CN104294081A - 一种高强耐热减磨铸造锡镍青铜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强耐热减磨铸造锡镍青铜及其制备方法，该锡镍青铜包含下列重量百分比的化学物质：锡11.5～12.5，镍3.5～4.5%，铈0.1-0.15%，锆0.04～0.06%，余为铜。制备该锡镍青铜的方法是：预热坩埚到樱红色，向其中加入铜、镍、锡，熔融后搅拌均匀，然后加入经两墩两拔处理的铜铈中间合金和铜锆中间合金，熔融静置后通氮气及加磷铜进行脱氧除气，控制炉温出炉浇铸。本发明的高强耐热减磨铸造锡镍青铜晶粒细小并具有较高强度特别是高温强度、摩擦系数较低、抗氧化性较好。

Description

一种高强耐热减磨铸造锡镍青铜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铜合金，尤其涉及一种强度特别是高温强度较高、抗氧化性较好、摩擦系数较低的铸造锡镍青铜，属于金属材料技术领域。 
背景技术
铸造铜合金是关键性、基础性制造业材料，广泛用于制造蜗轮、耐磨滑块、齿轮、轴套等关键机器零部件，其性能好坏直接关系到机器整机的使用寿命。随着工业技术水平的发展，机器零部件面临更加恶劣的高温、高速、高质流、重载等工作条件，同时机器设备的稳定性、可靠性和安全性要求也越来越高，因而对耐磨铜合金材料提出了能够满足苛刻服役条件的更高性能要求，如高温强度、耐磨减磨性能、抗氧化性和耐蚀性。 
由于现有铸造铜合金如锡青铜、铝青铜等，普遍存在高温力学性能差、抗高温氧化及耐蚀性差的弱点，有些铸造铜合金材料尽管比较耐磨，但摩擦系数较高，减磨能力较差，使得与对磨件摩擦时产生大量热量，加大了零件表面温度，加快了材料失效，降低了材料的使用寿命。所以现有材料已难以满足现代工业比较恶劣的工况下铸造铜合金使用性能的要求。 
近年来，国内外为提高铸造耐磨铜合金的性能进行了大量的研究，国外有日本开发的Cu-Co-Be系HZ合金，Cu-Fe-P-Sn系KT-1合金，Cu-Cr-Zr系DMC合金等。国内有河北工业大学梁金生等研制了一种用于不锈钢和08F低碳钢制品拉伸成形的新型铜基合金模具材料，北京有色金属研究总院研制了一种电站凝汽器用新型耐蚀铜合金HSn70-1AB，是一种加硼耐冲蚀铜合金，其耐腐蚀磨损性能超过了HSn70-lA,HSn70-1B。山东省冶金科学研究院新研制了一种YJ-ZQMnAI轧钢设备用耐磨青铜材料。中南工业大学研究了一种低隙石墨青铜材料，该材料是一种新型的减摩材料。 
目前,Cu-Ni-Sn系合金受到人们的广泛关注。该合金镍含量约在4%以上、锡含量在8%以下，在固溶时效后使用，由于具有高导电、高弹性性能，且生产成本低、无毒, 该合金已用于代替和部分代替铍青铜制造精密仪器、仪表的弹性元件，被认为是一种很有发展前途的高导电高弹性合金，但其高温强度及减磨性能等方面并不理想，因此从对该种合金的应用前景考虑，对其性能的进一步完善显得尤为重要。 
发明内容
本发明的目的是提供一种高强耐热减磨铸造锡镍青铜及其制备方法，该铸造锡镍青铜具有较高强度特别是高温强度、摩擦系数较低、抗氧化性较好。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 
本发明的高强耐热减磨铸造锡镍青铜，按重量百分比计，该锡镍青铜化学成分为：锡11.5～12.5，镍3.5～4.5%，铈0.1-0.15%，锆0.04～0.06%，余为铜。
本发明的制备上述高强耐热减磨铸造锡镍青铜的方法，包括以下步骤： 
1）坩锅在中频感应熔化炉中预热到樱红色；
2）依次向坩埚中加入计算量的电解铜和电解镍炉料，待铜熔化后加入计算量的锡，并用稻草灰覆盖炉口；
3）待坩埚内合金溶化后，搅拌溶化的合金，使其成分均匀；
4) 向熔融的合金中加入计算量的铜铈中间合金和铜锆中间合金，并用钟罩压入，然后静置5～10分钟；
5）对静置后的熔融合金通入经脱水净化的氮气及磷铜进行脱氧除气，通入氮气的压力0.8～1.0 Mpa、流量0.5～0.8m3/h，磷铜加入量为炉料总重量的0.10%；脱氧除气后静置5～10分钟；
6）扒去合金表面的氧化炉灰，测温并控制炉内合金温度在1150～1200℃时，出炉浇铸，即得高强耐热减磨铸造锡镍青铜。
本发明制备方法的进一步的设计在于，在步骤5中所述氮气的脱水净化是采用硅胶脱水净化。 
本发明制备方法的进一步的设计在于，在步骤5中，在所述炉料重量为400～500公斤时，氮气的通气时长不少于5分钟。 
本发明制备方法的进一步的设计在于，在步骤3中所述搅拌溶化的合金是采用搅棒搅拌。 
本发明制备方法的进一步的设计在于，步骤4中加入的铜铈中间合金为铜-15%铈中间合金，铜锆中间合金为铜-10%锆中间合金。 
本发明制备方法的进一步的设计在于，所述铜铈中间合金和铜锆中间合金加入前分别经600℃温度下的两墩两拔处理，每次墩或拔的相对变形量为90%～110%。 
铈和锆均为变质剂，加入前分别对铜-15%铈中间合金和铜-10%锆中间合金在600℃温度下，进行两墩两拔处理，其目的是使中间合金中的合金相变得细小，以便在变质处理时形成弥散分布且数量较大的非均匀形核核心，使凝固后的合金具有细小的晶粒。每次墩或拔的相对变形量为90%~110%。 
