CN104164589A - 一种高强耐磨铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强耐磨铜合金，其特征在于各组分含量为：镍：8.0～10.0％、锡：2.0～4.0％、铁：1.5～3.5％、铝：3.5～5.5％、镧铈复合稀土：0.03～0.2％，不可避免的杂质≤0.1％，余量为铜，上述百分比为质量百分比，制备步骤：配料－熔铸－加热－挤压－退火－成品。本发明的高强耐磨铜合金采用了多元少量的合金化原则，通过添加镍、锡、铁、铝及稀土等元素，最终提高铜合金的综合力学性能、耐磨性能，同时保证合金具有良好的加工性能，属无铅铜合金材料，消除生产和使用中对环境和人体的危害，具有优异的冷热成形性、优良的力学性能，较好的抗腐蚀性能，具有高的强度和耐磨性，同时生产工艺简单，易于操作，可实现规模化生产，尤其适合于低速重载荷工作下的缸体、铜套、轴瓦等耐磨零部件。

Description

一种高强耐磨铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜合金，尤其涉及一种高强耐磨铜合金及其制备方法。

背景技术

高性能液压泵/马达是液压系统中能源转换的关键部件，在军工、矿山、冶金、工程、农业和注塑机等机械行业上获得广泛的应用，液压技术的先进与否常被用来作为衡量一个国家工业技术水平的标准。液压系统中高性能液压泵/马达的关键部件如滑靴、缸体、铜套、复合烧结铜件、轴瓦、球铰、配油盘等部件均为高强耐磨铜件。液压泵/马达是液压系统中能源转换的心脏部件，而马达的失效绝大部分是由于磨损引起的，其中关键摩擦副的磨损占比约50％，这些摩擦副往往是由钢(铁)和铜合金配对组成。传统摩擦副铜配件一直选用青铜合金ZQAl9-4和ZQSn10-1，两者在润滑不良的条件下耐磨性能大大降低，而且强度和硬度偏低，高负荷条件下容易发生断裂或快速磨损导致降低使用寿命，因此要提高耐磨铜合金件在恶劣环境下的使用寿命，必须保证材料具有优异的耐磨性能和较高的强度和硬度。

青铜作为常用的耐磨材料，广泛地用于轴承、轴套、轴瓦、滑块、螺母等零件的制造，近年来随着对耐磨零件需求不断增长，已相继开发出无数种耐磨铜合金，如CN102304642B专利公开了一种耐磨锡青铜，适用于交通电力领域耐磨关重部件；CN1092817A专利公开了一种耐磨黄铜合金，用于汽车变速箱同步器锥齿环；CN1159486A专利公开了一种高速电气化铁路接触网导线用铜合金，要求强度较高，导电性好，磨耗低，成本较低等性能。鸡西市刘桂英等人研究的ZQAl8-2-3合金代替价格较贵的锡青铜ZQSn6-6-3，耐磨性较好，成本低，满足使用要求。日本三菱伸铜株式会社发明的专利CN100543160C公开了一种耐磨性、切削性、耐蚀性较好的铜合金铸件及铸造方法，用于汽缸体活塞滑履、轴瓦、轴承、螺母等耐磨零件。

上述专利成果中CN100543160C专利指出合金在铸造和热处理后下使用，其强度仅有300Mpa左右，塑性也较低，影响使用寿命；CN1159486A专利强调合金用于高铁导线材料，要求高的电导率，因此添加的合金元素有时牺牲掉对强度和硬度做出贡献的考虑；CN1092817A专利虽然成本较低，但合金元素较多，强度稍高，但室温塑性较低，降低其耐磨寿命。目前国内对高强耐磨铜合金研究较少，有的采用等通道角挤压工艺，虽然提高了铜合金的强硬度，但是工艺复杂，模具制作要求高，难以实现工程化应用。

因此，研究出一种用于矿山、冶金、工程等行业的轴承、轴套、轴瓦、滑块、螺母耐磨铜合金及其制备方法，对提高设备使用寿命、提高产品质量和降低能源消耗具有重大的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种具有优良力学性能、耐磨性好、良好的加工性能的高强耐磨铜合金，用于矿山、冶金、工程等行业。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种具有优良力学性能、耐磨性好、良好的加工性能的高强耐磨铜合金的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强耐磨铜合金，其特征在于各组分含量为：

镍：8.0～10.0％、锡：2.0～4.0％、铁：1.5～3.5％、铝：3.5～5.5％、镧铈复合稀土：0.03～0.2％，不可避免的杂质≤0.1％，余量为铜，上述百分比为质量百分比。

作为优选，所述各组分含量为：

镍：8.0～9.0％、锡：2.0～3.0％、铁：1.5～2.5％、铝：4.0～5.0％、镧铈复合稀土：0.05～0.1％，不可避免的杂质≤0.1％，余量为铜，上述百分比为质量百分比。

