CN103194640A

CN103194640A - 铝青铜及其制备方法

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Publication number: CN103194640A
Application number: CN2013101173249A
Authority: CN
Inventors: 段宗伟; 张根培; 周银银; 史奇; 赵红彬
Original assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2013-04-07
Filing date: 2013-04-07
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-07
Also published as: CN103194640B

Abstract

本发明公开了一种铝青铜，所述铝青铜包括以下重量百分比的组分：铝9.0～18.0%，铁2.0～7.0%，锰1～5%，锌0.01～1%，余量为铜和不可避免的杂质。本发明的铝青铜具有以下优点：通过特定的元素配比、特定的加工方式及相组成，抗拉强度能够达到700MPa以上，硬度HB:300-400，抗压强度1000MPa以上；抗磨损性高；摩擦系数低于0.15，不会造成产品的划伤，不会粘连产品；合金的热加工性能好；合金的抗软化温度高；该铝青铜不加元素Ag、Ni等贵重元素，且该铝青铜无需进行热处理，降低了原料和生产成本。

Description

铝青铜及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金领域，具体涉及一种具有高强度、高硬度、高耐磨性能、高抗压性能和热加工性能优良且成本低的铝青铜及其制备方法。

背景技术

不锈钢制品具有耐腐蚀、耐高温、外形美观光亮等优点，广泛应用于国民经济各部门，且很大一部分是拉伸件。但是不锈钢强度高，硬化指数n值大，变形硬化敏感，拉伸变形抗力大，且具有韧、粘、容易划伤等特点，冲压或拉伸成品具有表面质量不高等缺点，因此对加工不锈钢的拉伸凹模、凸模等模具所用材料提出了更高的要求，即模具材料不但要强度高、硬度高，还需具备耐磨性好、摩擦系数低、热导率高、散热好等的特点。

现在部分厂家用Cr12型钢或镀硬铬的材料制造凹模和压边圈，由于它和不锈钢同属于高铬钢，在一定条件下极易发生渗透，在拉伸凹模圆角和竖壁交界处，由于接触压力很高，易发生粘附、剪断而形成粘结瘤；同时拉伸坯料周边的毛刺断屑及异物带入模具，拉伸过程中易使工件严重划伤，给最后的抛光工序造成困难，且与其他模具材料相比，Cr12型材料价格、锻造成本、热处理成本都高。

另一类模具材料是与不锈钢不同系统的球墨铸铁，Ni基和Cu-Cr-Mo基合金铸铁。这类材料铸造容易，加工方便，只需要进行消除内应力退火。其基体由珠光体和球状游离石墨构成，既强韧，石墨又起自润滑作用，且石墨孔洞具有保持润滑剂的性能，在凹模圆角和竖边交界处不会产生粘结瘤，可有效防止工件划伤。但铸铁类材料硬度较低，一般硬度为HB210-270，只适用于中小批量简单形状零件的生产，模具寿命较低。

鉴于上述材料具有硬度、强度、耐磨性等方面不足，不能满足当今产品对模具材料提出的更高要求，因此铜合金作为模具材料也被进行了大量的研究，其中就包括铝青铜。

近几年，国内外对铝青铜模具材料的研究也取得了一些进展，其中日本专利申请号JP02-158448的《高强度模具合金》，其具有较高的强度、铸造性能和机加工性能好，其合金组成为5.0-15wt%Al，0.5wt%Fe，0.1-3wt%Ni+Co，0.5-2wt%Mn,0.5-2wt%Zn，其余为铜和不可避免的杂质。如有需要，还添加0.01-1wt%Ag，0.1-5wt%的稀土元素。Cu﹑Al能提高机械强度，Fe、Mn、Zn提高机械性能，Co改善硬度和耐蚀性能，而且会使含铁的铝青铜无磁性。但是该合金需添加Ag元素，制作过程中成本较高，而且铁含量太低，强化作用效果不明显。申请号为JP01-155123公开的《高强度模具合金》，这种材料的组分及其重量百分比含量为：0.5～3％Mn、0.5～5％Fe、0.5～10％Al、0.01～5％Ni和∕或Co、≤0.5%Ti和∕或Zr，其余为铜和≤0.5%的杂质。该合金可以作为一些对耐磨性能要求不高的模具材料，但是耐磨性能、强度和硬度的不足，导致其在模具行业使用率不高，严重制约了生产效率，而且Ni的存在会使材料具有一定的粘性，会使产品表面有划痕。

