CN105331844A - 一种锡青铜合金及利用该锡青铜合金制造管材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高Sn无Pb锡青铜合金，其由以下组分组成：15-20质量％的Sn、5-7质量％的Zn、0.8-2.3质量％的Si，余量为Cu及不可避免的杂质。该青铜合金力学性能与传统含Pb普通Sn含量的青铜合金材料相比，强度、硬度和拉伸率等力学性能得到明显改善，同时符合无Pb的环保要求。本发明还涉及一种采用该高Sn无Pb锡青铜合金来制备管材的方法及通过该方法制备的管材。
Description
技术领域
本发明涉及一种高Sn无Pb锡青铜合金、利用该锡青铜合金制造管材的方法及通过该方法制造的管材。
背景技术
锡青铜是以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。
锡青铜的凝固范围大，枝晶偏析严重；凝固时不易形成集中缩孔，体积收缩很小；铸锭中易出现Sn的逆偏析，严重时铸锭表面可见到白色斑点β相析出)，甚至出现富Sn颗粒，这种现象被称为锡汗(tinsweat)，这导致了高Sn含量锡青铜的发展受到阻碍。
发明内容
鉴于此，本发明人进行了大量研究后提出，通过将传统锡青铜中的Pb元素替换为Si元素，并提高Sn元素的含量，以一定比例配合Cu、Sn、Si﹑Zn成分，同时配合铸造方法和工艺条件的改进可减轻高Sn含量锡青铜的逆偏析，在保证锡青铜的力学性能的前提下，得到新型无Pb锡青铜合金。
具体地，本发明通过以下技术方案实现了所述发明目的：
其具体生产步骤如下：
根据本发明的一个实施方式，提供了一种高Sn无Pb锡青铜合金，其由以下组分组成：15-20质量％的Sn、5-7质量％的Zn、0.8-2.3质量％的Si，余量为Cu及不可避免的杂质。
根据本发明的一个优选实施例，提供了一种高Sn无Pb锡青铜合金，其中所述Si的含量为0.8-1.5质量％。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种采用如上所述的高Sn无Pb锡青铜合金制备管材的方法，其包括以下步骤：
步骤一：按照上述配比称量电解铜﹑Sn﹑Zn﹑Si，并将其置于电炉内，加热至1250-1300℃使其完全熔化，之后在下1200℃进行保温；
步骤二：对完全熔融的合金熔体进行充分搅拌后，在该合金熔体上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，并在1200℃下进行保温；
步骤三：保温1.2-1.5小时后，检测所述熔体成分以确定其是否符合要求，若不符合要求，调整相应的元素含量并再次检测，直至所述熔体成分符合要求；
步骤四：对确定所述熔体成分符合要求之后，并在1200℃下继续保温40-60分钟，并再次升温至1300℃之后，开启工频电炉的振动装置，采用水平连铸方法铸制备空心合金管材；
步骤五：对铜管进行挤压前退火，退火温度为150-180℃，退火时间为30-40分钟；
步骤六：采用光锭机对退火后的毛坯铜管进行表面加工后，采用2000吨双动挤压机对所述空心合金管材进行多次挤压，得到半成品空心锡青铜合金管材；
步骤七：对所述半成品空心锡青铜合金管材进行裂痕及气孔探伤，将不合格产品甄别出将其回炉；
步骤八：采用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削加工并进行切割和去毛刺处理。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤一中的电炉为工频电炉，并处于氩气氛保护下。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤二中进行上述搅拌所采用的工具为特制石墨工具。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤二中所述高纯度鳞片状石墨粉的厚度为10-12cm。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤四中所述振动装置的振动频率为1次/秒。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤五中进行所述挤压前退火采用的是箱式退火炉。
根据本发明的一个实施例，上述方法中，步骤五中进行所述探伤采用的是超声波探伤仪。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种采用如上所述的高Sn无Pb锡青铜合金材料，并通过如上所述的方法所制备的管材。
本发明通过Si、Zn、Sn和Cu元素的配合使用，并结合铸造、热处理和加工工艺，克服了Sn在锡青铜合金中容易逆偏析的缺陷，得到了一种力学性能优异的高Sn无Pb锡青铜合金，其可以替代传统的含Pb锡青铜而使用。
附图说明
图1为本发明的青铜合金管材的制备过程流程图。
具体实施方式
具体地，本发明通过以下步骤获得了如下表1所示的不同成分的青铜合金管材：
步骤一：按照下表1所示的质量配比将电解铜﹑Sn﹑Zn﹑Si置于氩气氛保护下的工频电炉内，加热至1250-1300℃使其完全熔化后在1200℃下进行保温。
步骤二：用特制石墨工具将完全熔化的合金熔体充分搅拌后，在其上面覆盖厚度约为10-12cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止其氧化并在1200℃下继续保温。
步骤三：保温时间1.2-1.5小时后，用德国进口斯派克直读光谱仪对从炉内取出的样品进行三到五次成分检验，以确定其合金成分在考虑到误差的情况下处于下表1规定范围之内，如果不符合则调整元素含量重复此步骤直至成分符合要求。
步骤四：在1200℃下进一步保温40-60分钟后，重新升温至1300℃，升温的同时开启工频电炉的振动装置，振动频率为1次/秒；采用水平连铸方法铸制成外径为￠160mm，内径为￠80mm，长度为500mm的空心合金管材。
