CN100532601C - 一种耐高压铸造铜合金及制造方法 - Google Patents

一种耐高压铸造铜合金及制造方法 Download PDF

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一种耐高压铸造铜合金及制造方法，属于有色金属材料领域。其特征是在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化学成份的基础上添加铁和钴，化学成份质量百分比为：锡：2.0-4.0，锌：6.0-9.0，铅：4.0-7.0，镍：0.5-2.5，铁：0.1-7.0，钴：0.5-7.0，余量为铜。制造方法为：升温之前将电解铜或回炉料先加入炉内，铅和锡随同加入，加覆盖剂后(真空感应炉熔炼不加覆盖剂充保护性气体，真空度达到0.06MPa)升温，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后加入锌，1250℃保温10～15分钟后扒渣浇铸，浇铸温度为1200℃。对冷却到室温的铸件升温到800～1000℃保温3～5小时后进行水冷固溶处理。得到的铸造铜合金细化了晶粒组织，在延伸率基本保持不变的前提下抗拉强度显著提高，

Description

一种耐高压铸造铜合金及制造方法
技术领域
本发明属于有色金属材料领域，特别涉及一种耐高压铸造铜合金及制造方法。
背景技术
锡青铜主要作为铸造合金，具有高的强度和延伸率，并具有较好的耐磨性和抗腐蚀性能，广泛应用于轴承、泵体及叶轮、螺旋浆、阀门、密封圈、齿轮、汽车同步器齿环等部件。锡青铜主要合金元素是锡，其原子半径大于铜的原子半径约10％，在铜中的固溶度非常小，常温下只有约1.3％，但在798℃时可以达到最大固溶度25.5％。在一般的铸造条件下，锡含量小于7％时锡青铜为单相的α组织，随着锡含量的提高，其强度提高，塑性较好，可以进行冷加工，但当含量超过7％时，由于硬脆性相δ(Cu31Sn8)的析出，室温度组织为α+共析体(α+δ)，强度和硬度更高，但塑性下降，因而只能进行铸造成形而难以进行冷加工。由于α相和δ相的电极电位相近，且锡氧化后能生成致密的SnO2氧化薄膜，所以锡青铜在大气、淡水、海水及高压过热蒸汽中的耐蚀性能比纯铜和黄铜更好，但耐酸类腐蚀的能力较差。铅在铜中的固溶度非常小，如果铅在铜中的含量超过了0.5％(重量百分比)，则铅就主要以颗粒状独立分布于晶界之间，而不是沿晶界连续分布，铅的加入是作为一种内在的润滑剂存在，因此提高了材料的加工性能，降低了材料摩擦系数，提高了材料的在滑动摩擦条件下的断裂敏感性能。同时由于低熔点铅的加入，使铅在凝固过程中能够以液态形式富集于固液界面前沿，从而达到填充最后凝固时形成的缩孔位置，使得铸件组织更加致密；由于凝固收缩率更小，流动性能好，适合于制造厚薄不均形状复杂的铸件。但是，由于铅的存在，降低了材料的机械性能，特别是降低了材料的延伸率和疲劳强度。锌的加入可提高锡青铜的铸造稳定性，锌在铜中的最大固溶度可以达到38％(902℃时)，而在常温时也可以达到35％。锡青铜合金一般具有较大的固液两相区，形成缩孔和缩松的倾向比较大，造成铸造件耐压强度不高。提高耐压强度的措施主要有两个方面：一提高材料的抗拉强度，二是提高材料的铸造组织致密度，也就是如何最大程度地消除或减小铸造组织的显微缩松和缩孔缺陷。目前我国现行标准中所使用的ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜(即3-8-6-1锡青铜)，虽然具有收缩率较小，流动性能较好的特点，适合于制造厚薄不均形状复杂的铸件，但ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜因铸造组织晶粒粗大(砂型铸造条件下最大可达到3～4mm)，同时由于低熔点的铅存在于晶界，从而造成强度较低(抗拉强度一般在180～230MPa，屈服强度125～140MPa)，铸件在高压条件下使用易发生渗漏现象，只适合于制造耐压不高于5MPa的铸件。
发明内容
本发明目的是在原来国标规定成份范围的基础上添加有益元素，并通过特殊的热处理工艺显著提高耐高压铸造铜合金的抗拉强度方面，从而满足该种合金在高压条件下使用的要求。
一种耐高压铸造铜合金，其特征是在国标GB1176-87铸造铜合金技术条件所提出ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化学成份的基础上添加铁和钴，化学成份质量百分比为：锡：2.0-4.0，锌：6.0-9.0，铅：4.0-7.0，镍：0.5-2.5，铁：0.1-7.0，钴：0.5-7.0，余量为铜。
如上所述耐高压铸造铜合金的制造方法，其熔炼及浇铸工艺如下
普通感应炉熔炼：
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)先加入炉内，铅和锡随同加入，加覆盖剂(如锻烧木炭、炭黑及石墨粉等)后升温，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后加入锌，1250℃保温10～15分钟后扒渣浇铸，浇铸温度为1200℃。
真空感应炉熔炼：
升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)先加入炉内，铅和锡随同加入，熔炼不用覆盖剂，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后充保护性气体，如氩气，真空度达到约0.06MPa，1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃。
热处理工艺
对冷却到室温的铸件升温到800～1000℃保温3～5小时后进行水冷固溶处理。
本发明优点
①细化晶粒组织
与没有加入铁和钴的ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜的铸态组织相比，本发明铜合金晶粒析出明显细化(见图1)，平均晶粒直径约20～60μm。晶粒细化有利于提高材料的强度，同时对于提高材料的塑性也有较好的作用。由图1可以看出，铅以单质的形式在晶界析出(见图1中的黑色块状物)，并沿晶界呈不连续分布。
