CN105256169A

CN105256169A - 一种高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法

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Publication number: CN105256169A
Application number: CN201510726277.7A
Authority: CN
Inventors: 孙飞; 赵勇; 埃里克斯·高登
Original assignee: Suzhou Lie Zhiai Alliance New Material Technology Shifts Co Ltd
Current assignee: Suzhou Lie Zhiai Alliance New Material Technology Shifts Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明涉及一种用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法，该用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2-3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂？96.5-98.8％。制备用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料经过搅拌、熔炼、铸造等步骤。本发明提供的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，利用纳米碳化硅硬度高，耐磨性好和良好的自润滑，高热传导率，低热膨胀系数及高温强度大等特点，使得铜合金ZCuSn₁₀Zn₂在保证其原有耐蚀性和可切削性能的同时提高其强度与硬度，从而延长高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在重要叶轮配件中的使用年限。

Description

一种高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基合金复合材料及其制备方法，特别是涉及一种用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料。

背景技术

国标铜合金ZCuSn₁₀Zn₂是一种较常用的锡青铜材料，它具有铸造性能、耐蚀性、耐磨性和可切削性能好，铸件致密性较高，气密性较好等一系列优点；因此主要用于制造在中等及较高载荷(15MPa)和小滑动速度(3m/s)下工作的重要管配件，以及阀门、旋塞、泵体、齿轮、叶轮和蜗轮等。由于其强度及相应的硬度较低，其在重要齿轮配件中使用年限较短(3年左右)，由此带来了较大的更换成本。为了进一步提高该材料在重要齿轮部件中的应用年限，在保证其原有耐蚀性和可切削性能的同时提高其强度与硬度是必须要攻克的一个难题。

纳米碳化硅是一种通过一定的技术条件，在普通碳化硅材料的基础上制备而出的一种纳米材料。纳米碳化硅具有纯度高，粒径小，分布均匀，比表面积大，高表面活性，松装密度低，极好的力学，热学，电学和化学性能，即具有高硬度，高耐磨性和良好的自润滑，高热传导率，低热膨胀系数及高温强度大等特点。

综上，将纳米碳化硅和铜合金ZCuSn₁₀Zn₂二者优势结合在一起的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料能够在保证铜合金ZCuSn₁₀Zn₂原有耐蚀性和可切削性能的同时提高强度与硬度，从而延长高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在重要叶轮配件中的使用年限。

发明内容

本发明的目的在于，通过改进纳米碳化硅和铜合金ZCuSn₁₀Zn₂之间体积配比以及制备条件，提供一种有效提高铜合金ZCuSn₁₀Zn₂强度和硬度的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术方案是：

一种用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2-3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂96.5-98.8％。

优选地，本发明的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂98.8％。

优选地，本发明的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅2.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂97.5％。

优选地，本发明的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂96.5％。

进一步地，所述纳米碳化硅粒径为50μm-200μm。

进一步地，所述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂由如下质量百分比的组分组成：锡锭9.0-11.0％，锌1.0-3.0％，铅锭≤1.5％，镍≤2.0％，杂质≤1.5％，其余为铜。

本发明提供一种用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：

1)制备铜合金ZCuSn₁₀Zn₂：将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90％；熔炼温度为1050-1150℃，时间为5-6h；

2)使用斯派克直读光谱仪对制备的铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体进行成分检测，以确定其化学组成在上述的范围之内；

3)将纳米碳化硅按体积百分比为1.2-3.5％放入上述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体的表面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1400-1450℃并保持20-30min；

4)将制作完成的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为25-30min；之后采用连续铸造的方式将此高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料铸造成高强度铜基合金复合棒材，铸造温度为1250-1300℃；

5)将铸造完成之后的高强度铜基合金复合棒材进行表面车加工处理，并按照出厂标准包装。

进一步地，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为1.2％。

进一步地，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为2.5％。

进一步地，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为3.5％。

采用上述技术方案，本发明的有益效果有：

1.本发明将纳米碳化硅材料通过一定的技术手段均匀分布在铜合金ZCuSn₁₀Zn₂材料中，利用纳米级碳化硅高硬度，高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，弥补了铜合金ZCuSn₁₀Zn₂材料的硬度低、强度差、使用寿命短等缺点，实现铜合金ZCuSn₁₀Zn₂材料的硬度和强度性能的进一步提升。

2.本发明所得到的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，通过改变纳米碳化硅和铜合金ZCuSn₁₀Zn₂的体积比，能有效的提高最终铜基合金复合材料的强度、硬度耐磨性以及耐腐蚀性。高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的机械性能有显著提高并且其制造的部件的载荷由15MPa提高至28MPa-30MPa，滑动速度由3m/s提高至7m/s-8m/s，其作为重要叶轮配件的使用年限由3年左右提高至5-7年。

