CN102304642A - 一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法，该铸造耐磨锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Sn10-14%，Pb2-5%，Ni1-4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu。该铸造耐磨锡青铜合金的制备方法为：将原材料电解铜板、纯镍板、纯锡锭和纯铅锭依次熔炼，之后向熔融液中添加精炼剂，浇注，冷却，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭，合金铸锭经均匀化退火处理得到铸造耐磨锡青铜合金产品。本发明制得的铸造耐磨锡青铜合金成分均匀，枝晶偏析得到明显改善，铸态缺陷少，合金硬度≥100HB，抗拉强度≥300MPa，延伸率≥10%，尤其适用于交通电力行业耐磨重载关键部件。

Description

一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及锡青铜合金制备技术领域，具体涉及一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法。

背景技术

锡青铜是以锡为主要合金元素，同时添加有Pb、Ni等元素的合金，具有良好的耐磨性、耐蚀性，主要用于制造蒸汽锅炉、海船及其它机器设备的弹性元件和汽车及其他工业中承受摩擦的零件，如汽缸活塞销衬套、轴承和衬套内衬、副连杆衬套、圆盘和垫圈等耐磨零件等。工业用锡青铜含锡量一般在3％～14％，可分为加工锡青铜和铸造锡青铜，用于压力加工的锡青铜含锡量低于8％，铸造锡青铜的含锡量为10％～14％。

随着产品服役条件的苛刻化和产品应用领域的多样化，传统锡青铜材料的性能需进一步提高来满足产品苛刻服役条件下的功能需求，同时锡青铜合金的品种也需进一步完善和多样化来满足特殊工况条件下的产品需要。目前GB/T1176-1987共有6个牌号的铸造锡青铜，由于锡青铜合金具有结晶温度范围大，凝固区域宽的结晶特征，铸造性能方面流动性差，易产生缩松、偏析等铸造缺陷，因此，目前锡青铜合金开发需解决的主要问题成分偏析和铸造缺陷等问题，为此采用的主要手段是调整成分和改善制备工艺，例如齐齐哈尔第一机床厂采用传统大气环境下常规重力浇注工艺研制了锡青铜G2CuSn12Pb，北京科技大学利用真空熔铸法制备了锡青铜ZSn9Zn5、ZSn5Zn9。但目前还未见有铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法的报道，因此，提供一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法对于满足实际产品需要具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铸造耐磨锡青铜合金。

本发明的目的还在于提供一种铸造耐磨锡青铜合金的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种铸造耐磨锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 10-14%，Pb 2-5%，Ni 1-4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu。

优选的，铸造耐磨锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Sn 12%，Pb 3.5%，Ni 2.5%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

（1）准备原材料：取电解铜板、纯锡锭、纯镍板和纯铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

（2）配料：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；

（3）熔炼：先向熔炼炉中加入木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1150～1250℃，持续时间40～60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500℃～1550℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10～15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1150～1250℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1～3分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

（4）添加精炼剂：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，精炼剂的用量为熔液总重的0.5%～2%，之后搅拌均匀，温度升至1200～1250℃并静置1～3分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

（5）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后，将熔液转移至浇包内，然后浇注到铸型中，浇注温度为1120℃～1150℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

（6）均匀化退火：步骤（5）的铸造耐磨锡青铜合金铸锭在600～800℃下保温6～10小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。

步骤（4）中所述的精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：60-80%的Eu或Eu₂O₃、10-30%的SiO₂、8-10%的Rb₂O₂和0.5-2%的YVO₄或Y₂O₃。

步骤（5）中在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为250～350℃。

优选的，步骤（6）中对铸造耐磨锡青铜合金铸锭进行均匀化退火处理时的温度为750℃，保温8小时，之后空冷。

本发明提供的铸造耐磨锡青铜合金中富含锡、铅等元素，凝固范围大，加之铅比重较大且不固溶于铜锡合金，而以单相、呈黑色颗粒状分布在枝晶间，因此在熔炼铸造过程中易出现锡元素逆向偏析、铅元素比重偏析以及微观枝晶偏析等缺陷。因此本发明提供的铸造耐磨锡青铜合金的制备方法使用了精炼剂，该精炼剂具有除气、增强熔液流动性、细化晶粒等功效。通过添加该精炼剂，本发明制得的铸造耐磨锡青铜合金产品成分均匀，组织细化，性能优良，通过之后的均匀化退火处理，进一步改善了铸造耐磨锡青铜合金的枝晶偏析缺陷。