再优选，所述镧铈复合稀土中镧铈含量各占50％。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高强耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：按合金成分配料在中频感应电炉中真空熔炼，保温后，在1000～1200℃下真空浇铸成ф90～210mm铜铸锭，铜铸锭在600℃～800℃温度下保温8～12小时，进行成分均匀化退火处理，然后空冷，在700℃～800℃温度下进行挤压，挤压成ф55～65mm铜棒，在750～850℃温度下进行2～5小时固溶处理，然后以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在低于500℃的温度下进行退火，制成成品。

作为改进，所述熔炼的温度为1150～1250℃，在熔炼前，将镍、锡、铁、铝、镧铈复合稀土先制成铜系中间合金锭，与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼。

作为优选，所述浇铸成的铜铸锭ф200mm，挤压成的铜棒ф60mm。

作为优选，所述退火温度为300℃～400℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、属无铅铜合金材料，消除生产和使用中对环境和人体的危害。

2、具有优异的冷热成形性、优良的力学性能，较好的抗腐蚀性能，具有高的强度和耐磨性，适合于低速重载荷工作下的汽缸体活塞滑履、轴瓦、轴承、轴套、滑块、螺母等耐磨零部件。

3、我国稀土资源丰富，充分利用自有资源，添加稀土后，提高材料的综合性能，极大提高零部件的服役寿命。

4、生产工艺简单，易于操作，可实现规模化生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

其生产工艺流程方法如下：

配料－熔铸－加热－挤压－退火－成品。

具体过程为：采用真空中频感应电炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度1200℃，镍、锡、铁、铝、稀土制成铜系中间合金锭，在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，保温后，在1150℃温度下，进行真空浇注成ф200mm铜锭。铸锭在750℃温度下保温12小时，进行成分均匀化退火处理，然后空冷，在780℃温度下进行挤压，挤压成ф60mm铜棒，在800℃温度下进行5小时固熔处理，以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在400℃的温度下进行退火，制成成品。性能如表2所示。

实施例2

其生产工艺流程方法如下：

配料－熔铸－加热－挤压－退火－成品。

具体过程为：采用真空中频感应电炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度1200℃，镍、锡、铁、铝、稀土制成铜系中间合金锭，在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，保温后，在1150℃温度下，进行真空浇注成ф200mm铜锭。铸锭在750℃温度下保温12小时，进行成分均匀化退火处理，然后空冷，在800℃温度下进行挤压，挤压成ф60mm铜棒，在850℃温度下进行5小时固熔处理，以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在350℃的温度下进行退火，制成成品。性能如表2所示。

实施例3

其生产工艺流程方法如下：

配料－熔铸－加热－挤压－退火－成品。

具体过程为：采用真空中频感应电炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度1200℃，镍、锡、铁、铝、稀土制成铜系中间合金锭，在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，保温后，在1150℃温度下，进行真空浇注成ф200mm铜锭。铸锭在750℃温度下保温12小时，进行成分均匀化退火处理，然后空冷，在800℃温度下进行挤压，挤压成ф60mm铜棒，在820℃温度下进行5小时固熔处理，以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在300℃的温度下进行退火，制成成品。性能如表2所示。

表1高强耐磨铜合金的成分组成实例

实施例

Ni

Fe

Al

Sn

RE

Cu

实施例1

9.5％

3.5％

5.0％

3.5％

0.05％

余量

实施例2

8.5％

3.2％

4.5％

3.0％

0.05％

余量

实施例3

7.5％

2.5％

4.0％

2.5％

0.1％

余量

表2高强耐磨铜合金的力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％	HB
					实施例1	920	650	18	150
实施例2	870	600	20	145
					实施例3	780	550	22	138

其它性能如下：

1.摩擦系数：

实施例1：摩擦系数0.21

实施例2：摩擦系数0.18

实施例3：摩擦系数0.15

2.磨损率：

实施例1：磨损率0.32х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

实施例2：磨损率0.33х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

实施例3：磨损率0.31х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

本发明的高强耐磨铜合金采用了多元少量的合金化原则，通过添加镍、锡、铁、铝及稀土等元素，最终提高铜合金的综合力学性能、耐磨性能，同时保证合金具有良好的加工性能。

Al是决定合金强度的主要元素之一，对塑性影响较大，随着铝含量的增大，合金基体由α相向β相转变，塑性变差，将铝含量控制在较低水平有利于材料塑性的提高及较好的成型性能。

铁对铝青铜的主要作用是细化晶粒，提高合金的机械性能和耐磨性能，根据铜-铝-铁三元相图，铁在铝青铜中的溶解度很小，约为0.5-1％，如果超过这个含量，铁就会形成K相(Cu-Al-Fe)化合物，K相为体心立方晶格，具有很高的显微硬度(大于700HV)，凝固时K相以细小的质点成为结晶核心，细化晶粒。铁在铝青铜中能略为降低三相共析转变温度，扩大α相区，从而减弱“缓冷脆性”的影响。而且，由于K相质点的存在，还能使共析体包围着它生长，从而使共析体由粗大网状变成分散颗粒状。组织中适量的K相存在并均匀分布，可提高铝青铜的强度、硬度和耐磨性能。但是，过量的铁不仅会使合金变脆，而且会降低合金的耐腐蚀性能。当含Fe量超过5％时，合金的耐腐蚀性能显著恶化。因此，铝青铜的含Fe量一般控制在2-4％。