附图说明

图1是本发明的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明提供的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料及其制备方法作进一步说明，但并非限制本发明的应用范围。

实施例1

本发明实施例1的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂98.8％，其中纳米碳化硅粒径为50μm以上，200μm以下。

本发明实施例1的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤(如图1所示)：

1)制备铜合金ZCuSn₁₀Zn₂：将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90％；熔炼温度为1050℃，时间为5h；

3)将纳米碳化硅按体积百分比为1.2％放入上述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体的表面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1400℃并保持20min；

4)将制作完成的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为25min；之后采用连续铸造的方式将此高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料铸造成高强度铜基合金复合棒材，铸造温度为1250℃；

实施例2

本发明实施例2的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅2.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂97.5％，其中纳米碳化硅粒径为50μm以上，200μm以下。

本发明实施例2的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤(如图1所示)：

1)制备铜合金ZCuSn₁₀Zn₂：将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90％；熔炼温度为1100℃，时间为5.5h；

3)将纳米碳化硅按体积百分比为2.5％放入上述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体的表面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1425℃并保持25min；

4)将制作完成的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为27min；之后采用连续铸造的方式将此高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料铸造成高强度铜基合金复合棒材，铸造温度为1270℃；

实施例3

本发明实施例3的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂96.5％，其中纳米碳化硅粒径为50μm以上，200μm以下。

本发明实施例3的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤(如图1所示)：

1)制备铜合金ZCuSn₁₀Zn₂：将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照上述的重量比例放入电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90％；熔炼温度为1150℃，时间为6h；

3)将纳米碳化硅按体积百分比为3.5％放入上述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体的表面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1450℃并保持30min；

4)将制作完成的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为30min；之后采用连续铸造的方式将此高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料铸造成高强度铜基合金复合棒材，铸造温度为1300℃；

比较例1

添加传统元素镉、硅的铜合金材料，由以下组分组成：占合金材料总重量0.2％的镉，占合金材料总重量1％的硅，占合金材料总重量98.8％的铜合金ZCuSn₁₀Zn₂。通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铜合金材料。

比较例2

添加传统元素镉、硅的铜合金材料，由以下组分组成：占合金材料总重量1.5％的镉，占合金材料总重量2％的硅，占合金材料总重量96.5％的铜合金ZCuSn₁₀Zn₂。通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铜合金材料。

本发明的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料以及上述比较例1和2的传统铜合金材料的机械性能及制造的部件能够承载的载荷、滑动速度和其作为重要齿轮配件的使用年限如表1所示。

表1

根据上述表1的数据可以看出，添加纳米碳化硅之后的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料机械性能及其制造的部件能够承载的载荷、滑动速度和其作为重要叶轮配件的使用年限得到了显著的提高。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2-3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂96.5-98.8％。

2.根据权利要求1所述的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅1.2％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂98.8％。

3.根据权利要求1所述的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅2.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂97.5％。

4.根据权利要求1所述的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，由如下体积百分比的组分组成：纳米碳化硅3.5％，铜合金ZCuSn₁₀Zn₂96.5％。

5.根据权利要求1-4中任一项的用于高载荷叶轮的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料，其特征在于，所述纳米碳化硅粒径为50μm-200μm。

6.根据权利要求1-4所述的高强度二硼化钛颗粒增强铜基复合材料，其特征在于，所述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂由如下质量百分比的组分组成：锡锭9.0-11.0％，锌1.0-3.0％，铅锭≤1.5％，镍≤2.0％，杂质≤1.5％，其余为铜。

7.一种用于高载荷叶轮的高强度铜基合金复材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：

1)制备铜合金ZCuSn₁₀Zn₂：将电解铜、锡锭、锌、铅锭、镍按照权利要求6所述的重量比例放入电炉中熔炼，熔炼中铜合金液体体积小于电炉体积的90％；熔炼温度为1050-1150℃，时间为5-6h；

2)使用斯派克直读光谱仪对制备的铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体进行成分检测，以确定其化学组成在权利要求6所述的范围之内；

3)将纳米碳化硅按体积百分比1.2-3.5％放入上述铜合金ZCuSn₁₀Zn₂液体的表面，开启工频电炉的震动装置并同时用石墨棒进行搅拌，使二者均匀混合；进一步升高电炉温度至1400-1450℃并保持20-30min；

4)将制作完成的高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料在电炉中进行保温，时间为25-30min；之后采用连续铸造的方式将此高强度纳米碳化硅增强铜基复合材料铸造成高强度铜基合金复合棒材，铸造温度为1250-1300℃：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为1.2％。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为2.5％。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述纳米碳化硅的体积百分比为3.5％。