步骤五：用箱式退火炉对铜管进行挤压前退火，退火温度为150-180℃，退火时间为30-40分钟，以消除铸造应力便于挤压。
步骤六：用光锭机对退火后的毛坯铜管进行表面加工，加工为表面光洁直径￠155mm内径为￠85mm，长度为500mm的空心合金管材；表面加工之后采用2000吨双动挤压机进行挤压：对合金锭进行挤压前预加热，预加热温度为100-150℃，挤压温度为450℃，挤压速度V＝10mm/s；经过多次挤压后铜管为直径￠120mm公差为+/-1mm，内径为￠95mm，公差为+/-1mm的空心合金管材。
步骤七：将挤压而成的合金管材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。
步骤八：用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削，使其成为直径￠115mm公差为+/-0.1mm，内径为￠100mm，公差为+/-1mm；将管材统一切割为长度200mm对其两端去毛刺后包装入库。
表1：本发明的实施例和比较例的锡青铜合金成分
比较例1和2为常规的含Pb普通Sn含量的锡青铜合金，实施例1-1～1-8和2-1～2-6为本发明的不含Pb的高Sn含量锡青铜合金。在按照以上成分制得青铜合金材料之后，对所得材料的中部取材，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，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：所得青铜合金的力学性能
由表2可见，通过综合调配锡青铜合金中Zn、Sn、Si、Cu的比例所得的高Sn无Pb锡青铜与传统的含Pb普通Sn含量的锡青铜合金相比，力学性能不仅没有降低，甚至得到了显著提高，其中特别优选添加0.8～1.5质量％的Si，其中1.5质量％的Si含量特别优选，超过1.5质量％之后继续添加Si虽然性能仍然有所提高，但提高的幅度降低。
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
本发明获得的高Sn无Pb锡青铜合金，力学性能与传统含Pb普通Sn含量的青铜合金材料相比，强度、硬度和拉伸率等力学性能得到明显改善，完全可以替代传统的锡青铜合金，同时符合无Pb的环保要求，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种高Sn无Pb锡青铜合金，其特征在于，由以下组分组成：15-20质量％的Sn、5-7质量％的Zn、0.8-2.3质量％的Si，余量为Cu及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高Sn无Pb锡青铜合金，其特征在于，进一步，所述Si的含量为0.8-1.5质量％。
3.一种采用如权利要求1或2所述的高Sn无Pb锡青铜合金制备管材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：按照权利要求1或2所述的配比称量电解铜、Sn、Zn、Si，并将其置于电炉内，加热至1250-1300℃使其完全熔化，之后在1200℃下进行保温；
步骤二：对完全熔融的合金熔体进行充分搅拌后，在该合金熔体上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉，并在1200℃下进行保温；
步骤三：保温1.2-1.5小时后，检测所述熔体成分以确定其是否符合要求，若不符合要求，调整相应的元素含量并再次检测，直至所述熔体成分符合要求；
步骤四：确定所述熔体成分符合要求之后，在1200℃下继续保温40-60分钟，并再次升温至1300℃之后，开启工频电炉的振动装置，采用水平连铸方法铸制备空心合金管材；
步骤五：对铜管进行挤压前退火，退火温度为150-180℃，退火时间为30-40分钟；
步骤六：采用光锭机对退火后的毛坯铜管进行表面加工后，采用2000吨双动挤压机对所述空心合金管材进行多次挤压，得到半成品空心锡青铜合金管材；
步骤七：对所述半成品空心锡青铜合金管材进行裂痕及气孔探伤，将不合格产品甄别出将其回炉；
步骤八：采用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削加工并进行切割和去毛刺处理。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤一中所述电炉为工频电炉，并处于氩气氛保护下。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤二中进行所述搅拌所采用的工具为特制石墨工具。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤二中所述高纯度鳞片状石墨粉的厚度为10-12cm。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤四中所述振动装置的振动频率为1次/秒。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤五中进行所述挤压前退火采用的是箱式退火炉。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤五中进行所述探伤采用的是超声波探伤仪。
10.一种采用权利要求1或2所述的高Sn无Pb锡青铜合金材料，通过权利要求3-9的任一项所述的方法所制备的管材。
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| CN103045904A (zh) * | 2013-01-16 | 2013-04-17 | 苏州金仓合金新材料有限公司 | 一种环保无铅含硅合金新材料及其制备方法 |
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