CN102051553A - 一种耐磨铜合金材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐磨铜合金材料及其制备方法，该材料具有良好的性能。该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。该材料以铜合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，铜丝与铁丝的长度相当；铜丝与铁丝两者占材料的体积百分比为5-40%。

Description

一种耐磨铜合金材料及制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种耐磨铜合金材料及其制备方法。

背景技术

在金属材料领域中, 耐磨铜合金作为低成本耐磨材料一直受到普遍重视。

CN200810243568.0号申请涉及黄铜合金冶炼技术，其制备方法具有以下步骤：a.前期准备：烘烤金属表面；b.金属熔炼：在刚玉坩埚中依次加入锰、钴和铁，熔化后向熔液中投加铜、锌和铝，熔炼取样分析出炉得到高强耐磨黄铜，黄铜中加入有钴，其中铜的质量含量58～65％，铁的质量含量2～8％，锌的质量含量20～26％，锰的质量含量2～6％，铝的质量含量3～9％，钴的质量含量为0.03％，能解决现有的黄铜合金不能满足作为轴承部件要求的问题，硬度能到达 235HB以上，抗拉强度等与780MPa，屈服强度大于680MPa，延伸率在12％以上，比国家标准有大幅度的提高，可以大大提高轴承的抗挤压强度和摩擦性。 

CN200710158225.X号申请公开一种耐磨性好的铜基多元合金，有铜、锌、铝、镁、硅、镍、铬、铌和铈组成，各组份的含量分别为：锌25-30％，铝3-5％，镁0.25-0.5 ％，硅2-3％，镍0.5-2％，铬4-6％，铌0.08-0.12％，铈0.05-0.15％，其余为铜的含量。其中添加有稀土元素铈，使铜基合金的结晶组织变性，解决了以往机器耐磨件耐磨性能差的问题，还具有硬度高、耐磨性好的特点。

以上技术中尽管添加了诸如铌、铈、镍、钴等特殊元素，但是铜合金耐磨性提高是有限的。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种耐磨铜合金材料，该材料具有良好的性能。

本发明的另一目的是提供一种耐磨铜合金材料的制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种耐磨铜合金材料，该材料以铜合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铜丝与铁丝的长度相当；铜丝与铁丝两者共占材料的体积百分比为5-40%；

铜合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为10-12%，Sn为3%～5%,Si为1.5%～3%, Mn为0.04-0.06%, Fe为0.04-0.06%, Zr为0.5-1%,其余为Cu；

铜丝的化学成分的重量百分含量：Al为5%～8%， Mn为2.5-5%, Fe为2-4%, Zn为20-30%,其余为Cu； 

铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

基体中还分布有Cr3Si、Cu5Zr化合物颗粒。

一种耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

镀铬铜丝及镀铜铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分为Al为5%～8%，Mn为2.5-5%, Fe为2-4%, Zn为20-30%,其余为Cu的铜丝和取直径为0.2-2mm、成分为C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铜丝与铁丝的总体长度相当；控制铁丝占材料的体积百分比为5-40%；

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铜丝及镀铜铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

铜合金材料基体的准备：按重量百分含量Al为10-12%，Sn为3%～5%,Si为1.5%～3%, Mn为0.04-0.06%, Fe为0.04-0.06%, Zr为0.5-1%,其余为Cu进行配料；铜合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为1250-1280℃；

将上述铜合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铜丝及镀铜铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铜合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨铜合金材料。

    本发明相比现有技术的有益效果如下：

1、本发明材料中铜丝及铁丝自身具有相当的强度和较高的韧性。铜丝和铜合金的基体都是铜，铁丝外镀较厚的铜，因此金属丝和铜合金很容易结合起来，形成很好的冶金结合。这样，铁丝分布在铜合金中，对材料具有很好的增强增韧作用，同时具有耐磨作用。铜丝的成分不同于基体，具有很好的减摩作用，分布在铜合金中大大提高了材料的减摩耐磨性能。

2、铜合金铁水进入铸型型腔与镀铬铜丝和镀铜铁丝接触后，丝表面的Cr熔于铜水，铜水中的Si和铜丝表面的Cr反应形成少量硬度高的Cr3Si的特殊化合物。所形成的这种特殊化合物进一步提高了材料的耐磨性。

