CN103589902B - 一种无铅环保铜基合金材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无铅环保铜基合金材料及其制造方法，本发明的无铅环保铜基合金材料由以下重量百分数的组分组成：锌1％～4.5％，锡6％～8％，铋1％～2.5％，碳化硅1％～3％，余量为铜。本发明的合金材料中采用铋元素替换传统铜合金中的铅元素，并添加纳米级碳化硅材料，通过铋的冷涨热缩性能及纳米碳化硅材料的高韧性和高硬度从而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜材料。本发明在不增加成本的情况下，满足了对该合金的环保性能的要求同时又进一步改善了合金的切削性能和硬度，适合于高温(400℃)情况的耐磨零部件。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料生产领域，尤其涉及一种无铅环保铜基合金材料，以及这种合金材料的制造方法。
背景技术
现有的锡青铜材料为了实现其易切屑性能往往会添加铅元素，含铅的锡青铜具有较高的耐磨性和良好的可加工性，纤焊和焊接性能好，主要用于制造航空﹑汽车及其他工业部门中承受摩擦的零件并进行必要的焊接。但是由于铅的特性，在进行热加工时，极易产生热脆性，因此只能进行冷加工，降低了合金材料的可加工性，并且铅对环境具有很大的危害，随着环保意识的明显提高，含铅元素的青铜合金已经不能满足国内外高端市场的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种不含铅，可加工性强的环保铜基合金材料，以及这种合金材料的制造方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌1％，锡6％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。
进一步地，所述各组分的重量百分数配比如下：锌4.5％，锡8％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。
进一步地，所述各组分的重量百分数配比如下：锌2.5％，锡7％，铋2％，碳化硅2％，余量为铜。
进一步地，所述各组分的重量百分数配比如下：锌1％，锡6％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。
进一步地，所述各组分的重量百分数配比如下：锌4.5％，锡8％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。
进一步地，所述无铅环保铜基合金材料的制造方法，包含以下步骤：
1)将铜、锡、锌按上述任意一个的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1100℃～1150℃完全熔化后，保温至1000℃；
2)将上述完全熔化的合金液充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，并保温；
3)1000℃保温1.2～1.5小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用；
4)将铋﹑碳化硅按上述任意一个的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温20-30分钟；
5)将步骤4)的溶液添加到保温完成的步骤3)的备用合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1100-1500℃，取样化验各成分含量；
6)取步骤5)中各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则进行下一步加工；
7)将步骤6)中合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用；
8)用高精度车床对步骤7)中探伤合格的锭或棒进行表面处理。
更进一步地，步骤2)中所述搅拌采用石墨棒。
更进一步地，步骤2)中所述石墨粉的厚度为6～10cm。
更进一步地，步骤4)中所述铋的纯度大于99.99％，碳化硅的粒径范围为1μm<粒径<10μm。
更进一步地，步骤4)中所述加热温度为350～400℃，加热时间为30～40分钟。
更进一步地，步骤6)中所述显微镜为800倍的金相显微镜。
采用以上技术方案，本发明的合金材料中采用铋元素替换传统铜合金中的铅元素，并添加纳米级碳化硅材料，按照一定的成分配比，适当的温度，通过铋的冷涨热缩性能及纳米碳化硅材料的高韧性和高硬度从而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜材料。本发明在不增加成本的情况下，满足了对该合金的环保性能的要求同时又进一步改善了合金的切削性能和硬度，适合于高温(400℃)情况的耐磨零部件。
附图说明
图1是本发明生产工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌1％，锡6％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。其制造工艺流程如图1所示，依次进行以下步骤：
将铜、锡、锌按上述的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1100℃完全熔化后，保温至1000℃。将上述完全熔化的合金液用石墨棒充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，厚度为6cm，并保温。1000℃保温1.2小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用。将纯度大于99.99％的铋﹑粒径范围为1μm<粒径<10μm的碳化硅按上述的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，加热温度为350℃，时间为30分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温20分钟。将上述溶液添加到保温完成的的备用铜、锡、锌合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1100℃，取样化验各成分含量。取上述各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在800倍的金相显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则将合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用。用高精度车床对探伤合格的锭或棒进行表面处理。
实施例2
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌4.5％，锡8％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。其制造工艺流程如图1所示，依次进行以下步骤：
将铜、锡、锌按上述的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1150℃完全熔化后，保温至1000℃。将上述完全熔化的合金液用石墨棒充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，厚度为10cm，并保温。1000℃保温1.5小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用。将纯度大于99.99％的铋﹑粒径范围为1μm<粒径<10μm的碳化硅按上述的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，加热温度为400℃，时间为40分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温30分钟。将上述溶液添加到保温完成的的备用铜、锡、锌合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1500℃，取样化验各成分含量。取上述各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在800倍的金相显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则将合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用。用高精度车床对探伤合格的锭或棒进行表面处理。
实施例3
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌2.5％，锡7％，铋2％，碳化硅2％，余量为铜。其制造工艺流程如图1所示，依次进行以下步骤：
