CN103740972B - 一种青铜合金棒材的半固态挤压制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过调整各合金元素的配比，在较大锡含量的同时，加入较大含量的铋以取代铅，并适量添加了Zn、Fe、Ni等微量的合金元素，通过控制熔炼工艺、熔体搅拌速度以及通过流量、挤出温度、挤出速度和挤压比等参数，再辅以相配的热处理工艺，获得了性能优异的青铜合金棒材。<pb pnum="1" />
Description
技术领域
本发明涉及合金的技术领域，特别是一种青铜合金的制备方法，尤其是一种青铜合金棒材的半固态挤压制备方法。
背景技术
锡青铜合金具有较高的力学性能、良好的耐磨耐腐蚀性和低温韧性，易于切削加工，特别是含磷锡青铜，具有很高的硬度、弹性和耐磨性，在大气、海水中均具有较高的耐腐蚀性，且易于焊接，被广泛用于服役于各种环境中的机械设备的弹性部件和耐磨部件。
然而锡青铜存在的主要问题在于较高的锡含量会导致锡青铜合金变得硬而脆，塑性很差，在塑性变形的加工过程中往往产生裂纹、偏析等缺陷。同时，传统的锡青铜合金在铸造的过程中也容易产生缩孔和偏析等铸造缺陷，并且由于其高熔点和通常施加的铸造压力，对于铸型的破坏也非常严重。
半固态金属技术是20世纪70年代提出的一种介于液态、固态成形的技术，它由于具有充型平稳、制件致密性高、对模具的热冲击力小、力学性能高、成型压力低等优势，被广泛用于金属成型制造。将半固态金属技术用于铜合金的制备无疑能够解决传统的铸造和加工缺陷问题。
而半固态浆料的质量和随后的加工成型工艺都是决定青铜材料性能的关键。由于青铜合金本身熔体流动性差，造成其低温铸造性能不佳，如何通过控制青铜合金的成分、半固态浆料搅拌强度，以及后续塑性加工工艺等获得具有优异性能的青铜材料，仍然是亟待研究和探索的技术问题。例如专利文献CN101384386即提供了一种用于半固态金属铸造的原料磷青铜合金，然而其仅仅局限于提供合金原料，而对于后续的工艺并不涉及，并且其组成中含有大量的有害合金元素Pb，故而也对半固态浆料的控制要求较低。专利文献JP6-234049也提供了一种青铜合金的半固态铸造方法，然而其考虑到过高Sn含量带来的铸造劣化等问题，严格将Sn的含量限制在9%以下，且并没有给出合适的半固态铸造的温度，也未涉及到半固态铸造的后续塑性加工处理。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种青铜合金棒材的半固态挤出成型制备方法。
本发明的制备方法具有如下的制备步骤：
一、配料：按合金目标重量百分比为10-12Sn、6-6.5Bi、0.20-0.23P、0.1-0.15Zr、0.05-0.09Zn、0.01-0.02Fe、0.01-0.02Ni、余量为Cu和不可避免的杂质称取原料，Zn+Fe+Ni的总含量小于0.1，所述原料为纯度为99.99%无氧铜和纯度为99.9%的各合金元素的粉末；
二、熔炼：将配好的原料在大气气氛下于高频炉中进行熔炼，加热熔化过程中确保熔体液面被木炭完全覆盖，当温度升至1400-1450℃后添加镍粉和铁粉，保温2-3分钟后，继续升温至1580-1650后添加锆粉，保温5-10分钟，随后降温至1320-1350℃后添加铋粉，保温5-10分钟，继续降温至1280-1300℃后添加锡粉，保温15-20分钟，最后降温至1200-1250℃添加磷粉，并保温5-10分钟，经检验并微调熔体成分合格后完成熔炼；
三、半固态浆料的制备：将青铜合金熔体通过由搅拌器和冷却器组成的弧形通道，以得到半固态浆料，其中所述搅拌器为带有齿状凸起、直径为180-200毫米的圆周面，而所述冷却器具有与所述搅拌器的外圆周面同心间隙设置的冷却圆弧面，所述圆弧面为1/6圆周，齿状凸起的高度为3-4毫米、齿间距为4-5毫米，所述间隙的距离为8-9毫米，所述搅拌器的旋转速度为180-200rpm；
