CN105256171A - 一种铜镍锡合金棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜镍锡合金棒材，包含以下成分及质量百分比：镍14~16%，锡7~9%，钇0.05~0.3%，铝0.8~1.0%，铌0.2~1.0%，余量为铜和其他杂质。本发明还公开了一种铜镍锡合金棒材的制备方法：采用气雾化法按照上述成分及质量百分比制备合金粉末，然后经冷等静压成型、真空烧结和锭坯包套的方法制备合金锭坯，再用水封热挤压、冷旋锻及时效处理等工艺获得优质的铜镍锡合金棒材。本发明可避免铜镍锡合金在铸造过程中产生的成分偏析等问题，且成材率高，并可同时具有高强度和高韧性以及优良的耐磨耐蚀性能，综合性能优于铍青铜。本发明铜镍锡合金棒材可广泛应用于制造航天航空、石油钻井平台等高负载、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦及其它耐磨部件。

Description

一种铜镍锡合金棒材及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工领域，具体涉及一种铜镍锡合金棒材及其制备方法。

背景技术

铜镍锡合金（如Cu-15Ni-8Sn和Cu-9Ni-6Sn）是一种既具有高强度又具有优良耐磨和耐蚀性能的高端铜合金材料，特别是Cu-15Ni-8Sn合金的强度最高可达1100MPa以上，与高强钢和铍铜相当，在海水或酸性、油气环境下的耐蚀性能以及高负载条件下的耐磨性能均优于铍铜、铝青铜。

Cu-Ni-Sn合金属于时效调幅分解（Spinodal）强化形铜合金，通过固溶处理使Ni、Sn固溶到Cu的α相中，获得不稳定的过饱和固溶体，经时效处理的调幅分解后在整个晶粒范围内形成呈周期性交替分布的共格亚稳态两相组织，这一成分不同的两相保持共格而产生的弹性应变场能强烈阻止位错移动，从而产生强化效果，使合金的强度和硬度等大幅度提高。

由于合金元素Sn的含量高，采用熔铸方法制备Cu-15Ni-8Sn合金铸锭时，极易在三个阶段出现Sn的成分偏析：（1）随着合金液的温度下降其内部成分平衡移动时生成富锡相；（2）合金液凝固过程中在树枝晶间生成富锡相；（3）合金凝固后的冷却过程中由于溶解度变化而析出的富锡相。

近年来，国内多所大学和研究机构采用（真空）熔炼铸造加变形热处理工艺制备Cu-15Ni-8Sn合金，研究了添加其它金属元素（如Al、Fe、Mn、Si、Zr等）、熔炼铸造工艺条件、热冷变形、时效工艺条件对合金微观组织结构、力学性能、耐磨耐蚀等性能的影响及其机制，但仍然没有解决铸锭存在严重的Sn偏析现象，而且合金在时效过程中易析出不连续沉淀，严重影响合金棒材产品的成材率和综合性能，以至于国内还没有实现铜镍锡合金的产业化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，解决或避免熔炼铸造方法生产铸锭时严重的Sn偏析问题以及合金时效过程中析出不连续沉淀导致力学性能明显不足的问题，提供一种铜镍锡合金棒材及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种铜镍锡合金棒材，所述铜镍锡合金棒材包含以下质量百分比的成分：镍14~16%，锡7~9%，钇0.05~0.3%，铝0.8~1.0%，铌0.2~1.0%，余量为铜和其他杂质。

基于一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述铜镍锡合金棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备合金粉末：按上述的质量配比将原材料采用气雾化法制备得到合金粉末，并将合金粉末装袋密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末原料装入模具后密封，采用冷等静压进行压制成型，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空、升温、保温烧结，得到烧结锭坯；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯去除表面氧化皮后用紫铜板进行包封，得到合金锭坯；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至热挤压温度后保温（使锭坯内外温度均匀），然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，得到棒材；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的棒材进行冷旋锻处理；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，得到铜镍锡合金棒材。

上述的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，合金粉末的氧含量小于300ppm，粒度为-100目。

