CN104294080A - 耐磨铜合金配方及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨铜合金及其制备方法，其成分按重量百分比为：铝6-11、锰3-8、硅1-4、其他元素0.1-2.0、余量为铜和不可避免的杂质。本发明将锰硅金属化合物分散揉进高强度铝青铜结晶体中，使材料同时具有高强度和良好的抗烧结性能，且具有耐腐蚀，疲劳强度高，寿命长的特点，并且是100％可回收利用，不含任何有害物质的环保型材料。

Description

耐磨铜合金配方及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，特别涉及一种耐磨铜合金配方及其制备方法。

背景技术

磨损是机械材料失效的三种主要形式之一，我国机械设备每年因磨损造成的损失高达上千亿元。现有工业机械中对于承受较大摩擦载荷的零件，一般采用铜及铜合金作为耐磨对偶材料，存在的问题是铜合金减磨性能优良，但耐磨性能有限，尤其在工程机械中使用的零件往往要承受高载荷，往复长周期运转，传统的作为滑动摩擦材料的铜合金一般分为两大类，一类是铅青铜系列，锡青铜系列，磷青铜系列，这些材料抗烧结性能良好但强度较低耐磨性能差。另一类是铝青铜系列和高力黄铜系列强度较好，但在抗烧结性能方面存在问题。

中国公告号为CN102433463A专利，其公开一种PQT铜合金及其制造方法，其在含Pb13％-15％的铜合金中又加入了0.6-1％的RE，采用极其复杂的熔炼方法，制备了耐磨性能较好的摩擦副材料，但制造成本高昂，而且会产生铅污染。

中国公告号为CN103146949A专利，其公开一种环保型汽车轴瓦材料，使用Ag替代Pb，虽然实现了轴瓦材料的无铅化，但材料成本昂贵，不宜推广使用。

同时国内许多高校都在耐磨铜合金材料研发及改进方面做了大量研究，但许多研究成果由于生产制造成本过高，还只停留在实验室阶段，难以工业化推广，而随着各种建筑机械，产业机械的对滑动摩擦零部件的高压、高速、连续运行性能要求的不断提高，现有的铜合金材料已不能满足目前市场的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨铜合金配方及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了第一技术方案：一种耐磨铜合金的配方，其成分按重量百分比为：铝6-11、锰3-8、硅1-4、其他元素0.1-2.0、余量为铜和不可避免的杂质。

其中所述其他元素为镍、或钴、或镍和钴的组合物，其他元素优选为镍和钴的组合物。

为实现上述发明目的，本发明采用了第二技术方案：一种耐磨铜合金的制备方法，其包括：先加入铜和其他元素，升温到1200℃熔炼，完全熔化后，再加入铝、锰、硅，等熔化后，进行成分分析；再在成分调整到目标成分后，溶液温度调整到1150℃，出炉倒入铜水包，再将铜水包搬运至卧式连续铸造保温炉前，将溶液注入保温炉，进行连续铸造，其中铝锭60～110kg，电解锰30～80kg，电解硅10～40kg及其它元素(镍或钴1～20kg)的重量配比，剩余为电解铜板的重量。

其使用设备为1000kg中频电炉和卧式铜合金连续铸造生产线。

所述锰为电解锰，硅为电解硅，铜为电解铜铜板。

本发明的铜合金中添加铝通过固溶强化使其强度和硬度提高，并且可以提升合金的流动性，有利于合金的铸造生产，同时铝可以在材料表面形成致密的三氧化二铝薄膜，可以有效的提高材料耐大气腐蚀性能。但是过高的铝含量会使材料脆性增加不利于后续应用并且过高的铝含量会在铸造过程中造成铸造应力过大，导致铸锭出现中心裂纹，因此铝含量的重量百分比控制在6％～11.0％为宜，优选地铝含量高于锰含量。

锰能大量固溶于铜，起固溶强化作用，在一定的组分范围内，使合金具有良好的冷、热加工性能和较高的屈服点温度，提高合金的热稳定性。锰含量的重量百分比控制在3％～8％，过低形成的锰硅化合物过少，不利于材料的抗烧结和耐磨，过高则会形成过多的锰硅化合物，导致材料的摩擦系数升高且造成与其配对的摩擦副材料过快磨损，优选地锰含量高于硅含量。

硅作为主要合金元素，其与锰、镍等均能形成硬质点化合物，提高材料的耐磨损性能并降低配对摩擦副之间的摩擦系数。硅有利于合金的切削加工，硅含量过低不利于发挥其效果，过高则会导致增加合金的应力开裂倾向且造成合金脆性增大，因此硅含量的重量百分比控制在1％～4.0％，优选地硅含量要高于钴含量或镍含量。

钴的作用主要是通过固溶强化起到提高合金基体硬度，增强合金的机械性能，钴含量过高，在合金铸造温度下不能完全固溶，形成钴的单质点，影响合金的塑形，导致材料的熔点升高，增加铸造工艺难度，并且提高材料的成本(钴的价格昂贵)，过低则强化效果不明显。