四、挤出成型加工：将半固态浆料注入经过预热到830-850℃的挤压模具中，维持半固态浆料的温度在850-880℃，以35-40mm/s的挤压速度、10-15的挤压比进行挤出成型加工，得到青铜合金棒材；
五、退火：将挤出的棒材以20-25℃/s的速度冷却至420-450℃，保温2.5-3h后，出炉空冷至室温，得到青铜合金棒材产品。
作为优选的，所述合金目标重量百分比为11Sn、6.2Bi、0.21P、0.13Zr、0.07Zn、0.02Fe、0.02Ni、余量为Cu和不可避免的杂质称取原料。
作为优选的，所述间隙的距离为9毫米。
作为优选的，所述搅拌器的旋转速度为190rpm。
作为优选的，挤出成型加工维持半固态浆料的温度在860℃。
作为优选的，挤出成型加工的挤压速度为38mm/s，挤压比为12。
本发明的优点在于：调整了各合金元素的配比，在较大锡含量的同时，加入较大含量的铋以取代铅，并适量添加了Zn、Fe、Ni等微量的合金元素，通过控制熔炼工艺、熔体搅拌速度以及通过流量、挤出温度、挤出速度和挤压比等参数，再辅以相配的热处理工艺，获得了性能优异的青铜合金棒材。
附图说明
图1是本发明半固态浆料制备装置的示意图。
具体实施方式
实施例1-3，以及对比例1#-11#：
一、配料：以表1所示的合金目标重量百分比称取原料，所述原料为纯度为99.99%无氧铜和纯度为99.9%的各合金元素的粉末；
二、熔炼：将配好的原料在大气气氛下于高频炉中进行熔炼，加热熔化过程中确保熔体液面被木炭完全覆盖，当温度升至1430℃后添加镍粉和铁粉，保温2分钟后，继续升温至1600后添加锆粉，保温10分钟，随后降温至1340℃后添加铋粉，保温10分钟，继续降温至1280℃后添加锡粉，保温18分钟，最后降温至1220℃添加磷粉，并保温5分钟，经检验并微调熔体成分合格后完成熔炼；
三、半固态浆料的制备：将青铜合金熔体通过由搅拌器和冷却器组成的弧形通道3，以得到半固态浆料，其中所述搅拌器1为带有齿状凸起、直径为180毫米的圆周面，而所述冷却器2具有与所述搅拌器的外圆周面同心间隙设置的冷却圆弧面，所述圆弧面为1/6圆周，所述齿状凸起的高度为4毫米、齿间距为4毫米，所述间隙的距离为8毫米，所述搅拌器的旋转速度为180rpm；
四、挤出成型加工：将半固态浆料注入经过预热到830℃的挤压模具中，维持半固态浆料的温度在850℃，以35mm/s的挤压速度、10的挤压比进行挤出成型加工，得到青铜合金棒材；
五、退火：将挤出的棒材以22℃/s的速度冷却至440℃，保温2.5h后，出炉空冷至室温，得到青铜合金棒材产品。
通过表1的结果可推知以下结论：
Sn的含量应当严格控制在10-12%之间，过高的Sn含量会影响合金的挤出成型加工性能，从而恶化最终棒材的强度和拉伸性能，但过低的Sn含量将严重影响半固态浆料的流动性能，从而导致棒材的挤出性能恶化，也使得其强度严重不足。
Bi的含量应当控制在6-6.5%的范围，过高的Bi含量会因为Bi的凝固膨胀等问题而造成挤出性能的恶化，但Bi含量太低则不利于材料的耐磨损等性能，起不到代替有害元素铅的作用。
P是锡青铜重要的添加元素，在本发明的合金体系中，P的含量不应超过0.23%，否则将导致拉伸性能的严重不足，但P的含量应当至少超过0.2%，因为需要通过P来提高合金的流动性以获得半固态浆料的铸造、成型等加工性能。
Zr既可与P协同促进合金体系熔融流动性能，也在一定程度上对合金起到沉淀强化的作用，其含量过低起不到提高流动性的作用而导致半固态浆料挤出成型性能的不足，过高则会导致成型塑性的严重不足。
微量合金元素Zn、Fe、Ni的添加能够明显改善合金体系的强度，但考虑到过量的添加可能导致材料的加工成型性能恶化，因此应当控制其总含量小于0.035%。
表1
实施例4-5，以及比较例12#-20#，合金的组成与实施例2相同，搅拌速度、通过流量、挤出工艺参数等参见表2。
由表2的结果可以推知：