优选的，所述步骤（2）中，保压成型的压力为200~300MPa，时间为5~20min，模具为乳胶模具。

优选的，所述步骤（3）中，真空度低于0.1Pa时开始升温，升温速率为3~10℃/min；烧结温度为800~900℃；保温时间为0.5~3h，真空度范围为0.1~0.001Pa。

优选的，所述步骤（3）后得到的烧结锭坯的致密度为85~95%，直径为100~300mm，高径比值为1.5~2.0。

优选的，所述步骤（4）中，紫铜板的厚度为1~2mm，采用的包封方法为氩弧焊接。

优选的，所述步骤（5）中，热挤压温度为800~850℃；保温时间为4~8h；热挤压的挤压比值为9~16，挤压速度为2~5cm/s。

优选的，所述步骤（6）中，冷旋锻处理分2道次以上进行，其中单道次变形量为8~14%，总变形量为20~60%。

优选的，所述步骤（7）中，时效温度为300~450℃，时效时间为15~300min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明中加入了少量稀土钇和铌等元素；稀土钇在本合金中可以细化晶粒、净化晶界从而起到提高强度、抑制时效过程不连续沉淀的作用，而铌元素因自身延伸性能好以及在铜镍中固溶度小而在合金晶界聚集从而起到提高合金延伸性能的作用。

2.本发明通过采用气雾化制粉和冷等静压、真空烧结的方法制备锭坯，避免了合金在铸造过程中Sn的偏析问题，成材率高，合金力学性能和耐磨耐蚀性能优异；本发明制备的合金棒材合金性能可达到：抗拉强度为1100~1300MPa，屈服强度为1000~1200MPa，延伸率为3~10%，硬度为300~400HV。

3.本发明制备的合金棒材可广泛应用于制造航天航空、石油钻井平台、重型装备等高负载、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦及其它耐磨部件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种铜镍锡合金棒材的制备方法如下：

该铜镍锡合金棒材的合金成分及质量百分比为：镍15.0%，锡8.0%，钇0.2%，铝0.8%，铌0.25%，余量为铜和其他杂质。

（1）制备合金粉末：将上述质量配比的原材料采用气雾化法制备成合金粉末（氧含量为240ppm，粒度为-100目），并将合金粉末装入塑料袋抽真空密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入乳胶模具后放在振动机上边振动边填充合金粉末，合金粉末装满后紧固密封，然后采用压力为280MPa的冷等静压进行压制成型15min，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空，当真空度低于0.1Pa时以5℃/min速度升温至850℃，保温烧结2h（真空度始终控制在0.1~0.001Pa范围内），得到烧结锭坯；烧结锭坯的致密度为90.5%，直径为140mm，高径比值为1.6；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯车加工去除表面的氧化皮，得到合金锭坯，然后以1mm厚的紫铜板采用氩弧焊接的方法对合金锭坯进行包封；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至830℃后保温4h，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，挤压比值为12，挤压速度为3cm/s，得到棒材；棒材的直径为40mm；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的合金棒材进行冷旋锻加工处理，总变形量为35.2%，分三道次旋锻，每道次旋锻后直径及变形量依次为40mm→37.5mm(12.1%)→34.8mm(24.3%)→32.2mm(35.2%)；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，时效温度为400℃，时效时间为60min，得到铜镍锡合金棒材。

