段为将开启功率设置为25±1kw，保持25±1kw3min；第2阶段为由25±1kw升高至35±1kw，保持35±1kw3min；第3阶段为由35±1kw升高至45±1kw，保持45±1kw3min；第4阶段为由45±1kw升高至55±1kw，保持55±1kw3min；第5阶段为由55±1kw升高至65kw，保持65kw直至所述cumn20ni20合金铸锭的原料熔化完全。本发明中，所述cumn20ni20合金铸锭的原料中，所述mn50ni50中间合金铸锭的质量含量可为36～44wt％，优选为38～42wt％，更优选为40wt％；所述cu的质量含量可为56～64wt％，优选为58～62wt％，更优选为60wt％；百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭的原料的总质量的质量百分比。所述mn50ni50中间合金铸锭可按照如前所述的制备方法制得。所述cu可为电解铜板。本发明中，所述真空熔炼处理的真空度可为本领域常规，优选为10pa以下。本发明中，优选地，所述cumn20ni20合金铸锭的原料熔化完全后，将所述真空熔炼处理的功率降低至20kw以下，并充入氩气；当压力为-0.08mpa时，将所述真空熔炼处理的功率进行第5阶段的升高，所述第5阶段的升高完成后，所述真空熔炼处理的功率可为60kw，并保持60kw3min。本发明中，所述浇铸处理可为本领域常规的浇铸处理，优选为将所述真空熔炼处理的功率降低至35±5kw，保持35±5kw25～35s后开始浇铸，例如30s。所述浇铸处理的方式可为水冷铜模浇铸。所述浇铸的总时间可为50～75s，优选为70s。所述浇铸可包括3个阶段；其中，第1阶段的浇铸速度可为4～6ml/s，例如5ml/s。第2阶段的浇铸速度可为16～20ml/s，例如20ml/s。第3阶段的浇铸速度可为4～6ml/s，例如5ml/s。优选地，当所述浇铸的总时间为70s时，所述第1阶段的浇铸时间为5s；所述第2阶段的浇铸时间为50s；所述第3阶段的浇铸时间为15s。根据本领域常规，所述cumn20ni20合金铸锭的制备方法还可包括装炉、抽真空和出炉的步骤。其中，所述装炉可为将所述cumn20ni20合金的原料装入坩埚内，合上炉盖后，关闭放气阀，并清理观察窗。所述抽真空的操作步骤可为开启机械泵，并打开低真空挡板阀进行抽真空，当真空压力为-0.08mpa以下时，开启罗茨泵。所述出炉一般可为当所述浇铸处理完成后，关闭加热装置，冷却30分钟后出炉。本发明中，所述坩埚优选为为不含碳的坩埚。本发明提供的技术方案之四为：一种如前所述的铜锰镍合金铸锭在制备cu-mn-ni合金中的应用。其中，所述cumn20ni20合金可用于制备机械手表擒纵轮片和擒纵叉、载流弹性元件或精密仪表弹性元件。在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。本发明所用试剂和原料均市售可得。本发明的积极进步效果在于：本发明中的锰镍中间合金铸锭和铜锰镍合金铸锭气体含量低，致密度好，成分、组织均匀，一致性好，无偏析，元素烧损较小；其制备方法工艺简单，能耗低，有效地提高了生产效率和材料利用率；可进一步制得高强度和高弹性的cu-mn-ni合金。附图说明图1为实施例1中cumn20ni20合金铸锭的制备方法流程图；图2为实施例1中cumn20ni20合金铸锭的50x铸态金相组织；图3为实施例1中cumn20ni20合金铸锭的100x铸态金相组织。具体实施方式下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。实施例1～3(一)实施例1～3中，mn50ni50中间合金铸锭的制备：(1)装炉：将mn50ni50中间合金铸锭的原料装入坩埚，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；其中，mn50ni50中间合金铸锭的原料如表1所示；(2)抽真空：开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力为-0.08mpa以下时，开启罗茨泵；(3)熔炼：当真空度为10pa以下时，加热升温；并将真空熔炼处理的功率经程序上升，其中，第1阶段为将开启功率设置为25±2kw，保持25±2kw5min；第2阶段为