3、Zr对铜合金的组织具有显著细化的作用，对于铜合金的增韧有重要的作用。另外Cu和Zr也会形成化合物Cu5Zr，分布于基体中也有助于材料耐磨性的提高。

4、本发明的合金材料不用贵重稀土元素，材料成本低，制备工艺简便，生产成本低，生产的合金材料性能好，而且非常便于工业化生产。

本发明的合金性能见表1。

附图说明

图1为本发明实施例一制得的耐磨铜合金材料的金相组织。

图1可以看到在铜合金基体上分布有细小的化合物和金属丝。

具体实施方式

以下各实施例仅用作对本发明的解释说明，其中的重量百分比均可换成重量g、kg或其它重量单位。以下所用铜丝及铁丝均为市购，镀层自制。

实施例一：

镀铬铜丝及镀铜铁丝的准备：

分别取直径为1mm、成分重量百分含量为：Al为5%， Mn为2.5%, Fe为2%, Zn为20%,其余为Cu的铜丝；

取直径为1mm、成分重量百分含量为C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铜丝与铁丝的总长度相当；两种金属丝共占材料的体积百分比为5%。

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铜丝及镀铜铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团（两种金属丝各取一根丝同时成形，形成双丝金属丝团，成型可按洗碗用的清洁球或称钢丝球的方法制作），金属丝团直径为15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

铜合金材料基体的准备：按重量百分含量：Al为10%，Sn为3%,Si为1.5%, Mn为0.04%, Fe为0.04%, Zr为0.5%,其余为Cu进行配料；铜合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为1265-1270℃；

将上述铜合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铜丝及镀铜铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铜合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨铜合金材料。

实施例二：

铜合金材料基体成分重量百分比：Al为12%，Sn为5%,Si为3%, Mn为0.06%, Fe为0.06%, Zr为1%,其余为Cu。

铜丝的化学成分的重量百分含量：Al为8%， Mn为5%, Fe为4%, Zn为30%,其余为Cu。铜丝直径为2mm。

铁丝的成分为C为0.05%，Si为0.2%, Mn为0.25%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为2mm。铜丝与铁丝的总长度相当；控制两种金属丝占材料的体积百分比为40%。

按常规方法在其表面分别在铜丝表面镀铬及铁丝表面镀铜，形成镀铬铜丝及镀铜铁丝，镀铬层的厚度为200微米；镀铜层的厚度为500微米。按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。 

制备过程同实施例一。

实施例三：

铜合金材料基体成分重量百分比：Al为11%，Sn为4%,Si为2%, Mn为0.05%, Fe为0.05%, Zr为0.7%,其余为Cu。

铜丝的化学成分的重量百分含量：Al为6%， Mn为4%, Fe为3%, Zn为25%,其余为Cu。铜丝直径为1.5mm。

铁丝的成分为C为0.07%，Si为0.25%, Mn为0.3%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为1.5mm。所用铜丝与铁丝的总长度相当；控制两种金属丝占材料的体积百分比为30%。

按常规方法在其表面分别在铜丝表面镀铬及铁丝表面镀铜，形成镀铬铜丝及镀铜铁丝，镀铬层的厚度为150微米；镀铜层的厚度为300微米。按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例四：原料配比不在本发明范围内的实例

铜合金材料基体成分重量百分比：Al为8%，Sn为2%,Si为1%, Mn为0.03%, Fe为0.02%, Zr为0.3%,其余为Cu。

铜丝的化学成分的重量百分含量：Al为3%， Mn为2%, Fe为1%, Zn为15%,其余为Cu。铜丝直径为0.8mm。

铁丝的成分为C为0.04%，Si为0.1%, Mn为0.2%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为0.8mm。铜丝与铁丝的总长度相当；两种金属丝占材料的体积百分比为4%。

铜丝不镀铬。铁丝不镀铜。按清洁球生产的常规方法制作两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为15cm。