上述铝青铜合金仍存在硬度、耐磨性、屈服强度等性能不高或者制造成本昂贵等缺陷，因此本发明的目的是提供一种高强度高硬度高耐磨的铝青铜，尤其涉及一种具有低的摩擦系数、出色的抛光性能、极高的抗压性能和热加工性能优良的高性能铜合金及其制备方法。广泛应用于冲压模、拉深模等家电、汽车模具等行业，以及应用于耐磨板、不锈钢管成型轧辊、弯管球头、轴承轴套、无心磨床支撑刀具刃部等机械行业。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中的上述不足，提供了一种具有高硬度、高强度、高耐磨、高抗压性能和热加工性能优良且成本低，适用于当下产品质量对模具材料提出的更高要求，对Cu-Al-Fe-Mn-Zn系合金进行了进一步研究，得出必要元素的最佳配比，并且通过添加辅助元素改善铝青铜合金组织及性能，在特定工艺下制备出高性能的铝青铜产品。

本发明所采用的技术方案为：一种铝青铜，所述铝青铜包括以下重量百分比的组分：铝9.0～18.0%，铁2.0～7.0%，锰1～5%，锌0.01～1%，余量为铜和不可避免的杂质。

作为优选，所述铝青铜的重量百分比的组分优选为：铝12.0～16.0%，铁3.0～6.0%，锰1.5～4%，锌0.01～0.5%，余量为铜和不可避免的杂质。

进一步地，所述铝青铜的重量百分比的组分优选为：铝13.0～15.0%，铁4.0～5.0%，锰2.0～3%，锌0.01～0.5%，余量为铜和不可避免的杂质。

进一步地，所述铝青铜的组分还包括1～6%重量百分比的钴。

进一步地，所述铝青铜组分的钴重量百分比含量优选为1.5～4%。

进一步地，所述铝青铜的组分还包括选自Y1、Y2、Y3中的至少一种元素，其重量百分比含量为0.001%～3%，其中Y1为稀土元素、磷、镁中的一种或多种，Y2为硅、钛、铍中的一种或多种，Y3为硼、铬中的一种或两种。

进一步地，上述铝青铜的微观组织为β'+α+γ2+К。

进一步地，铝青铜的微观组织中β'占面积含量的50～75%。

进一步地，上述铝青铜合金具有700MPa以上的抗拉强度，硬度HB:300～400，抗压强度1000MPa以上，且摩擦系数在0.15以下。

本发明的铝对于提高铝青铜的强度和硬度具有至关重要的作用，一方面，铝固溶于α、γ2相中，起到固溶强化效果，且形成Cu₉Al₄为基体的固溶体，起到增强强度和硬度的作用。另一方面，铝与铁、铜形成AlFe、AlFe3、Al₇Cu₂Fe等金属间化合物，即К相组成，不但提高了硬度和强度，还起到耐磨的作用。当铝含量低于9.0wt%，材料强度和硬度较低，耐磨性较差，当铝含量高于18.0wt%，K相增加，导致材料过脆，在机加工过程容易崩边、崩角、开裂等。故铝的含量范围控制在9.0～18.0wt%。

铁在铝青铜中，除了形成K相，提高硬度、强度外，还可以显著改善铝青铜的组织结构，起到细化晶粒，使К相分布均匀，有利于合金耐磨性的提高。当铁含量低于2.0wt%，提升机械性能作用不明显；当铁含量高于7.0wt%，组织中会有针状FeAl3化合物析出，反而导致合金机械性能下降，抗蚀性恶化。故铁含量控制在2.0～7.0wt%。

锰增大β相的稳定性，避免或减少了γ2相的出现，锰在提高材料强度的同时却对塑性影响不大。锰的加入会缩小α单相区，但显著降低β相共析转变温度和反应速度，使“缓冷脆性”大大减弱。锰还能进一步提高铝青铜的耐腐蚀性能。实验证明当锰含量低于1.0wt%，上述效果不明显。锰与铝会形成硬质相，能够起到一定的强化作用，但过量的锰会降低材料延伸率，引起材料发脆，故一般锰含量控制在1.0～5wt%。

锌有限固溶于铜—铝合金的α固溶体，扩大相区并增加固溶体的合金化程度，同时少量的锌有助于熔炼的时候除气。但在含铁的铝青铜中，锌含量增加的话会使合金中含铁相微粒减少，耐磨性降低，故锌含量为0.01～1wt%。

钴在增加材料强度和硬度的同时而不会破坏合金的韧性，添加微量的Co可以起到较明显地细化β晶粒,净化金属的作用。Co在铜中的溶解度为5％，在高铝青铜中提高Co元素的含量，K相形貌发生变化形成类梅花形的新相。凝固时新相以细小的质点成为结晶核心，细化晶粒，并提高铝青铜的强度、硬度、耐磨性能。钴含量太低强化作用不明显，太高会引起材料发脆，同时原材料成本会升高很多。因此钴一般控制在1～6wt%。