由25±2kw升高至45±2kw，保持45±2kw5min；第3阶段为由45±2kw升高至65kw，保持65kw直至坩埚内mn50ni50中间合金铸锭的原料熔化完全；当坩埚内原料熔化完全时，将功率降低至20kw以下，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至-0.08mpa时，关闭充氩阀，将真空熔炼处理的功率进行第4阶段的升高，第4阶段为由20kw以下升高至60kw，并保持60kw精炼3min；(4)浇铸：将功率降低至40kw±5kw，保持40kw±5kw30s后开始浇铸，水冷铜模浇注，浇铸时间为60s；(5)出炉：浇铸完成后，关闭加热，冷却30min后出炉。表1mn(％)ni(％)实施例15149实施例25149实施例35149(二)实施例1～3中，cumn20ni20合金铸锭的制备(1)装炉：将cumn20ni20合金铸锭的原料装入坩埚内，合上炉盖，关闭放气阀，清理观察窗；其中，mn50ni50中间合金铸锭采用上述(一)中的制备方法制得，cu为电解铜板；cumn20ni20合金铸锭的原料如表2所示；(2)抽真空：开启机械泵，打开低真空挡板阀抽真空，待炉内真空压力为-0.08mpa以下时，开启罗茨泵；(3)熔炼：当真空度为10pa以下时，加热升温；将真空熔炼处理的功率经程序上升，程序上升中包括5个阶段；其中，第1阶段为将开启功率设置为25±1kw，保持25±1kw3min；第2阶段为由25±1kw升高至35±1kw，保持35±1kw3min；第3阶段为由35±1kw升高至45±1kw，保持45±1kw3min；第4阶段为由45±1kw升高至55±1kw，保持55±1kw3min；第5阶段为由55±1kw升高至65kw，保持65kw直至坩埚内cumn20ni20合金铸锭的原料熔化完全；当坩埚内原料熔化完全时，将功率降至20kw以下，打开充氩气阀，缓慢向炉体内充入高纯氩气，炉内压力升至-0.08mpa时，关闭充氩阀，升功率至60kw，并保持60kw精炼3min；(4)浇铸：将功率降低至35kw±5kw，保持35kw±5kw30s后开始水冷铜模浇铸；浇铸时间为70s，共包括3个阶段，其中，第1阶段的浇铸速度为5ml/s，第1阶段的浇铸时间为5s；第2阶段的浇铸速度为20ml/s，第二阶段的浇铸时间为50s；第三阶段的浇铸速度为5ml/s，第三阶段的浇铸时间为15s。(5)出炉：浇铸完成后，关闭加热，冷却30分钟后出炉。表2mn50ni50中间合金铸锭(％)cu(％)实施例14060实施例240.559.5实施例339.560.5其中，实施例1～3中cumn20ni20合金铸锭的制备方法流程图如图1所示；实施例1中cumn20ni20合金铸锭的50x铸态金相组织如图2所示；实施例1中cumn20ni20合金铸锭的100x铸态金相组织如图3所示。效果实施例1实施例1～3中采用真空感应熔炼法制备的mn50ni50中间合金铸锭的化学含量检测结果如下表3：表3mn(％)ni(％)o(％)n(％)c(％)s(％)实施例150.2149.750.00350.00060.00250.0008实施例250.1249.860.00300.00040.00180.0006实施例350.1749.800.00280.00040.00200.0005注：上述实施例1～3的mn50ni50中间合金铸锭中还包括不可避免的杂质，表3中的各元素与不可避免的杂质的质量百分比之和为100％。上述实施例1～3的mn50ni50中间合金铸锭可以控制各元素的偏差小于0.5％，杂质含量小于0.05％；其中，可控制o<0.001wt％，n<0.001wt％，c<0.0035wt％，s<0.001wt％。实施例1～3中采用真空感应熔炼法制备的cumn20ni20合金铸锭的化学含量检测如下表4：表4注：上述实施例1～3的cumn20ni20合金铸锭中还包括不可避免的杂质，表4中的各元素与不可避免的杂质的质量百分比之和为100％。上述实施例1～5的cumn20ni20合金铸锭可以控制各元素的偏差小于0.5％，杂质含量小于0.05％；其中，可控制o<0.001wt％，n<0.001wt％，c<0.0035wt％，s<0.001wt％。由表3和表4可知，实施例1～3中的mn50ni50中间合金铸锭和cumn20ni20合金铸锭成分、组织均匀，一致性好，无偏析，元素烧损较小；其制备方法工艺简单，能耗低，有效地提高了生产效率和材料利用率；且进一步制得的cu-mn-ni合金强度和弹性均较高。当前第1页1 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技术特征：1.一种锰镍中间合金铸锭，其特征在于，所述锰镍中间合金铸锭为mn50ni50中间合金铸锭；
