CN105886807A - 一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐磨合金Cu‑15Ni‑8Sn的制备方法，其工艺如下：加电解铜+镍→中频无芯感应电炉→加木炭→通入1个大气压的氮气→熔炼→1300～1350℃熔炼30～65分钟→在1250～1300℃加入锡熔化→加入精炼剂、脱氧剂→搅拌→加入晶粒细化剂→加入变质剂→扒渣→炉前化验→成分合格→电磁铸造→切头切尾→扒皮→炉后成分化验→组织结构分析→性能检测。本发明利用中频无芯感应电炉熔炼铸造的Cu‑15Ni‑8SnC72900合金，生产成本低、开发产品质量高。开发产品可以应用于国防军工、海洋工程、高端制备制造业，解决国家国防军工、海洋工程、高端装备制造业对高性能铜合金材料日益迫切的需求。

Description

一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法

技术领域

本发明属于合金制备技术领域，具体涉及一种采用中频熔炼炉、电磁铸造法进行生产的高强度耐磨锡白铜合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法。

背景技术

C72900合金是美国标准中的牌号，中国的牌号表示为Cu-15Ni-8Sn，该合金具有高强度、高硬度、高弹性、高韧性、高导电稳定性、优良耐磨性和耐蚀性，在高温下具有良好的抗应力松弛能力和能够保持形态稳定的能力，不发生形变及具有很小的应力松弛，正在逐渐取代铍青铜的使用。国内对C72900合金主要用于国防军工、海洋工程、高端制备制造业，解决国家国防军工、海洋工程、高端装备制造业对高性能铜合金材料日益迫切的需求。

中国目前对C72900合金的生产已开展了很多研究性试验和试生产，最常用的生产方法主要有真空熔炼法、粉末冶金法、快速凝固法及机械合金化法。真空熔炼法选用电解铜、电解镍、工业纯锡为原料，一次性把原料加入真空炉内进行熔炼，存在夹杂物难去除，锡的挥发及铸锭存在严重偏析，为消除锡元素的严重偏析，需要对生产的铸锭在850～900℃高温下进行长时间的均匀化退火。用真空熔炼法生产的C72900铸锭不仅铸锭中存在夹杂，且用该法生产的铸锭能耗高；粉末冶金法是将合金原料通过雾化法、喷射法、离子溅射法、气相蒸发法等制得预合金粉，再采取不同的途径将制成的原料粉末成型，目前常用的方法是将预合金粉直接通过辊轧制成带材，即通过垂直轧辊间的料斗加入预先制好的预合金粉，依靠粉末与轧辊表面间的摩擦力将粉末送入轧辊，粉末颗粒之间通过轧辊的压力产生机械粘合，制成带材，然后烧结，用此法制备C72900合金也能很好地避免合金中元素的成分偏析，且能精确控制合金成分，但因生产成本高，且生产工序复杂一般采用较少；快速凝固法是通过形成小尺寸合金熔体来增大熔体散热面积，使得熔体材料在高速冷却条件下，在极短时间内迅速凝固，从而获得结构和性能均优良的新型合金材料。快速凝固法能最大程度减小锡的偏析和枝晶偏析间距，由此法制得的合金成分均匀，性能优异，但该方法存在工艺复杂、设备昂贵等问题，因而工业推广有一定的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法。

为解决本发明的技术问题采用如下技术方案：

一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其工艺如下：

加电解铜+镍→中频无芯感应电炉→加木炭→通入1个大气压的氮气→熔炼→1300～1350℃熔炼30～65分钟→在1250～1300℃加入锡熔化→加入精炼剂、脱氧剂→搅拌→加入晶粒细化剂→加入变质剂→扒渣→炉前化验→成分合格→电磁铸造→切头切尾→扒皮→炉后成分化验→组织结构分析→性能检测。