将铜、锡、锌按上述的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1125℃完全熔化后，保温至1000℃。将上述完全熔化的合金液用石墨棒充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，厚度为8cm，并保温。1000℃保温1.3小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用。将纯度大于99.99％的铋﹑粒径范围为1μm<粒径<10μm的碳化硅按上述的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，加热温度为375℃，时间为35分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温25分钟。将上述溶液添加到保温完成的的备用铜、锡、锌合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1300℃，取样化验各成分含量。取上述各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在800倍的金相显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则将合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用。用高精度车床对探伤合格的锭或棒进行表面处理。
实施例4
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌1％，锡6％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。其制造工艺流程如图1所示，依次进行以下步骤：
将铜、锡、锌按上述的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1125℃完全熔化后，保温至1000℃。将上述完全熔化的合金液用石墨棒充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，厚度为8cm，并保温。1000℃保温1.3小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用。将纯度大于99.99％的铋﹑粒径范围为1μm<粒径<10μm的碳化硅按上述的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，加热温度为375℃，时间为35分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温25分钟。将上述溶液添加到保温完成的的备用铜、锡、锌合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1300℃，取样化验各成分含量。取上述各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在800倍的金相显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则将合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用。用高精度车床对探伤合格的锭或棒进行表面处理。
实施例5
一种无铅环保铜基合金材料，由以下重量百分数的组分组成：锌4.5％，锡8％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。其制造工艺流程如图1所示，依次进行以下步骤：
将铜、锡、锌按上述的重量百分配比置于工频电炉内，加热至1130℃完全熔化后，保温至1000℃。将上述完全熔化的合金液用石墨棒充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，厚度为9cm，并保温。1000℃保温1.4小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用。将纯度大于99.99％的铋﹑粒径范围为1μm<粒径<10μm的碳化硅按上述的重量百分配比同时放置于坩埚炉中加热，加热温度为380℃，时间为36分钟，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温26分钟。将上述溶液添加到保温完成的的备用铜、锡、锌合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1400℃，取样化验各成分含量。取上述各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在800倍的金相显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则将合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用。用高精度车床对探伤合格的锭或棒进行表面处理。
本发明提供的无铅环保铜基合金材料制造方法将传统铅元素替换为铋元素，并添加纳米级碳化硅材料，按照一定的成分配比，适当的温度，通过铋的冷胀热缩性及纳米碳化硅材料的高韧性和高硬度从而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜。
经检测本实施例得到的无铅环保铜基合金材料的切削性能、硬度都优于锡青铜。
综上，实施例1-5提供的无铅环保铜基合金材料通过将传统铅元素替换为铋元素，并添加纳米级碳化硅材料，由此来增加合金材料的切削性能和硬度。其具体性能详见下表：
表1 无铅环保铜基合金材料性能表
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种无铅环保铜基合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：锌1％，锡6％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。
2.一种无铅环保铜基合金材料，其特征在于，各组分的重量百分数配比如下：锌2.5％，锡7％，铋2％，碳化硅2％，余量为铜。
3.一种无铅环保铜基合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：锌4.5％，锡8％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。
4.一种无铅环保铜基合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：锌1％，锡6％，铋2.5％，碳化硅3％，余量为铜。
5.一种无铅环保铜基合金材料，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：锌4.5％，锡8％，铋1％，碳化硅1％，余量为铜。
6.一种无铅环保铜基合金材料的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)按照权利要求1-5中任意所述的配比将铜、锡、锌置于工频电炉内，加热至1100℃～1150℃完全熔化后，保温至1000℃；
2)将上述完全熔化的合金液充分搅拌后，在合金液上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，并保温；
3)1000℃保温1.2～1.5小时后，从电炉内取出样品，采用直读光谱仪对样品进行三到五次成分检测，若各组分含量在规定范围之内，则安置备用；
4)按照权利要求1-5中任意所述的配比将铋﹑碳化硅同时放置于坩埚炉中加热，并用石墨棒进行搅拌，搅拌至碳化硅均匀分布在铋的溶液当中，保温20-30分钟；
5)将步骤4)的溶液添加到保温完成的步骤3)的备用合金液中，再次用石墨棒进行搅拌，并加温至1100-1500℃，取样化验各成分含量；
6)取步骤5)中各成分含量在规定范围之内的合金液少量，待其冷却凝固后抛光，在显微镜下观察，若晶粒组织均匀，则进行下一步加工；
7)将步骤6)中合金液铸造成锭或棒，而后超声波探伤，探伤合格后备用；
8)用高精度车床对步骤7)中探伤合格的锭或棒进行表面处理。
7.根据权利要求6所述的无铅环保铜基合金材料的制造方法，其特征在于，步骤2)中所述搅拌采用石墨棒。
8.根据权利要求6所述的无铅环保铜基合金材料的制造方法，其特征在于，步骤2)中所述石墨粉的厚度为6～10cm。
9.根据权利要求6所述的无铅环保铜基合新材料的制造方法，其特征在于，步骤4)中所述铋的纯度大于99.99％，碳化硅的粒径范围为1μm<粒径<10μm。
10.根据权利要求6所述的无铅环保铜基合金材料的制造方法，其特征在于，步骤4)中所述加热温度为350～400℃，加热时间为30～40分钟。
11.根据权利要求6所述的无铅环保铜基合金材料的制造方法，其特征在于，步骤6)中所述显微镜为800倍的金相显微镜。
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