CN107723505A - 一种耐磨铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐磨铜合金及其制备方法，耐磨铜合金包括以下重量百分比的组分：铜66～68%，锰5～5.5%，铝1.5～1.6%，硅0.75～0.8%，锡0.75～0.8%，镍0.75～0.8%，钴0.75～0.8%，铁0.75～0.8%，镁0.75～0.8%，镧0.1～0.2%，钛0.1～0.2%，铬0.1～0.2%，锆0.1～0.12%，铌0.1～0.12%，其余的余量为锌和不可避免的杂质。本发明提供的耐磨铜合金其抗拉强度大于650MPa，延伸率大于5%，具有优良的力学性能。

Description

一种耐磨铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金，具体是一种耐磨铜合金及其制备方法。
背景技术
随着人们对铜合金的深入研究，发现通过加入少量的不同合金元素、通过工艺控制合金组织，能使材料具有许多优良的新特性。新产品、新技术的实用化使铜合金的品种越来越多，应用领域越分越细，性能要求也越来越高，许多品种已成为某一领域的专用牌号，其中就有以α相+β相为基础的新型复杂黄铜合金，该类材料不但合金基体强度高、韧性强，而且要求在基体上均匀分布有高硬度的耐磨相，与硬度相对较低的基体间形成优良的耐磨机制，从而在摩擦时建立稳定的润滑层，使材料在高速、重载的恶劣工况下，能有效地抵抗载荷的冲击及剧烈的磨损作用，具有良好的高强、耐磨特性。耐磨铜合金材料，自问世以来迅速普及，用于高强度、高耐磨性的重载高速液压转子、轴承、汽车同步器齿环及各种精密耐磨零部件的制造，并随着近年来我国加工制造业的蓬勃发展，市场需求量不断扩大。
现有耐磨铜合金( 如德国标准的CuZn40Al2，美国标准的C67420 ，美国标准的C86300合金)因其优良的力学性能、耐磨性能，热加工性能，被广泛用于工程机械、汽车零部件、液压等制造行业，耐磨铜合金在国内外市场用量都比较大。众所周知，含铅的零部件在生产或使用过程中会造成严重的环境污染，危害人体健康，美国、欧盟等相继出台相关的法律法规对零部件中铅含量进行控制。现在国内外对无铅黄铜的研究较多，并也取得了显著的进步。但对无铅耐磨铜合金的研究较少。随着ROSH指令（欧盟议会和欧盟理事会《关于在电子电器中特定有害物质禁用指令》）和美国加州法案的颁布，对整个制造业的原材料无铅化需求越来越迫切，国内外很多工程机械、液压、汽车零部件等行业龙头企业对铜合金无铅化提出了要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述不足，提供了一种具有优异的力学性能的耐磨铜合金。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种耐磨铜合金，包括以下重量百分比的组分：铜66～68%，锰5～5.5%，铝1.5～1.6%，硅0.75～0.8%，锡0.75～0.8%，镍0.75～0.8%，钴0.75～0.8%，铁0.75～0.8%，镁0.75～0.8%，镧0.1～0.2%，钛0.1～0.2%，铬0.1～0.2%，锆0.1～0.12%，铌0.1～0.12%，其余的余量为锌和不可避免的杂质。
所述耐磨铜合金的相组成为：β相为基体，α相在晶界上呈针状析出，锰硅、铝铁、镍硅、钴硅、铁硅、铬形成的强化相和镍、铁、铝三者形成的强化K相在基体上均匀分布。
所述锰和硅在黄铜中形成的锰硅化合物硬质点其维氏硬度值达700以上。
本发明还提供一种上述耐磨铜合金的制备方法，主要包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：所述熔炼温度为1160℃~1200℃，熔炼时采用玻璃和硼砂覆盖；采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼；熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃；
（2）扒皮：将铸锭的表面去除氧化皮，扒皮的厚度为2~5mm；
（3）水封挤压：将铸锭加热，加热温度为750℃~900℃，再对加热后的铸锭进行挤压，挤压比为8~15，挤压的柱塞速度为5~10mm/s；
（4）拉伸：拉伸时的冷变形采用30%的加工率。
（5）精整。
所述步骤（1）中采用中频炉进行熔炼。
所述步骤（1）中的玻璃与硼砂的比例是3:1，覆盖厚度为100~150mm。
所述步骤（1）中熔炼时金属的添加顺序是：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。
所述步骤（3）中采用2000KW的工频感应对铸锭加热，采用3000T的油压挤压机进行挤压。
所述步骤（4）中的拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度控制在25℃-30℃，PH值控制在8.0-8.5，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。
根据本发明所提供的制备方法制备成的耐磨铜合金，其抗拉强度大于650MPa，延伸率大于5%，具有优良的力学性能。
具体实施方式：