镍的主要作用与硅同时加入形成镍硅耐磨质点，提高材料的耐磨损性能，同时镍能对耐磨质点起到保护作用，防止耐磨质点在摩擦过程中大量脱落的现象，但过高的镍含量会导致材料的机械性能下降，导致材料的熔点升高，增加铸造工艺难度，并且提高材料的成本(镍的价格较贵)，因此镍和钴含量的重量百分比控制在0.1％～2.0％为宜。

本发明将锰硅金属化合物分散揉进高强度铝青铜结晶体中，使材料同时具有高强度和良好的抗烧结性能，且具有耐腐蚀，疲劳强度高，寿命长的特点。并且是100％可回收利用，不含任何有害物质的环保型材料，使用条件范围广，可以直接使用铸造材料，也可以通过不同的热处理工序调节材料的硬度和金相组织来适应不同使用条件。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明在旋转弯曲疲劳试验中常温下的疲劳强度示意图；

图2为本发明的金像组织示意图；

图3为本发明在摩擦试验中所获得的数据图；

图4为本发明与两种对比材料在抗气蚀实验中的结果比较图。

具体实施方式

以下结合数个较佳实施例对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

实施例一：

一种高强度抗烧结高耐磨铜合金，其成分按重量百分比为：Cu 82.8％、Al 8.9％、Mn 5.2％、Si 1.5％、Ni 1.1％、Co 0.5％。

制备方法：先加入电解铜铜板828kg，镍11kg，钴5kg，升温到1200℃熔炼，完全熔化后，加入铝锭89kg，锰52kg，硅15kg，再次熔化后，进行成分分析；

然后将成分调整到目标成分后，溶液温度调整到1150℃，出炉倒入铜水包，再将铜水包搬运至卧式连续铸造保温炉前，将溶液注入保温炉，进行连续铸造。

实施例二：

一种高强度抗烧结高耐磨铜合金，其成分按重量百分比为：Cu 84.5％、Al 9.0％、Mn 3.7％、Si 1.2％、Ni 0.6％、Co 1.0％。

制备方法：先加入电解铜铜板845kg、镍6kg、钴10kg，升温到1200℃熔炼，完全熔化后，加入铝锭90kg、锰37kg、硅12kg，再次熔化后，进行成分分析；

然后将成分调整到目标成分后，溶液温度调整到1150℃，出炉倒入铜水包，再将铜水包搬运至卧式连续铸造保温炉前，将溶液注入保温炉，进行连续铸造。

将上述两实施例中获得的铜合金进行机械性能测试，获得数据如表一：

表一

将上述两实施例中获得的铜合金进行符合JIS标准的耐烧结(F值)测试与耐磨损测试，获得数据如表二：

表二

其中CAC303为符合JIS标准高力黄铜系列的对比材料，CAC702为符合JIS标准铝青铜系列的对比材料。

将本发明的铜合金进行符合JIS标准的摩擦实验，获得图3的数据，明显优于CAC303和CAC702两对比材料。

将上述三种材料放置到符合JIS标准的抗气蚀试验中，试验装置包括磁力振子、信号发生器、仪表、导管、试样、试样台、液体槽、循环泵、流量计。试验方法：(1)实验前测量试样重量；(2)试验进行4小时；(3)测量试验后试样重量；(3)继续进行16小时；(4)试验结束并测量试样重量。

由此获得三种材料的实验数据，如表三：

表三

同时在试验20小时后测量试样表面粗糙度并获得相应的数据，如图4所示，经过数据对比，本发明的铜合金的抗气蚀性能明显优于CAC303和CAC702两材料的抗气蚀性能。

综上所述，本发明将锰硅金属化合物分散揉进高强度铝青铜结晶体中，使材料同时具有高强度和良好的抗烧结性能，且具有耐腐蚀，疲劳强度高，寿命长的特点，并且是100％可回收利用，不含任何有害物质的环保型材料，使用条件范围广。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种耐磨铜合金的配方，其成分按重量百分比为：铝6-11、锰3-8、硅1-4、其他元素0.1-2.0、余量为铜和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的一种耐磨铜合金的配方，其特征在于：所述其他元素为镍、或钴、或镍和钴的组合物。

3.一种如权利要求1或2所述的耐磨铜合金的制备方法，其特征在于其包括：

先加入铜和其他元素，升温到1200℃熔炼，完全熔化后，再加入铝、锰、硅，等熔化后，进行成分分析；

再在成分调整到目标成分后，溶液温度调整到1150℃，出炉倒入铜水包，再将铜水包搬运至卧式连续铸造保温炉前，将溶液注入保温炉，进行连续铸造。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：其使用设备为1000kg中频电炉和卧式铜合金连续铸造生产线。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述锰为电解锰，硅为电解硅，铜为电解铜铜板。