CN105200263A - 一种新型无Pb锡青铜合金及采用该合金制造管材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无Pb锡青铜合金，其特征在于，由以下组成：4-6质量％的Zn、4-6质量％的Sn、1-2.2质量％的Bi、1-2质量％的Fe、0.1-0.5质量％的Mn、0.5-1.5质量％的Si、0.02-0.1质量％的稀土，余量为Cu及不可避免的杂质。本发明还提供了一种采用所述无Pb锡青铜合金制备管材的方法，以及由此制得的管材。该锡青铜合金避免了对人体有毒的Pb元素的使用，同时力学性能得到了一定程度上的提升，完全可以取代传统的含Pb元素的锡青铜合金材料应用于弹性元件和耐磨零件的制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型无Pb锡青铜合金及采用该合金制造管材的方法。
背景技术
锡青铜以Sn为主要合金元素的青铜，含锡量一般为3～14质量％，其具有较高的力学性能、耐磨性能和耐蚀性，易切削加工，钎焊和焊接性能好，收缩系数小，无磁性等优点，广泛用于弹性元件和耐磨零件的制造。
现有的锡青铜材料为了实现改善切屑性能往往会添加Pb元素，但Pb及含Pb化合物对人体有毒，摄取后主要贮存在骨骼内，部分取代磷酸钙中的Ca，不易排出。中毒较深时引起神经系统损害，严重时会引起铅毒性脑病。因此，随着环保意识的明显提高，国内外市场日益要求开发新型不含铅元素的青铜合金。
另外，稀土元素被称为合金的“维生素”，通过向合金中加入不同种类的适量合金元素，能够显著提高合金的性能，特别是取得某些方面，例如声光电磁等方面的特殊性能，因此广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。但目前采用稀土元素来改善青铜合金的力学性能的报道鲜见。
发明内容
本发明的发明人鉴于上述问题，提出了采用Si元素代替Pb元素，通过Si﹑Sn﹑Zn﹑Bi、Fe、Mn、Cu之间的配比，并添加稀土元素来得到力学性能方面足以取代传统的含Pb元素的锡青铜的新型青铜合金。同时，还提出通过该新型青铜合金制备管材的方法。
具体地，通过以下技术方案实现了本发明：
根据本发明的一个实施方式，提供了一种无Pb锡青铜合金，其由以下组成：4-6质量％的Zn、4-6质量％的Sn、1-2.2质量％的Bi、1-2质量％的Fe、0.1-0.5质量％的Mn、0.5-1.5质量％的Si、0.02-0.1质量％的稀土，余量为Cu及不可避免的杂质。
根据本发明的一个实施例，提供了一种无Pb锡青铜合金，所述Zn含量为5质量％。
根据本发明的一个实施例，提供了一种无Pb锡青铜合金，所述Sn含量为5质量％。
根据本发明的一个实施例，提供了一种无Pb锡青铜合金，所述稀土中La含量超过20质量％。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于制备以上所述的锡青铜管材的方法，其包括以下步骤：
步骤一：称量电解铜﹑Sn﹑Zn﹑Si，并将其置于工频电炉内，加热至1250-1300℃使所述元素完全熔化后在1200℃下进行保温；
步骤二：将Bi、Fe、Mn进行粉末化处理，并将所得粉末与稀土元素均匀混合，将混合所得粉末添加到步骤一所得的熔体中；
步骤三：将完全熔化的合金熔体充分搅拌后，在其上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉；
步骤四：保温时间1.2-1.5小时后，对炉内样品进行成分检验，以确定其合金成分在规定范围之内，若出现成分偏差，则对成分进行相应地调整并再次检测，直至成分含量符合要求；
步骤五：在成分确定符合要求之后，进一步保温40-60分钟后，再次升温至1300℃，并开启工频电炉的振动装置，以1次/秒的振动频率进行振动，采用水平连铸方法铸制成空心合金管材；
步骤六：用箱式退火炉对铜管进行挤压前退火，退火温度为200-300℃，时间为20-30分钟；
步骤七：采用光锭机对退火后的毛坯青铜管材进行表面加工，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为100-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度V＝8mm/s；经过多次挤压后得到青铜管材；