所述mn50ni50中间合金铸锭的制备方法包括如下步骤：将所述mn50ni50中间合金铸锭的原料经真空熔炼处理和浇铸处理，即可；
所述真空熔炼处理的功率经程序上升，所述程序上升中包括3个阶段；其中，第1阶段为将开启功率设置为25±2kw，保持5min；第2阶段为由25±2kw升高至45±2kw，保持45±2kw5min；第3阶段为由45±2kw升高至65kw，保持65kw直至所述mn50ni50中间合金铸锭的原料熔化完全；
所述浇铸处理的方式为水冷铜模浇铸。
2.如权利要求1所述的锰镍中间合金铸锭，其特征在于，所述mn50ni50中间合金铸锭的原料包括mn和ni；所述mn和所述ni的质量含量之比优选为1:1；
和/或，所述mn50ni50中间合金铸锭包括50.21wt％mn；49.75wt％ni；0.0035wt％o；0.0006wt％n；0.0025wt％c；0.0008wt％s；百分比为各组分质量占所述mn50ni50中间合金铸锭总质量的质量百分比。
3.如权利要求1所述的锰镍中间合金铸锭，其特征在于，所述真空熔炼处理的真空度为10pa以下；
和/或，所述mn50ni50中间合金铸锭的原料熔化完全后，将所述真空熔炼处理的功率降低至20kw以下，并充入氩气；当压力为-0.08mpa时，将所述真空熔炼处理的功率进行第4阶段的升高，所述第4阶段为由20kw以下升高至60kw，并保持60kw3min；
和/或，所述浇铸处理为将所述真空熔炼处理的功率降低至40±5kw，保持40±5kw30s后开始浇铸；优选地，所述浇铸的时间为50～70s，例如60s；
和/或，所述mn50ni50中间合金铸锭的制备方法还包括装炉、抽真空和出炉的步骤。
4.一种铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述铜锰镍合金铸锭为cumn20ni20合金铸锭；
所述cumn20ni20合金铸锭包括如下质量百分比的组分：
cu：56～64wt％；
mn：18～22wt％；
ni：18～22wt％；
所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比；
优选地，所述cumn20ni20合金铸锭中，所述cu的质量百分比为58～62wt％，例如59.93wt％；所述mn的质量百分比为19～21wt％，例如19.91wt％；所述ni的质量百分比为19～21wt％，例如20.12wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比；
优选地，所述cumn20ni20合金铸锭包括如下质量百分比的组分：
cu：59.93wt％；
mn：19.91wt％；
ni：20.12wt％；
所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。
5.如权利要求4所述的铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述cumn20ni20合金铸锭还包括o、n、c和s中的一种或多种；
所述o的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0008wt％；所述n的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0005wt％；所述c的质量百分比优选为<0.0035wt％，例如0.003wt％；所述s的质量百分比优选为<0.001wt％，例如0.0009wt％；所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。
6.如权利要求4所述的铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述cumn20ni20合金铸锭还包括如下质量百分比的组分：