②抗拉强度显著提高，延伸率基本保持不变
一方面是因为晶粒得到了较大程度的细化，另一方面则是因为铁和钴在晶内的弥散析出强化作用(见图2中黑色点状物)，从而使得耐高压铸造铜合金与ZCuSn3Zn8Pb6Ni1锡青铜相比强度得到显著的提高，抗拉强度达到400～460MPa，屈服强度达到200～250MPa，而延伸率基本保持不变为15～25％。
铁和钴在铜中的固溶度都较小，铁在铜中的最大固溶度是在包晶转变温度1096℃下，约为3.5％(重量百分比)，随着温度的下降，固溶度也逐渐减小，达到室温时则接近于零。随着温度的下降，析出的铁相以球状或片状一部分富集在晶界上，形成不同于基体铜的面心立方结构的体心立方结构，另一部分则呈弥散分布于铜基体中。该结构的析出增加了晶核长大的阻力，从而起到细化晶粒的作用，因此适量铁的加入有利于晶粒细化。同时，加入的铁能够和钴、镍生成金属化合物而析出，也有利于耐冲刷腐蚀性能的提高。固溶处理时，随着固溶温度的提高，铁和钴在铜中的固溶度提高，原来在晶界析出了的铁和钴一部分又能溶入到铜基体中，在850-950℃温度下保温1～3小时后，经过水淬固溶处理，一部分铁和钴在铜基体中来不及析出而以过饱和固溶状态存在于铜基体中，另一部分为铁、钴及镍的金属间化合物仍呈细小球状弥散分布于铜基体中，球状颗粒直径小于0.5μm(见图2黑色点状析出物)。对图2中的黑色点状析出物进行EDS能谱分析见图3，分析结果见1。可以看出，该析出物主要成份为铁、钴，并有少量的镍存在，证明是铁、钴及镍的金属间化合物。
表1 耐高压铸造铜合金析出相EDS分析结果
-----------------------------------------------------------------
元素        重量百分比    误差    K-比率   计数率    原子百分比
---------------------------------------------------------------—
Fe Ka       74.63         0.514   0.7569   417.25    75.62
Co Ka       19.83         0.290   0.1955   92.41     19.04
Ni Ka       5.54          0.173   0.0506   20.27     5.34
------------------------------------------------------------------
附图说明
图1耐高压铸造铜合金金相照片
图2耐高压铸造铜合金背散射电子照片
图3耐高压铸造铜合金析出相EDS能谱分析
具体实施方式
实施方式一：
按照前述熔炼及浇铸工艺中所提的技术要求依表2所示成份进行配料、熔炼和浇铸，制得泵用叶轮铸件。
表2 实施方式一耐高压铸造铜合金化学成份(质量百分比)
在铸件上分别取拉伸试验棒样和金相及扫描电镜试样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见表，金相及扫描电镜试样经打磨、抛光后，先在LE01450扫描电子显微镜上进行分析，背散射电子照片见图2，然后试样经4％FeCl3乙醇溶液浸蚀后在光学显微镜下观察金相组织，得到金相照片见图1。
表3 实施方式一耐高压铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
420 220 25.36
实施方式二：
按照前述熔炼及浇铸工艺中所提的技术要求依表4所示成份进行配料、熔炼和浇铸，制得泵盖铸件。
表4 实施方式二耐高压铸造铜合金化学成份(质量百分比)
Figure C200710176461D00071
在铸件上分别取拉伸试验棒样和金相及扫描电镜试样，拉伸试验在CMT4105万能力学实验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个试样不少于两根，拉伸试样根据国家标准GB6397-86进行制样，所测得的力学性能见5，金相及扫描电镜试样经打磨、抛光后，先在LE01450扫描电子显微镜上进行分析，背散射电子照片见图2，然后试样经4％FeCl3乙醇溶液浸蚀后在光学显微镜下观察金相组织，得到金相照片见图1。
表5 实施方式二耐高压铸造铜合金力学性能
 
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
450 235 22.5

Claims (2)

1.一种耐高压铸造铜合金，其特征是在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化学成份的基础上添加铁和钴，化学成份质量百分比为：锡：2.0-4.0，锌：6.0-9.0，铅：4.0-7.0，镍：0.5-2.5，铁：0.1-7.0，钴：0.5-7.0，余量为铜。
2.如权利要求1所述的一种耐高压铸造铜合金的制造方法，其特征是工艺步骤为
(1)熔炼及浇铸工艺
普通感应炉熔炼：
升温之前将电解铜或回炉料先加入炉内，铅和锡随同加入，加覆盖剂后升温，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后加入锌，1250℃保温10～15分钟后扒渣浇铸，浇铸温度为1200℃；覆盖剂为锻烧木炭、炭黑或石墨粉；
真空感应炉熔炼：
升温之前将电解铜或回炉料先加入炉内，铅和锡随同加入，熔炼不用覆盖剂，升温到1200℃后加入铁、钴、镍，待升温到1250℃并保温半个小时后充保护性气体氩气，真空度达到0.06MPa，1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1200℃；
(2)热处理工艺
对冷却到室温的铸件升温到800～1000℃保温3～5小时后进行水冷固溶处理。
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