搅拌速度对于铜合金棒的组织性能具有重要影响，过低的搅拌速度会使得搅拌的效果不充分，而难以起到足够的细化晶粒，提高流动性等作用，从而导致随后的挤出性能恶化，而过高的搅拌速度则有可能卷入气体而造成缺陷，从而影响材料的组织和性能。较为合理的搅拌速度是180-200rpm。
间隙距离是熔体流量和冷却度的直接反应，过小的间隙距离使得熔体通过冷却器的速度过低而造成熔体的过度冷却而影响半固态浆料的流动性和挤出性能，而过大的间隙距离则会造成熔体的大量流出而导致冷却不充分，从而影响半固态浆料的挤出性能。较为合理的间隙距离是8-9毫米。
挤出的工艺参数是直接决定棒材性能的重要因素，挤出温度过低，挤压速度过快或者挤压比过大，都会导致挤出载荷的急剧增大，从而造成加工的困难以及产品的性能的恶化，而挤出温度过高，挤压速度过低或者挤压比过小，则不能起到足够的抑制棒材中缩孔等缺陷，以及造成锡的浓度不均和低下。综合考虑，挤出温度最好控制在850-880℃，挤压速度控制在35-40mm/s，而挤压比控制在10-15之间。
表2
综上，本发明通过调整合金元素的配比，以及控制熔炼工艺、熔体搅拌速度以及通过流量、挤出温度、挤出速度和挤压比等参数，再辅以相配的热处理工艺，获得了性能优异的青铜合金棒材。
Claims (5)
1.一种青铜合金棒材的半固态挤出成型制备方法，其特征在于包括以下步骤：
一、配料：按合金目标重量百分比为10-12Sn、6-6.5Bi、0.20-0.23P、0.1-0.15Zr、0.05-0.09Zn、0.01-0.02Fe、0.01-0.02Ni、余量为Cu和不可避免的杂质称取原料，Zn+Fe+Ni的总含量小于0.1，所述原料为纯度为99.99%无氧铜和纯度为99.9%的各合金元素的粉末；
二、熔炼：将配好的原料在大气气氛下于高频炉中进行熔炼，加热熔化过程中确保熔体液面被木炭完全覆盖，当温度升至1400-1450℃后添加镍粉和铁粉，保温2-3分钟后，继续升温至1580-1650后添加锆粉，保温5-10分钟，随后降温至1320-1350℃后添加铋粉，保温5-10分钟，继续降温至1280-1300℃后添加锡粉，保温15-20分钟，最后降温至1200-1250℃添加磷粉，并保温5-10分钟，经检验并微调熔体成分合格后完成熔炼；
三、半固态浆料的制备：将青铜合金熔体通过由搅拌器和冷却器组成的弧形通道，以得到半固态浆料，其中所述搅拌器为带有齿状凸起、直径为180-200毫米的圆周面，而所述冷却器具有与所述搅拌器的外圆周面同心间隙设置的冷却圆弧面，所述圆弧面为1/6圆周，所述齿状凸起的高度为3-4毫米、齿间距为4-5毫米，所述间隙的距离为8-9毫米，所述搅拌器的旋转速度为180-200rpm；
四、挤出成型加工：将半固态浆料注入经过预热到830-850℃的挤压模具中，维持半固态浆料的温度在850-880℃，以35-40mm/s的挤压速度、10-15的挤压比进行挤出成型加工，得到青铜合金棒材；
五、退火：将挤出的棒材以20-25℃/s的速度冷却至420-450℃，保温2.5-3h后，出炉空冷至室温，得到青铜合金棒材产品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述合金目标重量百分比为11Sn、6.2Bi、0.21P、0.13Zr、0.07Zn、0.02Fe、0.02Ni、余量为Cu和不可避免的杂质称取原料。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述间隙的距离为9毫米。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述搅拌器的旋转速度为190rpm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：挤出成型加工的挤压速度为38mm/s，挤压比为12。
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