CN104911392A - 一种铜合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及稀土铜合金成分技术领域。一种铜合金材料，由以下以重量百分比合金元素组成 ：铝：6~11.5%，镍：1.5~5.5%，铁：1.0~4.8%，锰：1.4~5.3%，稀土：Re0.5~2.7%，余量为铜。发明通过使用稀土、铝、锰、镍、铁等元素结合，合理优化成分配比，使得铜合金具有更高抗压强度，硬度、韧性、耐腐蚀和耐磨性能，良好的力学性能和工艺压铸和焊接性能。

Description

一种铜合金材料

技术领域

本发明涉及稀土铜合金成分技术领域，特别是一种制糖行业、水泥行业、造纸行等大型轴承铜合金材料。

背景技术

铝青铜含铝量一般不超过12％，有时还加入适量的铁、镍、锰和稀土等元素以进一步改善性铝青铜可热处理强化，其强度比锡青铜高，抗高温氧化性也较好。铝青铜有较高的强度、良好的耐磨性，常用于强度比较高的螺杆、螺帽、铜套、密封环等和耐磨的零部件。目前的滑动轴承的轴瓦大多采用锡青铜合金材料，特别是铝青铜材料。

在甘蔗压榨机辊轴需要滑动轴承支撑，这里滑动轴承上的轴瓦为铜轴瓦。甘蔗压榨机在压榨过程中会压榨出大量甘蔗汁液和甘蔗纤维残渣，同时由于压榨需要，甘蔗压榨机辊轴工作扭矩十分大。这样支撑辊轴的轴瓦受到的力也非常大，同时压榨过程中蔗汁会对甘蔗压榨机的润滑系统造成影响，增加摩擦。通常甘蔗压榨机中辊轴的轴瓦都是磨损严重，磨损量大，更换频繁，也直接影响到辊轴的使用寿命。

这里，以压榨100万吨甘蔗为例，压榨辊轴铜轴瓦磨损量每个榨季平均需更换8-12块，占总量25-40％；每个轴瓦磨损量达5mm以上时，需要修复或者更换。以甘蔗压榨机轴颈直径350mm计算，每个榨季平均损耗300kg铜，这样的损耗大量贵金属铜，给国家、企业造成了重大的经济损失。因此，对轴瓦的铜合金材料，特别是对工作在于恶劣条件下的轴瓦铜合金材料的改进意义十分重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种特殊稀土铝青铜合金材料，提高轴承材料的承载的抗压强度，提高耐磨牲，提高传热散热牲，提高抗腐蚀性，满足轴承在恶劣环境下的使用要求。

本发明的技术方案：一种稀土铝青铜合金，由以下以重量百分比计的原料组成：铝：6～11.5％，镍：1.5～5.5％，铁：1.0～4.8％，锰：1.4～5.3％，稀土：Re0.5～2.7％，余量为铜。

优选的，由以下以重量百分比计的原料制成，铝：6～9.4％，镍：1.5～3.4％，铁：1.0～3.4％，锰：1.4～3.5％，稀土：Re0.5～1.6％，余量为铜，所有原料重量百分比总计100％。

优选的，由以下以重量百分比计的原料制成，铝：9.5～11.5％，镍：3.5～5.5％，铁：3.5～4.8％，锰：3.6～5.3％，稀土：Re1.7～2.7％，余量为铜，所有原料重量百分比总计100％。

这里应该了解的是：

铝通过适当提高Al的含量，进行多元合金化，可使铝青铜的耐摩性能得到提高，与普通铝青铜相比，高铝青铜Cu₁₄AlX的承载能力更大并且随着含铝量的增加，合金组织中β相(黑色)明显增多，α相(白色)逐渐减少，合金的基体强度相应地得到提高。

镍能够改善铝青铜的缓冷脆性，通过镍改变α与(α+γ₂)相的比例关系，使相的溶解向高铝侧移动，扩大α相区，以防缓冷脆性。

铁在铜中的固溶度较小，只有在高温下才有一定的固溶度，会随着温度的下降而析出。适量铁的加入有利于晶粒细化，并和铝、镍生成金属化合物而析出，而且Fe和Ni有改善合金力学性能和耐蚀性能的作用。在普通铝青铜中添加足够量的铁或镍，不仅可以抑制γ₂相的形成和结网，而且能起到细化晶粒的作用。当铁含量达到2％时，可以防止在截面直径小于75mm的铸件内形成γ₂相网状结构。然而铁含量过多，会降低腐蚀电位，从而影响腐蚀性能。由于Fe能细化晶粒，所以强度、塑性均好，故在高锰铝青铜中，Fe和Ni应按比例加入，并考虑Mn的含量，分别控制Fe在1％～4.8％，Ni在1.5～5.5％范围，对改善合金性能有利。

锰能提高合金中固溶体中原子的激活能，降低溶质原子扩散系数和固溶体的分解速度。当固溶体分解时，析出相T(Al₂₀Cu₂Mn₃)的形成和长大过程也非常缓慢，所以合金在一定高温下常时间受热时性能也很稳定。

稀土与氧的亲和力很强，稀土氧化物具有良好的热稳定性，使得脱氧产物固相浮于铜液表面进入渣相而被除去。稀土在铜合金能起脱气除杂、改变显微结构、改善机械加工性能、提高耐腐蚀和耐磨性能的作用。