本发明所提供的一种耐磨铜合金，其主要包括以下重量百分比的组分：铜66～68%，锰5～5.5%，铝1.5～1.6%，硅0.75～0.8%，锡0.75～0.8%，镍0.75～0.8%，钴0.75～0.8%，铁0.75～0.8%，镁0.75～0.8%，镧0.1～0.2%，钛0.1～0.2%，铬0.1～0.2%，锆0.1～0.12%，铌0.1～0.12%，其余的余量为锌和不可避免的杂质。耐磨铜合金的相组成为：β相为基体，α相在晶界上呈针状析出，锰硅、铝铁、镍硅、钴硅、铁硅、铬形成的强化相和镍、铁、铝三者形成的强化K相在基体上均匀分布。
在上述耐磨铜合金中，各添加组分的作用说明如下：
添加铝的目的是通过固溶强化使其强度和硬度提高，有效的缓解材料无铅化造成的切削性能下降，同时铝可以有效的提高材料耐大气腐蚀性能。
由于锰和锌都能大量固溶于铜，起固溶强化作用，在一定的组分范围内，能形成铜锰锌三元固溶体，使合金具有良好的冷、热加工性能和较高的屈服点温度，提高合金的热稳定性。
而硅作为主要合金元素，其与锰、镍等均能形成硬质点化合物，提高材料的耐磨损性能并降低配对摩擦副之间的摩擦系数。
锰和硅在黄铜中可以形成维氏硬度（HV）值达700以上的锰硅化合物硬质点，在摩擦过程中起到支撑作用，减少摩擦副之间的接触面，从而降低配对摩擦副的摩擦系数，由于锰硅化合物的高硬度特性又可以有效的提升铜合金的耐磨损性能。
稀土镧的作用主要是脱硫、脱氧、细化晶粒、精炼和改善材料的高温性能。
钴的作用主要是通过固溶强化起到提高合金基体硬度，增强合金的机械性能，钴含量过高，在合金铸造温度下不能完全固溶，形成钴的单质点，影响合金的塑形，过低则强化效果不明显。
铬作用主要是通过固溶强化起到提高合金基体硬度，增强合金的机械性能，铬含量过高，在合金铸造温度下不能完全固溶，形成铬的单质点，影响合金的塑形，过低则强化效果不明显。
镍的主要作用与硅同时加入形成镍硅耐磨质点，提高材料的耐磨损性能，同时镍能扩大α相区，增加α相比例，对耐磨质点起到保护作用，防止耐磨质点在摩擦过程中大量脱落的现象，但过高的镍含量会造成α相过多，导致材料的机械性能下降。
铁的作用为细化晶粒，提高材料的力学性能，并形成铁质点，在铁质点周围形成少量的疏松，形成“空穴效应”，可以适当的提高材料的切削性能。
镁的作用是提高合金的流动性。
锆可以细化晶粒，提高合金的强度。
上述组分的耐磨铜合金其制备工艺步骤为：熔炼→扒皮→水封挤压→拉伸→精整，具体的工艺条件将给出如下实施例。
实施例1：采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼，熔炼时金属的添加顺序如下：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。熔炼时采用中频炉，熔炼温度为1160℃，并用玻璃和硼砂进行覆盖，玻璃和硼砂的比例为3:1，覆盖厚度为100mm。熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃。熔炼完毕将铸锭的表面去除氧化皮等杂物，扒皮的厚度为2mm。然后，将铸锭采用2000KW的工频感应进行加热，加热温度为750℃，再采用3000T的油压挤压机进行挤压，挤压比为8，挤压的柱塞速度为5mm/s。在拉伸的冷变形中采用30%的加工率进行拉伸变形，拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度为25℃，PH值为8.0，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。最后再进行精整处理。
实施例2：采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼，熔炼时金属的添加顺序如下：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。熔炼时采用中频炉，熔炼温度为1200℃，并用玻璃和硼砂进行覆盖，玻璃和硼砂的比例为3:1，覆盖厚度为150mm。熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃。熔炼完毕将铸锭的表面去除氧化皮等杂物，扒皮的厚度为5mm。然后，将铸锭采用2000KW的工频感应进行加热，加热温度为900℃，再采用3000T的油压挤压机进行挤压，挤压比为15，挤压的柱塞速度为10mm/s。在拉伸的冷变形中采用30%的加工率进行拉伸变形，拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度为30℃，PH值为8.5，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。最后再进行精整处理。
