CN107460364A - 一种用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法。本发明的用于轴瓦的连续铸造合金材料由如下重量百分比的组分组成：锌1.5‑3.5wt％，锡3.5‑7.5wt％，铋0.3‑1.0wt％，碳化硅0.15‑0.5wt％，氧化铝0.1‑0.5wt％，铜余量。其制备方法包括分批次熔炼、搅拌以及检验等步骤。本发明提供的用于轴瓦的连续铸造合金材料不含铅元素，在不增加成本的情况下，满足了对了该合金的环保性能的要求的同时有进一步改善了合金的切削性能和硬度，更适合于高温(400℃)情况的耐磨零部件。

Description

一种用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金材料及其制备方法，特别是涉及一种用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法。
背景技术
铜合金是以铜为基加入其他元素组成的合金。现有的锡青铜材料为了实现其易切屑性能往往会添加铅元素，随着环保意识的明显提高，含铅元素的青铜合金已经不能满足国内外高端市场的要求。
因此，目前需要一种既无须添加铅元素又具有良好的切削性的合金材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于，通过改进合金材料成分及各成分间质量配比，提供一种切削性能良好并且不含铅元素的用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：
一种用于轴瓦的连续铸造合金材料，由如下重量百分比的组分组成：锌1.5-3.5wt％，锡3.5-7.5wt％，铋0.3-1.0wt％，碳化硅0.15-0.5wt％，氧化铝0.1-0.5wt％，铜余量。
进一步地，该用于轴瓦的连续铸造合金材料由如下重量百分比的组分组成：锌2wt％，锡5wt％，铋0.7wt％，碳化硅0.3wt％，氧化铝0.2wt％，铜余量。
进一步地，该用于轴瓦的连续铸造合金材料由如下重量百分比的组分组成：锌1.5wt％，锡7.5wt％，铋0.3wt％，碳化硅0.5wt％，氧化铝0.3wt％，铜余量。
进一步地，该用于轴瓦的连续铸造合金材料由如下重量百分比的组分组成：锌3.5wt％，锡3.5wt％，铋0.5wt％，碳化硅0.15wt％，氧化铝0.4wt％，铜余量。
进一步地，铋为纯度大于99.99％的高纯度铋。
进一步地，碳化硅为粒径大于5μm，小于50μm的碳化硅颗粒。
进一步地，氧化铝为粒径大于50μm，小于100μm的氧化铝颗粒。
一种用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，具有以下步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为6-10cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.2-1.5小时；
步骤3：从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比是否满足锌：锡：铜＝1.5-3.5：3.5-7.5：89.45-91.95，若满足则溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至350-400℃，时间为50-60分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温20-30分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1100-1500℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比是否满足锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝1.5-3.5：3.5-7.5：89.45-91.95：0.3-1.0：0.15-0.5：0.1-0.5，若满足则溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，若晶粒组织均匀则溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温30-40分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ25mm-Φ200mm，内径为Φ10mm-Φ160mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行三到五次成分检验。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：将传统铅元素替换为铋元素，并添加纳米级碳化硅材料，按照一定的成分配比，适当的温度，通过铋的冷涨热缩性能及纳米碳化硅和氧化铝材料的高韧性和高硬度从而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜。本发明在不增加成本的情况下，满足了对了该合金的环保性能的要求的同时有进一步改善了合金的切削性能和硬度，更适合于高温(400℃)情况的耐磨零部件。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明提供的用于轴瓦的连续铸造合金材料及其制备方法作进一步说明，但并非限制本发明的应用范围。
实施例1
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的各组分的重量百分比为：锌2wt％，锡5wt％，铋0.7wt％，碳化硅0.3wt％，氧化铝0.2wt％，铜余量。
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为8cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.3小时；
步骤3：从工频电炉中取样，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行三次成分检验，检验其成分及各成分重量比是否满足锌：锡：铜＝3：6：89.9，溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至380℃，时间为55分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温25分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1300℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝3：6：89.8：0.7：0.3：0.2，溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，晶粒组织均匀，溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温35分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ25mm，内径为Φ10mm，度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行三成分检验。
实施例2
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的各组分的重量百分比为：锌1.5wt％，锡7.5wt％，铋0.3wt％，碳化硅0.5wt％，氧化铝0.3wt％，铜余量。
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为6cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.2小时；
步骤3：从工频电炉中取样，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行四次成分检验，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜＝1.5：7.5：89.9，溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至350℃，时间为50分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温20分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1100℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝1.5：7.5：89.9：0.3：0.5：0.3，溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，晶粒组织均匀，溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温30分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ200mm，内径为Φ160mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行四次成分检验。
实施例3
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的各组分的重量百分比为：锌3.5wt％，锡3.5wt％，铋0.5wt％，碳化硅0.15wt％，氧化铝0.4wt％，铜余量。
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为10cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.5小时；