现有轴瓦的铜合金材料是ZCuSn10P1高锡高磷含量的铜-锡-磷三元系铸造锡青铜，具有一定的强度、硬度、耐磨和耐腐蚀性能，但是面对压榨辊轴铜轴瓦的恶劣生产环境中，通常出现磨损快、更换频繁等情况，已经不能满足企业高效生产、节能生产的需求。本发明是根据轴瓦的工作性质配置，其相关特性的更多的是满足轴瓦或与轴瓦相类似部件的工作需要和生产制造，在成分组成和配比上与现有铜合金材料相比减少了成分组成，并通过稀土元素调和铜合金，使其具备更好的强度、硬度、耐磨和耐腐蚀，满足压榨辊轴铜轴瓦的恶劣生产环境是需要。

本发明的有益效果是：

本发明通过使用稀土、锰、锰和镍等元素结合，合理优化成分配比，使得铜合金具有较高硬度、韧性、耐腐蚀和耐磨性能，良好的力学性能和工艺性。本发明适合铜轴瓦制作，满足甘蔗压榨机工作等工作环境恶劣，需要耐腐蚀和耐磨性能等性能。

具体实施方式

本发明公开了一种铜合金，由以下以重量百分比计的原料制成：铝：6～11.5％，镍：1.5～5.5％，铁：1.0～4.8％，锰：1.4-5.3％，稀土：Re0.5～2.7％，余量为铜。

所述稀土Re包括铈Ce、镧La、钇Y等稀土元素或含有Ce、La、Y等稀土元素中的一种或多种混合稀土。

本发明的重点在于提供一种符合甘蔗压榨机上辊轴轴瓦所需的铜合金材料，解决甘蔗压榨机上辊轴轴瓦面临的受力大、摩擦损耗严重及受糖水浸泡腐蚀等问题，显著改善轴瓦的工作寿命，减少企业支出，提高企业经济效益。

以下将结合实施例对本发明进行说明。

上表中，各数值的单位为百分比(％)。

本发明下料顺序原则上是先多后少，以铜为主，先为电解铜；先高后低，熔点高的先加，熔点低的后加；先难后易，难氧化元素先加，易氧化的后加。在此原则上重新调整，具体分为以下二点：1、充分利用融化过程的溶解作用，有回炉料的尽量先加回炉料；2、充分利用合金元素与合金液的密度差异，高密度低熔点的合金元素可以最后加入，加入后稍加搅拌即可达到成份均匀。高熔点高密度高氧化性的合金元素，最好能够直接加入到低密度。同时，本发明生产制造过程中可能存在不可避免的杂质，但这些杂质是在可控范围内的，不影响本发明的性能特性。

通过试验，实施例1-6的铜合金材料的性能数据见下表。

其中，

热导率，W/m℃，93℃；

腐蚀性，mm/年，10％硫酸中；

硬度HB，/mm²(N/mm²)；

断后伸长率，％；

抗拉强度，MPa；

摩擦系数，上标①表示有润滑剂，上标②表示无润滑剂；

厚度，mm。

现有普通轴瓦铜合金采用的是牌号为ZCuSn10Pb1的锡青铜合金材料，相关参数来自《工程材料实用手册》。

将上述实施例1-6的铜合金材料分别制成铜板，铜板厚度15-30mm。所述铜板通过切割-冲压制成若干个轴瓦备用，轴瓦安装在匹配的轴承基座上制得滑动轴承。上表中，公开了铜合金材料的物理性能、化学性能和力学性能，不难看出本发明铜合金材料在应用在糖厂压榨机的轴瓦上，耐磨性高、耐腐蚀性高、强度满足要求，较现有普通铜合金材料具有更优越的性能。

现将实施例1-6制得滑动轴承安装在统一规格糖厂压榨机上，进行实际实验，实验时间为一个榨季(糖厂生产周期)。实际中，一台压榨机可以安装两个滑动轴承进行试验，这样加快试验速度。为实现对比，设立一个对比组，具体为现有同一压榨机上未采用本发明材料的滑动轴承。

上表试验中，所有工作强度和采用的润滑油均相同。轴瓦更换依照轴瓦磨损损耗厚度达10mm时，即进行更换。

由上表试验中可以明显看出，采用本本发明材料制作的轴瓦相同条件下，使用寿命更加高，这不难看出其耐磨性更高、耐腐蚀性更好、力学性能出色。本发明相较现有技术具有更加出色的性能，可以满足压榨机恶劣工作环境需要，企业每个榨季可以节约8-10万元，为整个制糖业提供了降低生产成本、提供经济效益的方法。

Claims (3)

1.一种铜合金材料，其特征在于，由以下以重量百分比计的原料制成：

铝：6～11.5％，

镍：1.5～5.5％，

铁：1.0～4.8％，

锰：1.4～5.3％，

稀土：Re0.5～2.7％，

余量为铜，所有原料重量百分比总计100％。

2.根据权利要求1所述的一种铜合金材料，其特征在于：由以下以重量百分比计的原料制成，

铝：6～9.4％，

镍：1.5～3.4％，

铁：1.0～3.4％，

锰：1.4～3.5％，

稀土：Re0.5～1.6％，

余量为铜，所有原料重量百分比总计100％。

3.根据权利要求1所述的一种铜合金材料，其特征在于：由以下以重量百分比计的原料制成，

铝：9.5～11.5％，

镍：3.5～5.5％，

铁：3.5～4.8％，

锰：3.6～5.3％，

稀土：Re1.7～2.7％，

余量为铜，所有原料重量百分比总计100％。