CN102330042B - 一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法，本发明属于锡青铜材料制备技术领域，其特征为，ZCuSn10P合金成分为(重量百分比)：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样分为铸态和热处理态。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温20℃至加热500℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。经过一定的循环周次后，停机后用光学显微镜观察缺口处裂纹的萌生及扩展情况。
Description
技术领域
本发明属于锡青铜材料制备技术领域，特指一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法。
背景技术
机械零件的失效事故往往会造成生命和财产的巨大损失。断裂、腐蚀、磨损是机械零件和工程构件的三种主要失效形式。其中，断裂是一种“爆发病”，而绝大多数断裂是因为疲劳引起，在机械零部件的断裂失效总数中，疲劳失效占50-90％，在某些工业部门，疲劳失效甚至可占断裂事件的80-90％。零件在服役过程中，不可避免的受到热冲击载荷的作用，因此，热疲劳成为零件失效的主要原因之一。一般来说，影响材料热疲劳的因素主要有工作环境，材料的结构以及零件的几何尺寸等。国内外对于ZCuSn10P1(10-1锡青铜)的研究主要集中在摩擦磨损方面，而对于其热疲劳性能却未见报道。为了更好的应用推广ZCuSn10P合金，有必要了解其在冷热疲劳作用下的失效过程。本发明开发出一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法，其目的是立足于提高ZCuSn10P1合金的使用寿命来提高整机性能，针对ZCuSn10P合金的不同热处理条件下的疲劳性能对比测试，探讨其冷热疲劳性能，从而降低故障率、延长零部件使用寿命。
发明内容
本发明的目的是开发出一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法，其特征为，ZCuSn10P合金成分为(重量百分比)：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，将全部纯铜加入石墨坩埚内，熔化成铜液后升温至1250℃左右，用全部磷铜的60％对铜液进行脱氧，然后加入锡，最后补加余下的40％磷铜进行终脱氧，改善流动性，出炉温度1250℃左右进行浇注，浇注温度不低于1200℃。对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。将试样进行热处理，放于电阻炉中加热至630℃，然后在此温度下保持50min，进行水淬处理，探索热处理前后试样的冷热疲劳性能变化。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温20℃至加热500℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。经过一定的循环周次后，停机后用光学显微镜观察缺口处裂纹的萌生及扩展情况。
裂纹扩展趋势如表1所示，表格上的数据为试样表面上的最长主裂纹。从表1可以直观的看出铸态及不同热处理对裂纹扩展的影响。
表1热疲劳裂纹扩展长度 单位：mm
附图说明
图1热疲劳试样示意图
图2热疲劳裂纹形貌，循环2200次
(a)铸态；(b)630±10℃，保温50min后空冷；(c)为630±10℃，保温50min后水淬。
图3热疲劳裂纹形貌，循环4500次
(a)铸态；(b)630±10℃，保温50min后空冷；(c)630±10℃，保温50min后水淬。
由图2和图3可以看出，a试样在循环到2200次的时候缺口尖端有3条比较明显的裂纹，并且还有一些短的小裂纹出现。当其循环到4500次时，有一条裂纹的长度明显增加，而其余的裂纹长度变化相对来讲比较小；b试样在循环到2200次的时候缺口尖端有许多小裂纹产生，而且有一条裂纹较其余裂纹都长，当其循环到4500次时，主裂纹的长度明显增加，而其余裂纹不再有什么大的变化；c试样在循环到2200次的时候未发现明显的裂纹，而当其循环到4500次时，出现一条明显的短小的主裂纹。由此看出，c试样也就是热处理方案为630±10℃，保温50min后水淬的试样，热疲劳裂纹扩展长度是三种处理方法中最短的，其热疲劳性能最好。效果最好。
具体实施方式
实施例1
ZCuSn10P合金成分为：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，将全部纯铜加入石墨坩埚内，熔化成铜液后升温至1250℃左右，用全部磷铜的60％对铜液进行脱氧，然后加入锡，最后补加余下的40％磷铜进行终脱氧，改善流动性，出炉温度1250℃左右进行浇注，浇注温度不低于1200℃。对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。第1组试样不作任何处理，保持铸态状态。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温20℃至加热500℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。经过一定的循环周次后，停机后用光学显微镜观察缺口处裂纹的萌生及扩展情况。由表1可以看出，当冷热循环到4500次时，热疲劳裂纹扩展长度为0.63mm。
实施例2
ZCuSn10P合金成分为：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，将全部纯铜加入石墨坩埚内，熔化成铜液后升温至1250℃左右，用全部磷铜的60％对铜液进行脱氧，然后加入锡，最后补加余下的40％磷铜进行终脱氧，改善流动性，出炉温度1250℃左右进行浇注，浇注温度不低于1200℃。对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。第2组试样进行热处理，将第2组试样放于电阻炉中加热至630℃，在此温度下保持50min，然后进行空冷处理。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温20℃至加热500℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。经过一定的循环周次后，停机后用光学显微镜观察缺口处裂纹的萌生及扩展情况。由表1可以看出，当冷热循环到4500次时，热疲劳裂纹扩展长度为0.33mm。
实施例2
ZCuSn10P合金成分为：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜。采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，将全部纯铜加入石墨坩埚内，熔化成铜液后升温至1250℃左右，用全部磷铜的60％对铜液进行脱氧，然后加入锡，最后补加余下的40％磷铜进行终脱氧，改善流动性，出炉温度1250℃左右进行浇注，浇注温度不低于1200℃。对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。第3组试样进行热处理，将第3组试样放于电阻炉中加热至630℃，在此温度下保持50min，进行水淬处理。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温20℃至加热500℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。经过一定的循环周次后，停机后用光学显微镜观察缺口处裂纹的萌生及扩展情况。由表1可以看出，当冷热循环到4500次时，热疲劳裂纹扩展长度为0.105mm。
Claims (1)
1.一种提高ZCuSn10P合金冷热疲劳性能的方法，其特征为，ZCuSn10P合金成分为，重量百分比：Sn9-11.5％，P0.5-1％，其余铜；采用中频感应熔化炉石墨坩埚进行熔化，将全部纯铜加入石墨坩埚内，熔化成铜液后升温至1250℃左右，用全部磷铜的60％对铜液进行脱氧，然后加入锡，最后补加余下的40％磷铜进行终脱氧，改善流动性，出炉温度1250℃左右进行浇注，浇注温度不低于1200℃；对浇注冷却后的工件进行线切割方法取样，试样尺寸为40mm×10mm×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示；将试样进行热处理，放于电阻炉中加热至630℃，然后在此温度下保持50min，进行水淬处理，探索热处理前后试样的冷热疲劳性能变化。
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| ZA27和ZCuSn10P1循环应力下的疲劳特性比较;王灵卉等;《特种铸造及有色合金》;19981231(第3期);全文 * |
| 王灵卉等.ZA27和ZCuSn10P1循环应力下的疲劳特性比较.《特种铸造及有色合金》.1998,(第3期),全文. |
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