采用本发明方法制得的铸造耐磨锡青铜合金具有以下优点：（1）合金成分均匀，经均匀化退火后较好的改善了枝晶偏析；（2）铸态缺陷少，合金硬度≥100HB，抗拉强度≥300MPa，延伸率≥10%。采用本发明方法制得的铸造耐磨锡青铜合金尤其适合交通电力行业耐磨重载关键部件使用。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图2为与本发明实施例1的铸造耐磨锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用常规的铸造方法即配料→熔炼→浇注的制备工艺制备出的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图3为本发明实施例2制得的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图4为与本发明实施例2的铸造耐磨锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用常规的铸造方法即配料→熔炼→浇注的制备工艺制备出的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图5为本发明实施例3制得的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图6为与本发明实施例3的铸造耐磨锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用常规的铸造方法即配料→熔炼→浇注的制备工艺制备出的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图7为本发明实施例4制得的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片；

图8为与本发明实施例4的铸造耐磨锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用常规的铸造方法即配料→熔炼→浇注的制备工艺制备出的铸造耐磨锡青铜合金产品的微观组织照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例的铸造耐磨锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 14%，Pb 2%，Ni 1%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0.25%，余量为Cu。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，具体步骤为：

（1）准备原材料：取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99.90%的1#锡锭、纯度为99.99%的1#镍板、纯度为99.994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

（2）配料：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；

（3）熔炼：先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1250℃，持续时间40分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1550℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1250℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

（4）添加精炼剂：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，该精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：Eu 60%、SiO₂ 30%、Rb₂O₂ 8%、YVO₄ 2%，精炼剂的用量为熔液总重的0.5%，之后慢慢的从上到下充分搅拌，当温度升至1200℃后，停止加热，静置3分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

（5）浇注：熔液表面无浮渣出现后，这时熔液表面拨开熔液呈镜面状，将熔液转移至浇包内，然后浇注到预热过的铸型中，预热温度为350℃，浇注温度为1150℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

（6）均匀化退火：步骤（5）的铸造耐磨锡青铜合金铸锭在600℃下保温8小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。得到的铸造耐磨锡青铜合金产品直接用于机加工。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的硬度达到119HB，抗拉强度和延伸率分别为313MPa和11.2%，合金塑性提高，枝晶偏析得到明显改善。本实施例铸造耐磨锡青铜合金的微观组织照片见图1所示。

在组成成分与本实施例铸造耐磨锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料→熔炼→浇注的现有常规制备工艺制备出的合金硬度为93HB，抗拉强度和伸长率分别为206MPa和4.2%，且偏析严重，其微观组织照片见图2所示。

图2中可以看出有大量树枝晶存在，枝晶偏析明显；图1中基本没有树枝晶存在，成分分布均匀，枝晶偏析得到明显改善。

实施例2

本实施例的铸造耐磨锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 12%，Pb 3.5%，Ni 2.5%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0.23%，余量为Cu。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，具体步骤为：

（1）准备原材料：取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99.90%的1#锡锭、纯度为99.99%的1#镍板、纯度为99.994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

（2）配料：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；

（3）熔炼：先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1150℃，持续时间60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1150℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间3分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

（4）添加精炼剂：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，该精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：Eu 69.5%、SiO₂ 20%、Rb₂O₂ 10%、YVO₄ 0.5%，精炼剂的用量为中熔液总重的1.5%，之后慢慢的从上到下充分搅拌，当温度升至1250℃后，停止加热，静置1分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

（5）浇注：熔液表面无浮渣出现后，此时熔液表面拨开熔液呈镜面状，将熔液转移至浇包内，然后浇注到预热过的铸型中，预热温度为250℃，浇注温度为1120℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

（6）均匀化退火：步骤（5）的铸造耐磨锡青铜合金铸锭在680℃下保温10小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。得到的铸造耐磨锡青铜合金产品直接用于机加工。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的硬度达到121HB，抗拉强度和延伸率分别为328MPa和16.3%，合金塑性提高，枝晶偏析得到明显改善。本实施例铸造耐磨锡青铜合金的微观组织照片见图3所示。

在组成成分与本实施例铸造耐磨锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料→熔炼→浇注的现有常规制备工艺制备出的合金的硬度为78HB，抗拉强度和伸长率分别为219MPa和3.9%，且偏析严重。其微观组织照片见图4所示。

实施例3

本实施例的铸造耐磨锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 10%，Pb 5%，Ni 4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0.20%，余量为Cu。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，具体步骤为：

（1）准备原材料：取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99.90%的1#锡锭、纯度为99.99%的1#镍板、纯度为99.994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

（2）配料：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；

（3）熔炼：先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1200℃，持续时间50分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1200℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间2分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

（4）添加精炼剂：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，该精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：Eu₂O₃ 60%、SiO₂ 30%、Rb₂O₂ 8%、Y₂O₃ 2%，精炼剂的用量为熔液总重的2%，之后慢慢的从上到下充分搅拌，当温度升至1200℃后，停止加热，静置2分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