步骤八：将挤压而成的青铜合金管材采用超声波探伤仪进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉；
步骤九：用高精度车床对探伤完成后经检验合格的合金管进行表面车削，得到青铜合金管材成品。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于制备以上所述的锡青铜管材的方法，进一步，所述步骤三中石墨粉厚度为约11-13cm。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于制备以上所述的锡青铜管材的方法，进一步，在所述步骤三中进行搅拌的工具为特制的石墨工具。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种无Pb锡青铜合金管材，其采用本发明的合金，并由本发明的方法制备而成。
发明效果
本发明通过以上技术方案，提供了一种以Si元素代替锡青铜中的Pb元素并添加有稀土元素的青铜合金，与传统的含Pb元素的锡青铜相比，力学性能不能没有下降，而且甚至得到了一定程度上的提升，完全可以取代传统的含Pb元素的锡青铜合金材料，同时本发明还提供了一种采用该新型青铜合金制备该管材的方法，以及由此得到锡青铜管材以代替现有的含Pb元素的锡青铜管材。
附图说明
图1表示本发明中制备锡青铜管材的工艺流程图。
具体实施方式
具体地，本发明通过以下步骤制取青铜合金：
步骤一：按照表1所示的配比称量电解铜﹑Sn﹑Zn﹑Si，并将其置于工频电炉内，加热至1250-1300℃使所述元素完全熔化后在1200℃下进行保温；
步骤二：采用现有粉末处理技术将铋、铁、锰粉末化处理，并按照表1所示的比例将述元素的粉末与稀土元素均匀混合，将混合完成粉末添加到步骤一所得的熔体中；
步骤三：用石墨搅拌棒将完全熔化的合金熔体充分搅拌后，在其上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化并保温，所述石墨粉厚度约为11-13cm；
步骤四：保温时间1.2-1.5小时后，采用德国进口斯派克直读光谱仪对从炉内取出的样品进行3～5次成分检验，以确定其合金成分在规定范围之内，若出现成分偏差，则对成分进行相应地调整并再次检测，直至确定成分含量符合要求。
步骤五：在成分确定符合要求之后，进一步保温40-60分钟后，再次升温至1300℃，并开启工频电炉的振动装置，以1次/秒的振动频率进行振动，采用水平连铸方法铸制成外径为￠210mm，内径为￠170mm，长度为500mm的空心合金管材。
步骤六：用箱式退火炉对铜管进行挤压前退火，退火温度为200-300℃，时间为20-30分钟，该退火处理的目的是消除铸造应力以便于挤压。
步骤七：采用光锭机对退火后的毛坯青铜管材进行表面加工，加工为表面光洁直径￠205mm，内径为￠175mm，长度500mm的青铜管材；采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为100-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度V＝8mm/s；经过多次挤压后得到青铜管材，其尺寸为外径￠190mm，公差+/-1mm；内径￠175mm，公差+/-1mm。
步骤八：将挤压而成的青铜合金管材采用超声波探伤仪进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉；
步骤九：用高精度车床对探伤完成后确定合格的合金管进行表面车削，使其成为直径￠185mm公差为+/-0.1mm；内径为￠177mm，公差为+/-0.1mm；切割为长度200mm，然后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
表1：本发明比较例和实施例的合金成分
在按照以上成分制得青铜合金管材之后，对所得管材的中部取样，经德国布鲁克公司产型号为S2PUMA的XRF(X射线荧光光谱分析)检验确保其成分含量在误差范围内符合表1所设计的成分要求之后，对其采用电火花切割的方式进行取样，得到拉伸试样，并采用砂纸磨去电火花切割影响层，并进一步分别采用400目、600目、800目、1200目、2000目砂纸打磨之后进行抛光处理。之后，采用WDW-500E/600E微机控制电子万能试验机以3mm/min的拉伸速度对上述合金分别测拉伸强度与拉伸率。