上述工艺的具体步骤为：

向中频无芯感应电炉中投入电解铜和镍原料后，开炉升温，当铜、镍原料开始熔化，马上通入氮气保护气体确保炉膛上面的空气被排出，氮气的气压为1个大气压，当炉料熔化后，然后加入烘烤好的木炭进行覆盖熔体，防止熔体在熔炼过程中吸气，木炭覆盖厚度为20～35毫米，继续升温使熔炼温度为1300～1350℃时，保温30～65分钟后在1250～1300℃加入工业纯锡原料，熔化5～10分钟后，加入精炼剂，加入磷铜中间合金脱氧剂，再加入晶粒细化剂和变质剂，熔化5～20分钟后进行拔渣，然后进行炉前成分化验，化学成分合格后进入电磁铸造，电磁铸造时先对铸造铁模进行烘烤，烘烤温度400～450℃，烘烤时间6～8小时，电磁铸造时在铸模上方通入1个大气压的氮气，同时在模内加入熔剂炭黑覆盖，对铸造后的铸锭进行去头去尾和扒皮，然后取样进行铸锭化学成分、金相和力学性能检测、导电率检测、含氧量测量，得到最终产品。

所述电解铜与镍的质量比为77:15。

所述工业纯锡与纯镍的质量比为8：15。

所述精炼剂的质量配制比例为质量分数33%的萤石、质量分数42%的碳酸钙、质量分数25%的冰晶石，所述加入精炼剂的加入量为原料总质量的0.5～1.5%。

所述精炼剂的配制比例为质量分数60%的硼砂+质量分数40%的玻璃，所述加入精炼剂的加入量为原料总质量的0.5～1.5%。

所述磷铜脱氧剂的加入量为原料总质量的0.5～1 %。

所述晶粒细化剂的加入量为原料总质量的0.2～0.5%。

所述变质剂为Ti和Zr，变质剂Ti和Zr的加入量为原料质量的0.5～1.5%。

在进行炉前成分化验时，化学成分不合格，加料进行补偿，直至化学成分合格后进行浇铸。

本发明采用中频无芯感应熔炼炉进行熔炼，在熔炼过程中进行氮气保护，避免熔体吸气。由于锡元素熔点低，密度小，易挥发，因而在熔炼过程中为降低该元素的氧化和烧损，在熔炼后期加入锡原料，在熔炼过程中加入精炼剂、除氧剂及晶粒细化剂，进行去除杂质及脱氧，同时细化晶粒，减小锡元素的偏析。因而利用该法生产C72900不但生产成本低，而且脱氧除杂效果好。在精炼过程中加入晶粒细化剂，晶粒细化剂产品有优异的细化效果，从而得到细小的等轴晶，特别是减少柱状晶，能有效地克服铸造过程中出现的一些铸造缺陷。利用中频无芯感应电炉进行熔炼时，在出炉前进行扒渣，进一步减少铸锭中的杂质含量，且在铸造过程中利用电磁搅拌和氮气保护，进一步减小偏析和细化晶粒，同时防止在铸造过程中吸气。为了降低生产成本，节约能耗，减少铸锭中的金属及非金属夹杂，减小锡元素的偏析，因而采用中频无芯感应熔炼炉进行熔炼，在熔炼时利用氮气进行保护，在铸造时利用电磁铸造减小锡元素的偏析，达到细化晶粒而生产高品质的C72900锡白铜。

本发明利用中频无芯感应电炉熔炼铸造的Cu-15Ni-8SnC72900合金，生产成本低、开发产品质量高。开发产品可以应用于国防军工、海洋工程、高端制备制造业，解决国家国防军工、海洋工程、高端装备制造业对高性能铜合金材料日益迫切的需求。今年对C72900锡白铜最强劲的需求为军工领域，市场前景好，产品利润空间大，因而采用该法生产C72900是铜及铜合金加工企业最有前景的生产方法。