对时效后的棒材进行性能测试，测试结果为：抗拉强度为1180MPa，屈服强度为1100MPa，延伸率为6.5%，硬度为368HV。

实施例2：

一种铜镍锡合金棒材的制备方法如下：

该铜镍锡合金棒材的合金成分及质量百分比为：镍15.0%，锡8.0%，钇0.3%，铝0.8%，铌0.50%，余量为铜和其他杂质。

（1）制备合金粉末：将上述质量配比的原材料采用气雾化法制备成合金粉末（氧含量为255ppm，粒度为-100目），并将合金粉末装入塑料袋抽真空密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入乳胶模具后放在振动机上边振动边填充合金粉末，合金粉末装满后紧固密封，然后采用压力为300MPa的冷等静压进行压制成型15min，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空，当真空度低于0.1Pa时以5℃/min速度升温至850℃，保温烧结2h（真空度始终控制在0.1~0.001Pa范围内），得到烧结锭坯；烧结锭坯的致密度为91.5%，直径为240mm，高径比值为1.5；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯车加工去除表面的氧化皮，得到合金锭坯，然后以1mm厚的紫铜板采用氩弧焊接的方法对合金锭坯进行包封；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至830℃后保温8h，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，挤压比值为16，挤压速度为4cm/s，得到棒材；棒材的直径为60mm；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的合金棒材进行冷旋锻加工处理，总变形量为45%，分四道次旋锻，每道次旋锻后直径及变形量依次为60mm→56.5mm(11.3%)→52.4mm(23.7%)→48.5(35.7%)→44.5mm(45%)；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，时效温度450℃，时效时间为90min，得到铜镍锡合金棒材。

对时效后的棒材进行性能测试，测试结果为：抗拉强度为1240MPa，屈服强度为1300MPa，延伸率为4.5%，硬度为390HV。

实施例3：

一种铜镍锡合金棒材的制备方法如下：

该铜镍锡合金棒材的合金成分及质量百分比为：镍15.0%，锡8.0%，钇0.3%，铝0.6%，铌0.75%，余量为铜和其他杂质。

（1）制备合金粉末：将上述质量配比的原材料采用气雾化法制备成合金粉末（氧含量为260ppm，粒度为-100目），并将合金粉末装入塑料袋抽真空密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入乳胶模具后放在振动机上边振动边填充合金粉末，合金粉末装满后紧固密封，然后采用压力为280MPa的冷等静压进行压制成型15min，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空，当真空度低于0.1Pa时以5℃/min速度升温至880℃，保温烧结2h（真空度始终控制在0.1~0.001Pa范围内）；得到烧结锭坯的致密度为92.5%，直径为140mm，高径比值为1.6；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯车加工去除表面的氧化皮，得到合金锭坯，然后以1mm厚的紫铜板采用氩弧焊接的方法对合金锭坯进行包封；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至830℃后保温4h，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，挤压比值为9，挤压速度为3cm/s，得到棒材；棒材的直径为46mm；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的合金棒材进行冷旋锻加工处理，总变形量为25.1%，分两道次旋锻，每道次旋锻后直径及变形量依次为46mm→43.2mm(11.8%)→39.8mm(25.1%)；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，时效温度400℃，时效时间为90min，得到铜镍锡合金棒材。

对时效后的棒材进行性能测试，测试结果为：抗拉强度为1110MPa，屈服强度为1050MPa，延伸率为7.2%，硬度为340HV。

对比例1：

一种铜镍锡合金棒材的制备方法如下：

该铜镍锡合金棒材的合金成分及质量百分比为：镍15.0%，锡8.0%，钇0.3%，铝0.6%，余量为铜和其他杂质。

（1）制备合金粉末：将上述质量配比的原材料采用气雾化法制备成合金粉末（氧含量为245ppm，粒度为-100目），并将合金粉末装入塑料袋抽真空密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入乳胶模具后放在振动机上边振动边填充合金粉末，合金粉末装满后紧固密封，然后采用压力为280MPa的冷等静压进行压制成型15min，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空，当真空度低于0.1Pa时以5℃/min速度升温至880℃，保温烧结2h（真空度始终控制在0.1~0.001Pa范围内），得到烧结锭坯；烧结锭坯的致密度为92.0%，直径为140mm，高径比值为1.6；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯车加工去除表面的氧化皮，得到合金锭坯，然后以1mm厚的紫铜板采用氩弧焊接的方法对合金锭坯进行包封；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至830℃后保温4h，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，挤压比值为9，挤压速度为3cm/s，得到棒材；棒材的直径为46mm；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的合金棒材进行冷旋锻加工处理，总变形量为25.1%，分两道次旋锻，每道次旋锻后直径及变形量依次为46mm→43.2mm(11.8%)→39.8mm(25.1%)；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，时效温度400℃，时效时间为90min，得到铜镍锡合金棒材。