步骤3：从工频电炉中取样，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行五次成分检验，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜＝3.5：3.5：91.95，溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至400℃，时间为60分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温30分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1500℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝3.5：3.5：91.95：0.5：0.15：0.4，溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，晶粒组织均匀，溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温40分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ100mm，内径为Φ80mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行五次成分检验。
实施例4
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的各组分的重量百分比为：锌3wt％，锡4wt％，铋1.0wt％，碳化硅0.45wt％，氧化铝0.1wt％，铜余量。
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为7cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.4小时；
步骤3：从工频电炉中取样，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行六次成分检验，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜＝3：4：91.45，溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至360℃，时间为58分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温27分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1400℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝3：4：9.45：1.0：0.45：0.1，溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，晶粒组织均匀，溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温37分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ100mm，内径为Φ80mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行三次成分检验。
实施例5
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的各组分的重量百分比为：锌2.5wt％，锡6.5wt％，铋0.8wt％，碳化硅0.25wt％，氧化铝0.5wt％，铜余量。
本发明实施例1的用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为8cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.3小时；
步骤3：从工频电炉中取样，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行三次成分检验，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜＝2.5：6.5：89.45，溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至380℃，时间为55分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温25分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1300℃，再次从工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比为锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝2.5：5.5：89.45：0.8：0.25：0.5，溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，晶粒组织均匀，溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温35分钟后，重新升温至1200℃，并开启工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ150mm，内径为Φ100mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤3采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉取出的样品进行五次成分检验。
依据本发明制备的用于轴瓦的连续铸造合金材料与传统含铅青铜材料的性能对比如图表1所示：
表1
品名 硬度(HBS) 抗拉强度(MPa)
实施例1 110 380
实施例2 100 450
实施例3 120 310
实施例4 118 360
实施例5 104 420
传统含铅青铜材料 70-80 270
根据上述表1的数据可以看出，依据本发明的用于轴瓦的连续铸造合金材料的硬度和抗拉强度得到了显著的提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锌1.5-3.5wt％，锡3.5-7.5wt％，铋0.3-1.0wt％，碳化硅0.15-0.5wt％，氧化铝0.1-0.5wt％，铜余量。
2.根据权利要求1所述的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锌2wt％，锡5wt％，铋0.7wt％，碳化硅0.3wt％，氧化铝0.2wt％，铜余量。
3.根据权利要求1所述的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锌1.5wt％，锡7.5wt％，铋0.3wt％，碳化硅0.5wt％，氧化铝0.3wt％，铜余量。
4.根据权利要求1所述的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，由如下重量百分比的组分组成：锌3.5wt％，锡3.5wt％，铋0.5wt％，碳化硅0.15wt％，氧化铝0.4wt％，铜余量。
5.根据权利要求1-4中任一项的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，所述铋为纯度大于99.99％的高纯度铋。
6.根据权利要求1-4中任一项的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，所述碳化硅为粒径大于5μm，小于50μm的碳化硅颗粒。
7.根据权利要求1-4中任一项的用于轴瓦的连续铸造合金材料，其特征在于，所述氧化铝为粒径大于50μm，小于100μm的氧化铝颗粒。
8.根据权利要求1-7中任一项所述用于轴瓦的连续铸造合金材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：
步骤1：在常规条件下按照重量百分比将电解铜﹑锡﹑锌置于工频电炉内，加热至1180℃完全熔化后保温至1000℃；
步骤2：用石墨工具将步骤1所得的合金液体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度为6-10cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化，并保温1.2-1.5小时；
步骤3：从所述工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比是否满足锌：锡：铜＝1.5-3.5：3.5-7.5：89.45-91.95，若满足则溶液合格；
步骤4：按照比例将铋﹑碳化硅﹑氧化铝同时放置于坩埚炉中加热至350-400℃，时间为50-60分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为350r/Min，促使碳化硅均匀的分布在铋的溶液当中，搅拌完成后保温20-30分钟；
步骤5：将步骤4保温完成后的碳化硅、铋和氧化铝的溶液添加到经步骤3检验合格的溶液中，再次用石墨棒进行搅拌，搅拌速度为400r/Min并加温至1100-1500℃，再次从所述工频电炉中取样，检验其成分及各成分重量比是否满足锌：锡：铜：铋：碳化硅：氧化铝＝1.5-3.5：3.5-7.5：89.45-91.95：0.3-1.0：0.15-0.5：0.1-0.5，若满足则溶液合格；
步骤6：从经步骤5检验合格的溶液取样，待其凝固并抛光后观察金相，若晶粒组织均匀则溶液合格；
步骤7：将经步骤6检验合格的溶液保温30-40分钟后，重新升温至1200℃，并开启所述工频电炉的振动装置，振动频率为6次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ25mm-Φ200mm，内径为Φ10mm-Φ160mm长度为500mm的空心合金管材；
步骤8：用高精度车床对合金管材进行表面车削至表面公差为±0.1mm，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3采用斯派克直读光谱仪对从所述工频电炉取出的样品进行三到五次成分检验。
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