（5）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后，将熔液转移至浇包内，然后浇注到预热过的铸型中，预热温度为300℃，浇注温度为1150℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

（6）均匀化退火：步骤（5）的铸造耐磨锡青铜合金铸锭在750℃下保温8小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。得到的铸造耐磨锡青铜合金产品直接用于机加工。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的硬度达到128HB，抗拉强度和延伸率分别为336MPa和17.6%，合金塑性提高，枝晶偏析得到明显改善。本实施例铸造耐磨锡青铜合金的微观组织照片见图5所示。

在组成成分与本实施例铸造耐磨锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料→熔炼→浇注的现有常规制备工艺制备出的合金的硬度为68HB，抗拉强度和伸长率分别为223MPa和3.7%，且偏析严重。其微观组织照片见图6所示。

实施例4

本实施例的铸造耐磨锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 14%，Pb 2%，Ni 4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0.25%，余量为Cu。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，具体步骤为：

（1）准备原材料：取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99.90%的1#锡锭、纯度为99.99%的1#镍板、纯度为99.994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；

（2）配料：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取经步骤（1）处理后的原材料；

（3）熔炼：先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1250℃，持续时间40分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1550℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1250℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；

（4）添加精炼剂：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，该精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：Eu₂O₃ 80%、SiO₂ 10%、Rb₂O₂ 9.5%、Y₂O₃ 0.5%，精炼剂的用量为熔液总重的0.8%，之后慢慢的从上到下充分搅拌，当温度升至1200℃后，停止加热，静置2分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

（5）浇注：熔液表面无浮渣出现后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后，将熔液转移至浇包内，然后浇注到预热过的铸型中，预热温度为350℃，浇注温度为1150℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

（6）均匀化退火：步骤（5）的铸造耐磨锡青铜合金铸锭在800℃下保温10小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。得到的铸造耐磨锡青铜合金产品直接用于机加工。

本实施例铸造耐磨锡青铜合金的硬度达到114HB，抗拉强度和延伸率分别为309MPa和13.8%，合金塑性提高，枝晶偏析得到明显改善。本实施例铸造耐磨锡青铜合金的微观组织照片见图7所示。

在组成成分与本实施例铸造耐磨锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料→熔炼→浇注的现有常规制备工艺制备出的合金的硬度为76HB，抗拉强度和伸长率分别为252MPa和7.3%，且偏析严重。其微观组织照片见图8所示。

Claims (6)

1.一种铸造耐磨锡青铜合金，其特征在于，由以下重量百分含量的组分组成：Sn 10-14%，Pb 2-5%，Ni 1-4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu。

2.根据权利要求1所述的铸造耐磨锡青铜合金，其特征在于，该铸造耐磨锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Sn 12%，Pb 3.5%，Ni 2.5%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu。

3.一种权利要求1或2所述的铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

配料步骤：按铸造耐磨锡青铜合金的组成称取原材料，所述原材料为电解铜板、纯锡锭、纯镍板和纯铅锭，所述铸造耐磨锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成：Sn 10-14%，Pb 2-5%，Ni 1-4%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.25%，余量为Cu；

熔炼步骤：在微氧化气氛下加热熔化电解铜板，温度为1150～1250℃，持续时间40～60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500℃～1550℃并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10～15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1150～1250℃，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1～3分钟，熔炼过程中搅拌，扒渣；

加精炼剂步骤：扒渣完毕后向熔液中加入精炼剂，精炼剂的用量为熔液总重的0.5%～2%，之后搅拌均匀，温度升至1200～1250℃并静置1～3分钟，待熔液表面有浮渣时，再进行扒渣处理，直至熔液表面无浮渣出现；

浇注步骤：熔液表面无浮渣出现后，将熔液转移至浇包内，然后浇注到铸型中，浇注温度为1120℃～1150℃，之后冷却，取出，得到铸造耐磨锡青铜合金铸锭；

退火步骤：铸造耐磨锡青铜合金铸锭在600～800℃下保温6～10小时，之后空冷，进行均匀化退火处理，得到铸造耐磨锡青铜合金产品。

4.根据权利要求3所述的铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，其特征在于，所述精炼剂由以下重量百分含量的组分组成：60-80%的Eu或Eu₂O₃、10-30%的SiO₂、8-10%的Rb₂O₂和0.5-2%的YVO₄或Y₂O₃。

5.根据权利要求3所述的铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，其特征在于，浇注步骤中，在将熔液浇注到铸型中之前，预热铸型，预热温度为250～350℃。

6.根据权利要求3所述的铸造耐磨锡青铜合金的制备方法，其特征在于，退火步骤中，对铸造耐磨锡青铜合金铸锭进行均匀化退火处理时的温度为750℃，保温8小时，之后空冷。

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