制备过程同实施例一。

对比实施例五：原料配比不在本发明范围内的实例

铜合金材料基体成分重量百分比：Al为13%，Sn为6%,Si为4%, Mn为0.07%, Fe为0.07%, Zr为2%,其余为Cu。

铜丝Al为9%， Mn为6%, Fe为5%, Zn为35%,其余为Cu。铜丝直径为3mm。

铁丝成分的重量百分含量：C为0.1%，Si为0.4%, Mn为0.4%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。铁丝直径为3mm。两种金属丝占材料的体积百分比为45%。

按常规方法在其表面分别在铜丝表面镀铬及铁丝表面镀铜，形成镀铬铜丝及镀铜铁丝，镀铬层的厚度为30微米；镀铜层的厚度为600微米；按清洁球生产的常规方法制作带镀层的两种金属丝混合的双丝金属丝团，金属丝团直径为10cm。

制备过程同实施例一。

  表1

由上表可见，本发明材料中铜合金中Al、Sn、Si、 Mn、 Fe、 Zr的含量提高，利于合金强度提高；铜丝的Al、Mn、Fe、Zn的含量提高同样利于强度提高。但是这些元素过量，不利于合金的韧性。例如产品5，铜合金中Zr的增加，化合物数量增多，但过多导致Zr化合物的增加，会明显降低材料的韧性。

本发明材料中铜丝及铁丝体积百分比的增加，利于材料韧性的提高。但是过多，铜合金基体包不住金属丝及镀铜铁丝，基体出现裂纹，则降低了材料的韧性。

另外，金属丝直径太细，表面积太大，不利于元素在铁水中的溶解。金属丝直径太粗，在铜合金基体中分布的密度减小，不利于材料整体硬度的提高。

Claims (3)

1.一种耐磨铜合金材料，该材料以铜合金为基体，在基体中分布着由铜丝和铁丝形成的金属丝团，所用铜丝和铁丝直径均为1-2mm，金属丝团的直径为10-15cm，材料中铜丝与铁丝的长度相当；铜丝与铁丝两者共占材料的体积百分比为5-40%；

铜合金基体的化学成分的重量百分含量：Al为10-12%，Sn为3%～5%,Si为1.5%～3%, Mn为0.04-0.06%, Fe为0.04-0.06%, Zr为0.5-1%,其余为Cu；

铜丝的化学成分的重量百分含量：Al为5%～8%， Mn为2.5-5%, Fe为2-4%, Zn为20-30%,其余为Cu； 

铁丝的化学成分的重量百分含量为：C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe。

2.根据权利要求1所述的耐磨铜合金材料，其特征在于：所述基体中还分布有Cr3Si、Cu5Zr化合物颗粒。

3.一种耐磨铜合金材料的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：

镀铬铜丝及镀铜铁丝的准备：分别取直径为1-2mm、成分为Al为5%～8%，Mn为2.5-5%, Fe为2-4%, Zn为20-30%,其余为Cu的铜丝和取直径为0.2-2mm、成分为C为0.05-0.09%，Si为0.2%～0.3%, Mn为0.25-0.35%, P<0.02%, S <0.025%,其余为Fe的铁丝，所用铜丝与铁丝的总体长度相当；控制铁丝占材料的体积百分比为5-40%；

按清洁球生产的常规方法将上述镀铬铜丝及镀铜铁丝各取一根丝形成球状的混合双丝金属丝团，金属丝团直径为10-15cm，将若干金属丝团放入铸型下型型腔中，金属丝团的松紧程度由铜丝和铁丝占材料的体积百分比决定，保证金属丝团正好放满铸型；布置完毕后，将铸型的上型盖于下型上，合箱完毕后等待铁水浇注；

铜合金材料基体的准备：按重量百分含量Al为10-12%，Sn为3%～5%,Si为1.5%～3%, Mn为0.04-0.06%, Fe为0.04-0.06%, Zr为0.5-1%,其余为Cu进行配料；铜合金原料在感应电炉中熔化，熔化温度为1250-1280℃；

将上述铜合金铁水浇入装有金属丝团的干砂铸型，液态铁水将镀铬铜丝及镀铜铁丝包围，然后冷却凝固，得到以铜合金为基的其中分布有金属丝团的耐磨铜合金材料。