CN102296206B

CN102296206B - 一种高强耐磨变形铝青铜合金

Info

Publication number: CN102296206B
Application number: CN2011102659861A
Authority: CN
Inventors: 林高用; 曾菊花; 王莉; 雷玉霞; 张锐; 许秀之
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102296206A

Abstract

本发明公开了一种高强耐磨变形铝青铜合金，该合金由下述组分按重量百分比组成：铝(Al)5～9.5％；铁(Fe)2～6％；锰(Mn)1～6％；镍(Ni)1.2～4％；硅(Si)1～2.5％；磷(P)0.1～1.2％；富铈稀土0.05～0.5％；其余为铜(Cu)和不可避免的杂质，其中杂质含量≤0.05％。本发明合金具有优异的力学性能、耐磨性能和良好的热塑性，且还可以通过常规热处理全面提高其性能。经热处理后，挤制管材的抗拉强度大于900MPa，硬度大于220HBS，伸长率大于15％；在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别低于0.27和0.29×10^-8mm³.N^-1.mm^-1。本合金特别适用于在低速和重载下工作的矿山、冶金等行业耐磨零件的制造，具有良好的应用前景。

Description

一种高强耐磨变形铝青铜合金

技术领域

本发明涉及一种高强耐磨变形铝青铜合金，属于新材料技术领域。

背景技术

矿山、冶金等行业的作业环境具有温度高、粉尘大、润滑条件差、负荷大、冲击大、磨损严重等特点，因而要求应用于这些领域的耐磨件可在干摩擦或润滑不良及高负荷条件下正常运作。目前在这类恶劣环境下使用的耐磨件所用材料一般为以ZQAll9-4为代表的铝青铜和以ZQSn10-1为代表的锡青铜。两者在干摩擦或润滑不良的条件下的耐磨性能大大降低，且由于强度和硬度偏低，其在高负荷条件下容易发生断裂或快速磨损而降低耐磨件的使用寿命。因此，要提高耐磨零件在这种恶劣环境下的服役寿命，需同时保证材料有优异的耐磨性能和较高的强度及硬度。大部分轴承、轴套、轧机滑块、螺母等耐磨件一般是通过塑性加工而成形。采用塑性成形方法既可提高生产效率，降低成本，也可提高构件的使用性能。因此，应用于上述恶劣环境下的耐磨材料还需要有较好的塑性成形性能。

铝青铜作为一类常用的高强耐磨材料，广泛应用于轴承、轴套、齿轮、圆盘、导向摇臂衬套、接管嘴等耐磨零件的制造。近年来，为了满足各行各业对耐磨零件的不同需求，相继开发了多种新型耐磨铝青铜。专利CN1400326A公开了一种应用于同步环领域、具有高耐磨性和高摩擦系数的铝青铜；专利CN1936049A公开了一种应用在电梯上的高强耐磨铝青铜铸件，专利CN1629350A公开了一种用作模具材料的高强耐磨铝青铜；专利CN1061441A公开了一种用于冶金等恶劣环境的耐磨铝青铜。

上述专利成果中除专利CN1400326A外，其余专利均在铸态或者铸件经热处理后的条件下使用。专利CN1400326A未公开合金的力学性能，其虽然能实现热变形，但由于添加的合金元素的总量较大，其室温韧性可能较低。根据Cu-Al相图，随着合金中铝含量的增加，合金的基体相由α相向β相转变，其中后者塑性较差。专利CN 1936049A公开的铸件的强度较低，且其铝含量大部分处于塑性较差的β相范围，难以实现大的塑性变形。专利CN1629350A公开的合金中由于铝含量很高，又添加了较多的合金元素，合金的塑性成形性能较差。专利CN1061441A公开的合金中铝的含量虽然整体较低，但是其中添加的合金元素的总含量很高，也限制了合金的塑性成形。目前国内对于高强耐磨变形铝青铜的研究较少，仅有高雷雷等人研究过采用等通道挤压的方法提高铝青铜的耐磨性能。

综上，开发一种高强耐磨变形铝青铜，应用于低速重载的矿山、冶金等行业的轴套、轴承、螺母、轧机滑块等耐磨件的制造，对降低生产成本、提高产品质量及节省能源等，均有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优良的综合力学性能和耐磨性能，易实现塑性成形，应用在低速和重载条件下的矿山、冶金等行业耐磨件的高强耐磨变形铝青铜合金。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种高强耐磨变形铝青铜合金，包括下述组分按重量百分比组成：

铝5～9.5％；

铁2-6％；

锰1～6％；

镍1.2～4％；

硅1～2.5％；

磷0.1～1.2％；

富铈稀土0.05～0.5％；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

作为优选，各组分的重量百分数为：

铝6～9％；

铁2-5％；

锰2～4％；

镍2～4％；

硅1～2％；

磷0.1～0.8％；

富铈稀土0.1～0.4％；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜合金中，所述的富铈稀土中铈的含量不小于75％。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜合金，可通过常规热处理全面提高所述合金的性能。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜采用了多元合金化的原则，通过调整Cu-Al合金中Al的含量，并综合添加适量Fe、Mn、Ni、Si、P、稀土等元素，最终提高合金的综合力学性能和耐磨性能，同时保证其还具有良好的塑性成形性能。