另外，对上述合金分别采用型号为MC010-HBS-3000的布氏硬度计测量布氏硬度。测量过程中采用的压入材料为直径10mm的淬硬钢球，施加载荷为3000kg力，每个试样在5个不同位置测量后取平均值。
所得力学性能具体结果如下表2所示：
表2：本发明的实施例和比较例的合金力学性能
由表2可知，本发明以Si元素代替锡青铜中的Pb元素并添加有稀土元素的青铜合金，与传统的含Pb元素的锡青铜相比，力学性能不仅没有下降，而且甚至得到了一定程度上的提升，完全可以取代传统的含Pb元素的锡青铜合金材料。
关于以上所述的仪器及操作步骤和参数，应理解的是，其为描述性而非限定性的，可通过等价置换的方式在以上说明书及权利要求所述的范围内做出修改。即，本发明的范围应参照所附权利要求的全部范围而确定，而不是参照上面的说明而确定。总之，应理解的是本发明能够进行多种修正和变化。
产业上的实用性
本发明所提供的新型无Pb锡青铜合金合金，与传统的含Pb元素的锡青铜相比，不仅避免了对人体有毒的Pb元素的使用，同时力学性能得到了一定程度上的提升，完全可以取代传统的含Pb元素的锡青铜合金材料应用于管材、弹性元件和耐磨零件等的制造。
Claims (8)
1.一种无Pb锡青铜合金，其特征在于，由以下组分组成：4-6质量％的Zn、4-6质量％的Sn、1-2.2质量％的Bi、1-2质量％的Fe、0.1-0.5质量％的Mn、0.5-1.5质量％的Si、0.02-0.1质量％的稀土，余量为Cu及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无Pb锡青铜合金，其特征在于，所述Zn含量为5质量％。
3.根据权利要求1所述的无Pb锡青铜合金，其特征在于，所述Sn含量为5质量％。
4.根据权利要求1所述的无Pb锡青铜合金，其特征在于，所述稀土中La含量超过20质量％。
5.一种用于采用权利要求1至4的任一项所述的锡青铜制备管材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：按照权利要求1至4的任一项所述的配比称量电解铜﹑Sn﹑Zn﹑Si，并将其置于工频电炉内，加热至1250-1300℃使所述元素完全熔化并在1200℃下进行保温；
步骤二：将Bi、Fe、Mn进行粉末化处理，并将所得粉末按照权利要求1至4的任一项所述的配比与稀土元素均匀混合，将混合所得粉末添加到步骤一所得的熔体中；
步骤三：将完全熔化的合金熔体充分搅拌后，在其上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉；
步骤四：保温时间1.2-1.5小时后，对炉内样品进行成分检验，以确定其合金成分在规定范围之内，若出现成分偏差，则对成分进行相应地调整并再次检测；
步骤五：在成分确定符合要求之后，进一步保温40-60分钟后，再次升温至1300℃，并开启工频电炉的振动装置，以1次/秒的振动频率进行振动，采用水平连铸方法铸制成空心合金管材；
步骤六：用箱式退火炉对铜管进行挤压前退火，退火温度为200-300℃，时间为20-30分钟；
步骤七：采用光锭机对退火后的毛坯青铜管材进行表面加工，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为100-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度V＝8mm/s；经过多次挤压后得到青铜管材；
步骤八：将挤压而成的青铜合金管材采用超声波探伤仪进行裂痕及气孔探伤，挑出不合格产品进行回炉；
步骤九：用高精度车床对探伤完成后确认合格的合金管进行表面车削，得到青铜合金管材成品。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤三中所述石墨粉厚度为11-13cm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤三中用于进行所述搅拌的工具为石墨工具。
8.一种无Pb锡青铜合金管材，其特征在于，采用如权利要求1至4的任一项所述的合金，由如权利要求5～7的任一项所述的方法制备而成。
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