稀土元素、磷、镁能够细化晶粒、净化熔体、除气的作用，还可使铸造组织中的K相由梅花状变为团球状，分布趋于均匀，因此可以添加Y1：稀土元素、磷、镁中的至少一种用于改善合金组织等性能，且含量为0.001～3.0wt%。

硅添加到铝青铜中，能够富集于K相中，形成硬质点颗粒，提高合金的硬度、耐磨性和机械性能。钛可以细化晶粒，提高产品的硬度。铍也具有上述元素同样的效果，因此可以添加Y2：硅、钛、铍中的至少一种，且含量为0.001～3.0wt%。

硼能细化铝青铜的组织，在微量降低其塑性的同时使合金得到强化，强度和硬度增加，同时能提高铝青铜的耐蚀性能。铬阻碍合金退火加热时的晶粒长大，提高合金退火后的硬度。因此可以添加Y3：硼、铬中的至少一种，且含量为0.001～3.0wt%。

上述所述铝青铜为混合的微观组织，其微观组织为：β'+α+γ2+К。

上述所述铝青铜的微观组织中β'占面积含量的50～75%。

Cu—Al的平衡态组织应为α+γ2+К，但研发发现，铝青铜在实际加工工艺及加工环境中冷却速度快，故会出现高温下未分解的β，即亚稳态β'。

铝青铜中α相是以Cu为基体的置换固溶体，属于面心立方点阵，显微硬度为HV200～270。

β'相是在实际铸造条件下共析转变受阻而形成的过冷β相，两者是同素异形体，前者具有斜方晶系点阵结构，在温度低于325℃时稳定；后者属于体心立方点阵，在温度高于565℃时稳定。β'相实际上是以Cu₃Al为基体的固溶体，显微硬度为HV170。

γ2相是以Cu₉Al₄为基体的固溶体，具有体心立方晶格的硬脆相，显微硬度为HV520；（α+γ2）的硬度为HV275～305。

К相为AlFe、AlFe3、Al₇Cu₂Fe的强化相，属于体心立方点阵，显微硬度HV≥700。在微观组织中灰色基体为β'相，在β'相上分布有白色的条状α相，间或有少量的深色γ2相，整个组织中均匀分布着花点样К相。

从上述研发中可以得出，铝青铜的硬度主要取决于β'、γ2、K相，而硬度对于模具材料的性能又起着至关重要的作用，因此铝青铜不但需要控制好必要元素铜、铝、锰、铁、锌的比例，还需要根据实际需要添加辅助元素如钴、Y1、Y2、Y3等元素，更好的改善合金的晶粒大小、相组织比例及分布等，从而达到所需的性能。

本发明的铝青铜，通过特定的元素配比、特定的加工方式及相组成，抗拉强度能够达到700MPa以上，硬度HB:300-400，抗压强度1000MPa以上，且摩擦系数低于0.15。

本发明所采用的另一种技术方案为：一种铝青铜的制备方法，在1150℃～1400℃温度条件下进行合金熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭或者扁铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；扁铸锭经过锻造或直接机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。

本发明的铝青铜具有如下优点：

1.高强度、高硬度、高抗压：通过特定的元素配比、特定的加工方式及相组成，抗拉强度能够达到700MPa以上，硬度HB:300-400，抗压强度1000MPa以上，广泛应用于现代工业生产中，包括耐磨板、不锈钢管成型轧辊，弯管球头、轴承轴套、无心磨床支撑刀具刃部、家电汽车模具等，制备得到的模具具有寿命长、工作效率高、无需经常修模的优点。

2.抗磨损性高：铝青铜表面会形成一层致密的且硬度高的Al₂O₃薄膜，微观组织中的硬质K相除了能够承载作用外，还能抵抗磨粒对材料的犁削，减少材料的流失。

3.无磁性：由于Co的加入能消除Fe所引起的磁性。当生产低碳钢管时，铝青铜滚轮可以用作生产线上的焊接工位，不会受高频线圈感应生热，无严重发热问题，易于冷却。

4.极低的滑动摩擦系数：不会造成产品的划伤，不会粘连产品，摩擦系数低于0.15。

5.合金的热加工性能好：合金的高温塑性好，在热状态下适用于各种不同的加工方式。

6.合金的抗软化温度很高：400℃时合金的抗拉强度为530MPa以上；500℃时合金的抗拉强度为250MPa以上，工业生产中在300℃～400℃的情况下模具仍可以正常使用。