Al是决定铝青铜合金强度的主要元素之一，但是对塑性的影响也较大，因为随着合金中铝含量的增加，合金的基体相由α相向β相转变，其中后者塑性较差。将铝含量控制在较低的水平，有利于提高合金的塑性和塑性成形性能。

Fe、Ni元素对合金的强化机理相似。在铝青铜中一方面可降低原子扩散的速度，增加β相的稳定性，抑制合金变脆的“自行退火”现象的发生，进而减小合金的脆性；另一方面，当其含量达一定值时，就会形成(Fe，Ni)_XAl化合物，在熔体凝固时作为结晶核心细化晶粒，分布在基体上也能阻碍位错移动，从而提高合金的强度、硬度和耐磨性能。Ni还能显著提高合金的耐腐蚀性能。

已有的相关专利成果均是在传统的Cu-Al-Fe-Ni合金的基础上添加Mn或Si以及其他微量元素如Ti、Re、Co等来实现合金的复合强化。Mn元素可较多地固溶在Cu中，在大幅提高合金强度的同时而塑性却降低不多，是较理想的强化元素。Si元素可以与Fe、Ni元素形成球状硬质金属间化合物，作为耐磨质点分布在基体中，提高合金的强度和耐磨性能。

本专利一个突出的特点是在传统Cu-Al-Fe-Ni合金的基础上除了添加Mn外，还复合添加了Si和P元素。P元素在Cu中的固溶度较小，单独添加少量的P即可形成Cu₃P硬脆化合物，显著提高合金的硬度，但会降低韧性。但是，在Cu-Al-Fe-Ni合金中同时添加Si和P元素即可形成Ni-Fe-Si-P化合物。该化合物硬而不脆，且呈细小颗粒状弥散分布在基体中，大大提高了合金的强度、硬度和耐磨性能，且对塑性的影响也相对较小。此外，P还可显著降低铜液的表面张力，有效提高充型能力，减少铸件上涨的缺陷发生。

富铈稀土主要起精炼和细化晶粒的作用，可提高合金的致密度，使其强度和韧性大大提高，有利于合金的塑性成形。

正由于上述合金元素多元化的作用，使得本发明合金的基体上均匀弥散分布着(Fe，Ni)_XAl、(Fe，Ni)Si、Ni-Fe-Si-P化合物等多种高强度耐磨质点，从而使本发明合金的综合力学性能和耐磨性能均优于一般的铝青铜，特别是在低速和重载下表现出极高的耐磨性。

与现有技术相比，本发明合金材料的优点在于：

1、力学性能更优。由于同时添加了Fe、Ni、Mn、Si、P等元素，在合金基体中形成大量细小并以块状或粒状弥散分布的强化相，使本发明合金具有比传统牌号的铝青铜和专利(CN1239148A、CN1936049A、CN101381824A)中所述的铝青铜更优异的力学性能，特别适用于在低速重载下工作的零件。

2、耐磨性能优异。本发明合金在干摩擦条件或润滑不良的条件下表现出极佳的耐磨性，摩擦系数和磨损率分别低于0.27和0.29×10^-8mm³.N^-1.mm^-1，可使其耐磨件的寿命比一般的铝青铜提高2-4倍。

3、易实现塑性成形。尽管本发明合金的强度、硬度处在较高的水平，但由于合金中的铝含量较低，组织中的基体相为塑性较好的α软相，因此合金的塑性也较好，易挤制成较大尺寸的管材。合金也无“自行退火”现象发生，可避免缓冷脆性。

具体实施方式

以下通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

按照铝9.5％、铁2％、锰1％、镍4％、硅1％、磷0.5％、富铈稀土0.2％、余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～1200℃。熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有效覆盖和精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T卧式双动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热处理强化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为971MPa，硬度为248HBS，伸长率为18％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.21和0.24×10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

实施例2

按照铝7.5％、铁4％、锰3％、镍1.2％、硅1.5％、磷0.1％、富铈稀土0.1％、余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～1200℃。熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有效覆盖和精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T卧式双动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热处理强化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为943MPa，硬度为235HBS，伸长率为19.6％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.23和0.25×10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

实施例3

按照铝5％、铁6％、锰6％、镍3％、硅2.5％、磷1.2％、富铈稀土0.4％、余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～1200℃。熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有效覆盖和精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T卧式双动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热处理强化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为911MPa，硬度为223HBS，伸长率为23％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.25和0.28×10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强耐磨变形铝青铜合金，由下述组分按重量百分比组成：

铝5～9.5%；

铁2-6%；

锰1～6%；

镍1.2～4%；

硅1～2.5%；

磷0.1～1.2%；

富铈稀土0.05～0.5%；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05%。

2.根据权利要求1所述的一种高强耐磨变形铝青铜合金，其特征在于，该合金由下述组分按重量百分数组成：

铝6～9%；

铁2-5%；

锰2～4%；

镍2～4%；

硅1～2%；

磷0.1～0.8%；

富铈稀土0.1～0.4%；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05%。

3.根据权利要求1所述的一种高强耐磨变形铝青铜合金，其特征在于，富铈稀土中铈的含量不小于75%。