对时效后的棒材进行性能测试，测试结果为：抗拉强度为1130MPa，屈服强度为1055MPa，延伸率为3.2%，硬度为345HV。

对比例2：

一种铜镍锡合金棒材的制备方法如下：

该铜镍锡合金棒材的合金成分及质量百分比为：镍15.0%，锡8.0%，铝0.6%，铌0.75%，余量为铜和其他杂质。

（1）制备合金粉末：将上述质量配比的原材料采用气雾化法制备成合金粉末原料（氧含量为240ppm，粒度为-100目），并将合金粉末装入塑料袋抽真空密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入乳胶模具后放在振动机上边振动边填充合金粉末，合金粉末装满后紧固密封，然后采用压力为280MPa的冷等静压进行压制成型15min，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空，当真空度低于0.1Pa时以5℃/min速度升温至880℃，保温烧结2h（真空度始终控制在0.1~0.001Pa范围内），得到烧结锭坯；烧结锭坯的致密度为92.0%，直径为140mm，高径比值为1.6；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯车加工去除表面的氧化皮，得到合金锭坯，然后以1mm厚的紫铜板采用氩弧焊接的方法对合金锭坯进行包封；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至830℃后保温4h，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，挤压比值为9，挤压速度为3cm/s，得到棒材；棒材的直径为46mm；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的合金棒材进行冷旋锻加工处理，总变形量为25.1%，分两道次旋锻，每道次旋锻后直径及变形量依次为46mm→43.2mm(11.8%)→39.8mm(25.1%)；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，时效温度400℃，时效时间为90min，得到铜镍锡合金棒材。

对时效后的棒材进行性能测试，测试结果为：抗拉强度为980MPa，屈服强度为860MPa，延伸率为6.9%，硬度为325HV。

通过对比实施例1~3和对比例1~2，可以发现，在合金中添加适量的钇和铌元素可以明显改善和提高合金的强度和延伸率。

综上，本发明的铜镍锡合金成分合理，力学性能优异；通过调整合金棒材成分和制备工艺，合金性能可达到：抗拉强度为1100~1300MPa，屈服强度为1000~1200MPa，延伸率为3~10%，硬度为300~400HV，具有十分广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种铜镍锡合金棒材，其特征在于，所述铜镍锡合金棒材包含以下质量百分比的成分：镍14~16%，锡7~9%，钇0.05~0.3%，铝0.8~1.0%，铌0.2~1.0%，余量为铜和其他杂质。

2.一种铜镍锡合金棒材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制备合金粉末：按权利要求1所述的质量配比将原材料采用气雾化法制备得到合金粉末，并将合金粉末装袋密封备用；

（2）冷等静压成型：将步骤（1）后得到的合金粉末装入模具后密封，采用冷等静压进行压制成型，得到生坯；

（3）真空烧结：将步骤（2）后得到的生坯装入真空烧结炉中进行抽真空、升温、保温烧结，得到烧结锭坯；

（4）锭坯包套：将步骤（3）后得到的烧结锭坯去除表面氧化皮后用紫铜板进行包封，得到合金锭坯；

（5）热挤压：对步骤（4）后得到的合金锭坯加热至热挤压温度后保温，然后采用水封挤压方式对合金锭坯进行热挤压，得到棒材；

（6）冷旋锻：将步骤（5）后得到的棒材进行冷旋锻处理；

（7）时效处理：将步骤（6）后得到的合金棒材进行时效处理，得到铜镍锡合金棒材。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，合金粉末的氧含量小于300ppm，粒度为-100目。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，压制成型的压力为200~300MPa，时间为5~20min；模具为乳胶模具。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，真空度低于0.1Pa时开始升温，升温速率为3~10℃/min；烧结温度为800~900℃；保温时间为0.5~3h，真空度范围为0.1~0.001Pa。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）后得到的烧结锭坯的致密度为85~95%，直径为100~300mm，高径比值为1.5~2.0。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，紫铜板的厚度为1~2mm，采用的包封方法为氩弧焊接。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，热挤压温度为800~850℃；保温时间为4~8h；热挤压的挤压比值为9~16，挤压速度为2~5cm/s。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（6）中，冷旋锻处理分2道次以上进行，其中单道次变形量为8~14%，总变形量为20~60%。

10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（7）中，时效温度为300~450℃，时效时间为15~300min。