本发明具有以下突出的有益效果： 
采用本发明的成分配比和制备方法制造的高强耐热减磨铸造锡镍青铜晶粒细小并具有优异的性能，其400℃抗拉强度≥260MPa、400℃屈服强度≥142 MPa、400℃断后伸长率≥11%、平均摩擦系数≤0.125 （100N、100r/min) ，在温度为500℃、时间为10小时氧化性试验后，增重△m≤1.5mg/cm2。
将本发明用于制造高速、高负荷条件下工作的机械传动件，如高速电梯曳引机蜗轮、高速旋转轴的滑动轴承、齿轮、汽缸活塞销衬套及其内衬等，能显著地延长上述零部件的使用寿命，降低材料消耗，节约使用成本，提高机器产品质量。 
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。 
关于高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法实施例 
制备高强耐热减磨铸造锡镍青铜的方法包括以下步骤：
1）将坩锅在中频感应熔化炉中预热到樱红色；
2）依次向坩埚中加入计算量的电解铜和电解镍炉料，待铜熔化后加入计算量的锡，并用稻草灰覆盖炉口；
3）待坩埚内合金溶化后，用搅棒搅拌溶化的合金，使其成分均匀；
4)称取计算量的铜-15%铈中间合金和铜-10%锆中间合金，在600℃温度下对铜-15%铈中间合金和铜-10%锆中间合金进行两墩两拔处理，每次墩或拔的相对变形量为90%～110%，然后加入熔融的合金中，并用钟罩压入，然后静置5～10分钟；
5）对静置后的熔融合金通入经硅胶脱水净化的氮气、加入磷铜进行脱氧除气，通入氮气的压力0.8～1.0 Mpa、流量0.5～0.8m3/h，在炉料重量为400～500公斤时，氮气的通气时长不少于5分钟；磷铜加入量为炉料总重量的0.10%；脱氧除气后静置5～10分钟；
6）扒去合金表面的氧化炉灰，测温并控制炉内合金温度在1150～1200℃时，出炉浇铸，即得高强耐热减磨铸造锡镍青铜。
关于高强耐热减磨铸造锡镍青铜的实施例 
按照上述制备方法进行三次实施例制备，所得高强耐热减磨铸造锡镍青铜的成分、力学性能和制备过程中对中间合金墩拔变形量如表1。
表1  高强耐热减磨铸造锡镍青铜的成分、力学性能和制备过程中中间合金墩拔变形量 
从表1中可见，实施例1、实施例2及实施例3中锡镍青铜的400℃抗拉强度≥260MPa、400℃屈服强度≥142 MPa、400℃断后伸长率≥11%、平均摩擦系数≤0.125 （100N、100r/min) ，在温度为500℃、时间为10小时氧化性试验后，增重△m≤1.5mg/cm2；力学性能均非常优异。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种高强耐热减磨铸造锡镍青铜，其特征在于，包含下列重量百分比的化学物质：锡11.5～12.5，镍3.5～4.5%，铈0.1-0.15%，锆0.04～0.06%，余为铜。
2.如权利要求1所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
1）坩锅在中频感应熔化炉中预热到樱红色；
2）依次向坩埚中加入计算量的电解铜和电解镍炉料，待铜熔化后加入计算量的锡，并用稻草灰覆盖炉口；
3）待坩埚内合金溶化后，搅拌溶化的合金，使其成分均匀；
4) 向熔融的合金中加入计算量的铜铈中间合金和铜锆中间合金，并用钟罩压入，然后静置5～10分钟；
5）对静置后的熔融合金通入经脱水净化的氮气及磷铜进行脱氧除气，通入氮气的压力0.8～1.0 Mpa、流量0.5～0.8m3/h，磷铜加入量为炉料总重量的0.10%；脱氧除气后静置5～10分钟；
6）扒去合金表面的氧化炉灰，测温并控制炉内合金温度在1150～1200℃时，出炉浇铸，即得高强耐热减磨铸造锡镍青铜。
3.根据权利要求2所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，在步骤5中所述氮气的脱水净化是采用硅胶脱水净化。
4.根据权利要求2或3所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，在步骤5中，在所述炉料重量为400～500公斤时，氮气的通气时长不少于5分钟。
5.根据权利要求2所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，在步骤3中所述搅拌溶化的合金是采用搅棒搅拌。
6.根据权利要求2所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，步骤4中加入的铜铈中间合金为铜-15%铈中间合金，铜锆中间合金为铜-10%锆中间合金。
7.根据权利要求6所述的高强耐热减磨铸造锡镍青铜的制备方法，其特征在于，所述铜铈中间合金和铜锆中间合金加入前分别经600℃温度下的两墩两拔处理，每次墩或拔的相对变形量为90%～110%。
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