o：0.0008wt％；
n：0.0005wt％；
c：0.003wt％；
s：0.0009wt％；
所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比；
优选地，所述cumn20ni20合金铸锭由如下质量含量的组分，及不可避免的杂质组成：
cu：59.93wt％；
mn：19.91wt％；
ni：20.12wt％；
o：0.0008wt％；
n：0.0005wt％；
c：0.003wt％；
s：0.0009wt％；
所述质量百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭总质量的百分比。
7.一种铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述铜锰镍合金铸锭为cumn20ni20合金铸锭；
所述cumn20ni20合金铸锭的制备方法包括下述步骤：将所述cumn20ni20合金铸锭的原料经真空熔炼处理和浇铸处理，即可；
其中，所述cumn20ni20合金铸锭的原料包括如权利要求1～3中任一项所述的mn50ni50中间合金铸锭和cu；
所述真空熔炼处理的功率经程序上升，所述程序上升中包括5个阶段；其中，第1阶段为将开启功率设置为25±1kw，保持25±1kw3min；第2阶段为由25±1kw升高至35±1kw，保持35±1kw3min；第3阶段为由35±1kw升高至45±1kw，保持45±1kw3min；第4阶段为由45±1kw升高至55±1kw，保持55±1kw3min；第5阶段为由55±1kw升高至65kw，保持65kw直至所述cumn20ni20合金铸锭的原料熔化完全。
8.如权利要求7所述的铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述cumn20ni20合金铸锭的原料中，所述mn50ni50中间合金铸锭的质量含量为36～44wt％，优选为38～42wt％，更优选为40wt％；所述cu的质量含量为56～64wt％，优选为58～62wt％，更优选为60wt％；百分比为各组分质量占所述cumn20ni20合金铸锭的原料的总质量的质量百分比；
所述mn50ni50中间合金铸锭如权利要求1～3中任一项所述；所述cu优选为电解铜板；
和/或，所述真空熔炼处理的真空度为10pa以下；
和/或，所述cumn20ni20合金铸锭的原料熔化完全后，将所述真空熔炼处理的功率降低至20kw以下，并充入氩气；当压力为-0.08mpa时，将所述真空熔炼处理的功率进行第5阶段的升高，所述第5阶段的升高完成后，所述真空熔炼处理的功率可为60kw，并保持60kw3min。
9.如权利要求7或8所述的铜锰镍合金铸锭，其特征在于，所述浇铸处理为将所述真空熔炼处理的功率降低至35±5kw，保持35±5kw25～35s后开始浇铸，例如30s；
和/或，所述浇铸处理的方式为水冷铜模浇铸；
和/或，所述浇铸的总时间为50～75s，优选为70s；
和/或，所述浇铸包括3个阶段；其中，第1阶段的浇铸速度为4～6ml/s，例如5ml/s；第2阶段的浇铸速度为16～20ml/s，例如20ml/s；第3阶段的浇铸速度为4～6ml/s，例如5ml/s；
和/或，所述cumn20ni20合金铸锭的制备方法还包括装炉、抽真空和出炉的步骤。
10.一种如权利要求4～9中任一项所述的铜锰镍合金铸锭在制备cu-mn-ni合金中的应用。
技术总结本发明公开了一种锰镍中间合金铸锭、铜锰镍合金铸锭及其制备方法和应用。该锰镍中间合金铸锭的制备方法包括如下步骤：将锰镍中间合金铸锭的原料经真空熔炼处理和浇铸处理，即可；真空熔炼处理的功率经程序上升，程序上升中包括3个阶段；浇铸的方式为水冷铜模浇铸。本发明中的锰镍中间合金铸锭和铜锰镍合金铸锭气体含量低，致密度好，成分、组织均匀，一致性好，无偏析，元素烧损较小；其制备方法工艺简单，能耗低，有效地提高了生产效率和材料利用率；可进一步制得高强度和高弹性的Cu‑Mn‑Ni合金。
技术研发人员：田东松;刘琦;孙君鹏;刘向东;王群;杨红艳;唐丽尖;韩依曼;张青队;梁建斌
受保护的技术使用者：西安斯瑞先进铜合金科技有限公司
技术研发日：2021.04.15
技术公布日：2021.07.30