7、生产成本低：该铝青铜不加元素Ag、Ni等贵重元素，且该铝青铜无需进行热处理，降低了原料和生产成本。

说明书附图

图1为铝青铜未加钴的微观组织（100倍）；

图2为铝青铜添加钴的微观组织（100倍）；

图3为铝青铜的微观组织（1000倍）。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述：

本发明的实施例1～41（具体合金成分及性能如表1）中的原料采用常规的铜、铝、铁、锰、锌、钴等元素为原料，在工业化规模条件下，通过感应电炉熔化，熔炼温度为1150℃～1400℃，然后进行半连续铸造（或连续铸造）成铝青铜圆（扁）铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃，如需进行热挤压，则挤压温度700℃～850℃，如若需要进行锻造，则锻造温度为700℃～850℃，之后进行机加工从而制备成所需的不同规格、不同状态的产品。

本发明对比实施例是C63000和US1961012510419610719的铝青铜。

本发明铝青铜的各实施例及对比合金的具体化学成份含量见表一所示。

本发明铝青铜的工艺路线如下：

1.原材料准备——半连续铸造或连续铸造成圆锭（扁锭）——机加工 ——检验成品包装。

2.原材料准备——半连续铸造或连续铸造成圆锭——挤压机挤压——机加工——检验成品包装。

3.原材料准备——半连续铸造或连续铸造成圆锭（扁锭）——锻造——机加工——检验成品包装。

性能检测试验样品制备：通常在感应电炉进行非真空熔炼，覆盖剂覆盖。按表1成分分别熔炼，将各实施例合金浇铸在金属模具中。浇成上端面直径Φ70mm×下端面直径Φ60mm×高度250mm的铸锭。然后机加工成Ф50×100mm挤压坯，在3150KN立式挤压机上进行热挤压，挤压温度700℃～850℃，挤压规格为Ф15mm。取Ф15mm×200mm的坯料，车削成Ф8mm的抗拉标样，Ф15×10mm的硬度样以及耐磨样。

其中测试耐磨样摩擦系数的实验条件为：

摩擦形式：线性往复；试验力：100N；往复频率：1HZ；试验时间：15min；试验环境：室温；试验条件：不加液压油。

通过上述实施例性能测试结果见表一：与对比合金相比，本发明的铜合金兼备较高硬度，强度和较优异的耐磨性能，同时热压力加工性能优良，可以制备成需要的产品形状。因此，本发明高強度高硬度高耐磨鋁青銅能广泛应用于现代工业生产中，满足模具行业的需求。

Claims

1.一种铝青铜，其特征在于，所述铝青铜包括以下重量百分比的组分：铝9.0～18.0%，铁2.0～7.0%，锰1～5%，锌0.01～1%，余量为铜和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝青铜，其特征在于，所述铝青铜的重量百分比的组分为：铝12.0～16.0%，铁3.0～6.0%，锰1.5～4%，锌0.01～0.5%，余量为铜和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的铝青铜，其特征在于，所述铝青铜重量百分比的组分为：铝13.0～15.0%，铁4.0～5.0%，锰2.0～3%，锌0.01～0.5%，余量为铜和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的铝青铜，其特征在于，所述铝青铜的组分还包括1～6%重量百分比的钴。

5.根据权利要求4所述的铝青铜，其特征在于，所述铝青铜的钴的重量百分比含量为1.5～4%。

6.根据权利要求1或4所述的铝青铜，其特征在于，所述铝青铜的组分还包括选自Y1、Y2、Y3中的一种或多种元素，其含量为0.001%～3%，其中Y1为稀土元素、磷、镁中的一种或多种，Y2为硅、钛、铍中的一种或多种，Y3为硼、铬中的一种或两种。

7.根据权利要求1、4或者6所述的铝青铜，其特征在于，该铝青铜的微观组织为β'+α+γ2+К。

8.根据权利要求1、4或者6所述的铝青铜，其特征在于，该铝青铜的微观组织中β'占面积含量的50～75%。

9.根据权利要求1、4或者6所述的铝青铜，其特征在于，该铝青铜合金具有700MPa以上的抗拉强度，硬度HB:300～400，抗压强度1000MPa以上，且摩擦系数在0.15以下。

10.根据权利要求1、4或者6所述铝青铜的制备方法，其特征在于，在1150℃～1400℃温度条件下进行合金熔炼；然后通过半连续或连续铸造成圆铸锭或者扁铸锭，铸造温度为1200℃～1300℃；所述圆铸锭经过挤压、锻造或者机加工成成品；扁铸锭经过锻造或直接机加工成成品；挤压温度为700℃～850℃，锻造温度为700℃～850℃。