实施例3：采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼，熔炼时金属的添加顺序如下：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。熔炼时采用中频炉，熔炼温度为1175℃，并用玻璃和硼砂进行覆盖，玻璃和硼砂的比例为3:1，覆盖厚度为120mm。熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃。熔炼完毕将铸锭的表面去除氧化皮等杂物，扒皮的厚度为3mm。然后，将铸锭采用2000KW的工频感应进行加热，加热温度为800℃，再采用3000T的油压挤压机进行挤压，挤压比为10，挤压的柱塞速度为7mm/s。在拉伸的冷变形中采用30%的加工率进行拉伸变形，拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度为27℃，PH值为8.2，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。最后再进行精整处理。
实施例4：采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼，熔炼时金属的添加顺序如下：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。熔炼时采用中频炉，熔炼温度为1185℃，并用玻璃和硼砂进行覆盖，玻璃和硼砂的比例为3:1，覆盖厚度为140mm。熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃。熔炼完毕将铸锭的表面去除氧化皮等杂物，扒皮的厚度为4mm。然后，将铸锭采用2000KW的工频感应进行加热，加热温度为850℃，再采用3000T的油压挤压机进行挤压，挤压比为13，挤压的柱塞速度为9mm/s。在拉伸的冷变形中采用30%的加工率进行拉伸变形，拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度为29℃，PH值为8.4，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。最后再进行精整处理。
按照上述实施例制备而成的耐磨铜合金，其抗拉强度大于650MPa，延伸率大于5%。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种耐磨铜合金，其特征在于：包括以下重量百分比的组分：铜66～68%，锰5～5.5%，铝1.5～1.6%，硅0.75～0.8%，锡0.75～0.8%，镍0.75～0.8%，钴0.75～0.8%，铁0.75～0.8%，镁0.75～0.8%，镧0.1～0.2%，钛0.1～0.2%，铬0.1～0.2%，锆0.1～0.12%，铌0.1～0.12%，其余的余量为锌和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨铜合金，其特征在于：所述耐磨铜合金的相组成为：β相为基体，α相在晶界上呈针状析出，锰硅、铝铁、镍硅、钴硅、铁硅、铬形成的强化相和镍、铁、铝三者形成的强化K相在基体上均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨铜合金，其特征在于：所述锰和硅在黄铜中形成的锰硅化合物硬质点其维氏硬度值达700以上。
4.一种如权利要求1至3所述的任一一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
（1）熔炼：所述熔炼温度为1160℃~1200℃，熔炼时采用玻璃和硼砂覆盖；采用10%的铜铬中间合金、40%的铜锆中间合金、20%的铜镍中间合金、20%的铜铁中间合金、10%的铜镁中间合金、10%的铜钴中间合金、10%的铜硅中间合金、10%的铜铌中间合金、20%的铜钛中间合金、20%的铜镧中间合金进行熔炼；熔铸速度为200mm/min，冷却水温度小于35℃；
（2）扒皮：将铸锭的表面去除氧化皮，扒皮的厚度为2~5mm；
（3）水封挤压：将铸锭加热，加热温度为750℃~900℃，再对加热后的铸锭进行挤压，挤压比为8~15，挤压的柱塞速度为5~10mm/s；
（4）拉伸：拉伸时的冷变形采用30%的加工率；
（5）精整。
5.根据权利要求4所述的一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用中频炉进行熔炼。
6.根据权利要求4所述的一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的玻璃与硼砂的比例是3:1，覆盖厚度为100~150mm。
7.根据权利要求4所述的一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中熔炼时金属的添加顺序是：锰、铁、镍、钛、铌、铬、锆、钴、镧、硅、铝、锡、镁。
8.根据权利要求4所述的一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中采用2000KW的工频感应对铸锭加热，采用3000T的油压挤压机进行挤压。
9.根据权利要求4至8所述的任一一种耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的拉伸变形时采用8%的乳化液，乳化液的温度控制在25℃-30℃，PH值控制在8.0-8.5，乳化液中添加抗氧化剂，抗氧化剂的成分是纯碱，纯碱的含量占乳化液的总量的0.05%。
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