镍能固溶于α固溶体中，使合金强化，镍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，进而减小合金的脆性，另一方面，在熔体凝固时，(FeNi)_xAl化合物作为结晶核心细化晶粒，分布在基体上阻碍位错移动，从而提高合金强度、硬度、耐磨性。镍还能显著提高合金的耐腐蚀性能。

锡可提高铜合金热加工成型性能，增加合金的流动性，锡是固溶强化元素，强化基体，有利于各相分散均匀和强化相的形成，合金时效后产生(CuNi)₃Sn相和Ni₃Sn相，使合金的强度和硬度显著提高。

在铜中加入两种稀土元素的混合体，也能充分达到完善晶体结构、净化、去除杂质的作用，并能改善铜的电导率和机械性能。稀土元素添加剂能够扩大热扎温度，改善合金的高温性能，提高从α→β相变温度，从而改善了这种合金的热加工性能，扩大了合金的热加工温度范围。

稀土作为添加剂能净化铜液，得到光洁均匀的铸件，可以细化铜合金的组织结构；消除铜合金在铸造过程中产生的缺陷；同时还可以消除急冷铸件的裂纹，达到其使用寿命的延长，在晶界上能形成均匀分布的化合物，这样的结构对合金的热处理方面的性能起到完善作用，随后对合金进行固溶时效，其抗拉强度能显著提高。

稀土元素的添加能很好的抑制离子的扩散，达到抗腐蚀的作用。大量的试验已经证实了稀土对铜合金性能的改善，例如适量的稀土元素加入在普通电解铜中生产出的铜排综合性能很好，各项指标都比普通的紫铜排好很多，尤其是在电导率方面。因此为了满足各行业的需求，在制造高强高导铜合金时，可以通过向纯铜及铜合金中加入稀土元素的方法来改善铜的综合性能。

铜作为一种耐磨材料，添加稀土金属后,由于提高了机械强度和抗压性能,使其在高比压下不容易产生变形，从而减少了因压皱而引起的磨损。同时,由于添加稀土金属铝青铜,具有良好的塑性,使它在摩擦时依赖一定程度的塑性变形,很快地磨合起来,提高了它的磨合性能,增加摩擦工件间的有效工作面积,降低单位面积上的载荷,起着提高耐磨性的作用。此外,由于高铝青铜是复相合金,添加稀土金属后,使软的α相和硬的β相都得到细化,这样可以减慢合金工件在摩擦时接触表面薄层的塑性流动,从而可以减少磨损,起着提高耐磨作用。

复合稀土主要起精炼和细化晶粒的作用，提高合金致密度，使其强度和塑性提高，有利于压力加工。

由于合金采用多元少量的作用，使本合金基体上均匀分布着强化相及耐磨硬质点，使本合金综合力学性能及耐磨性优于一般的青铜合金，特别适合于低速重载荷工作下的缸体、铜套、轴瓦等耐磨零部件。

Claims (7)

1.一种高强耐磨铜合金，其特征在于各组分含量为：

镍：8.0～10.0％、锡：2.0～4.0％、铁：1.5～3.5％、铝：3.5～5.5％、镧铈复合稀土：0.03～0.2％，不可避免的杂质≤0.1％，余量为铜，上述百分比为质量百分比。

2.根据权利要求1所述的高强耐磨铜合金，其特征在于所述各组分含量为：

镍：8.0～9.0％、锡：2.0～3.0％、铁：1.5～2.5％、铝：4.0～5.0％、镧铈复合稀土：0.05～0.1％，不可避免的杂质≤0.1％，余量为铜，上述百分比为质量百分比。

3.根据权利要求1或2所述的高强耐磨铜合金，其特征在于所述镧铈复合稀土中镧铈含量各占50％。

4.一种根据权利要求1至3任一权利所述的高强耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：按合金成分配料在中频感应电炉中真空熔炼，保温后，在1000～1200℃下真空浇铸成ф90～210mm铜铸锭，铜铸锭在600℃～800℃温度下保温8～12小时，进行成分均匀化退火处理，然后空冷，在700℃～800℃温度下进行挤压，挤压成ф55～65mm铜棒，在750～850℃温度下进行2～5小时固溶处理，以小于100℃/小时的冷却速度进行冷却，在低于500℃的温度下进行退火，制成成品。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述熔炼的温度为1150～1250℃，在熔炼前，将镍、锡、铁、铝、稀土先制成铜系中间合金锭，与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述浇铸成的铜铸锭ф200mm，挤压成的铜棒ф60mm。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述退火温度为300℃～400℃。