具体实施方式

实施例 1

向30公斤中频无芯感应电炉中投入19.25公斤电解铜、3.75公斤纯镍原料后，开炉升温，然后通入氮气保护气体，氮气的保护气压为1个大气压，当炉料基本熔化后，然后加入烘烤好的木炭进行覆盖熔体，木炭覆盖厚度为35毫米厚，将熔体完全覆盖，防止熔体在熔炼过程中吸气。继续升温使熔炼温度为1300℃时，保温65分钟后在1300℃加入2公斤工业纯锡原料，但由于锡熔点低、易挥发，实际加料时为上述锡计算质量的125%。熔化5分钟后，加入125g的精炼剂，其中精炼剂的质量配制比例为：60%硼砂+40%玻璃，加入125g的磷铜脱氧剂，再加入50g晶粒细化剂和125g变质剂Ti和变质剂Zr，熔化20分钟后进行拔渣，然后进行炉前成分化验，如果化学成分合格，进入电磁铸造，如果化学成分不合格，加料进行补偿，直至化学成分合格后进行浇铸。电磁铸造时先对铸造铁模进行烘烤，烘烤温度450℃，烘烤时间6小时。电磁铸造时在铸模上方通入1.0个大气压的氮气，保护熔体以免吸氧，同时在模内加入熔剂炭黑覆盖，以免熔体吸气造成氧含量过高及氧与锡发生氧化反应造成锡元素烧损致使锡含量降低。对铸造后的铸锭进行去头去尾和扒皮，然后取样进行铸锭化学成分、金相和力学性能检测、导电率检测、含氧量测量。

实施例 2

向30公斤中频无芯感应电炉中投入19.25公斤电解铜、加入3.75公斤镍原料后，开炉升温，然后通入氮气保护气体，氮气的保护气压为1个大气压，当炉料基本熔化后，然后加入烘烤好的木炭进行覆盖熔体，木炭覆盖厚度约为20毫米厚，将熔体完全覆盖，防止熔体在熔炼过程中吸气。继续升温使熔炼温度为1350℃时，保温30分钟后在1250℃加入入2公斤工业纯锡原料，但由于锡熔点低、易挥发，实际加料时为上述锡计算质量的125%。熔化10分钟后，加入375g的精炼剂，其中精炼剂的质量配制比例为：33%萤石+42%碳酸钙+25%冰晶石，加入250g的磷铜脱氧剂，再加入晶粒细化剂125g，加入375g变质剂Ti和变质剂Zr，熔化5分钟后进行拔渣，然后进行炉前成分化验，如果化学成分合格，进入电磁铸造，如果化学成分不合格，加料进行补偿，直至化学成分合格后进行浇铸。电磁铸造时先对铸造铁模进行烘烤，烘烤温度400℃，烘烤时间8小时。电磁铸造时在铸模上方通入1.0个大气压左右的氮气，保护熔体以免吸氧，同时在模内加入熔剂炭黑覆盖，以免熔体吸气造成氧含量过高及氧与锡发生氧化反应造成锡元素烧损致使锡含量降低。对铸造后的铸锭进行去头去尾和扒皮，然后取样进行铸锭化学成分、金相和力学性能检测、导电率检测、含氧量测量。

Claims (10)

1.一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于工艺如下：

加电解铜+镍→中频无芯感应电炉→加木炭→通入1个大气压的氮气→熔炼→1300～1350℃熔炼30～65分钟→在1250～1300℃加入锡熔化→加入精炼剂、脱氧剂→搅拌→加入晶粒细化剂→加入变质剂→扒渣→炉前化验→成分合格→电磁铸造→切头切尾→扒皮→炉后成分化验→组织结构分析→性能检测。

2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于上述工艺的具体步骤为：

向中频无芯感应电炉中投入电解铜和镍原料后，开炉升温，当铜、镍原料开始熔化，马上通入氮气保护气体确保炉膛上面的空气被排出，氮气的气压为1个大气压，当炉料熔化后，然后加入烘烤好的木炭进行覆盖熔体，防止熔体在熔炼过程中吸气，木炭覆盖厚度为20～35毫米，继续升温使熔炼温度为1300～1350℃时，保温30～65分钟后在1250～1300℃加入工业纯锡原料，熔化5～10分钟后，加入精炼剂，加入磷铜中间合金脱氧剂，再加入晶粒细化剂和变质剂，熔化5～20分钟后进行拔渣，然后进行炉前成分化验，化学成分合格后进入电磁铸造，电磁铸造时先对铸造铁模进行烘烤，烘烤温度400～450℃，烘烤时间6～8小时，电磁铸造时在铸模上方通入1个大气压的氮气，同时在模内加入熔剂炭黑覆盖，对铸造后的铸锭进行去头去尾和扒皮，然后取样进行铸锭化学成分、金相和力学性能检测、导电率检测、含氧量测量，得到最终产品。

3.根据权利要求2所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述电解铜与镍的质量比为77:15。

4.根据权利要求2所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述工业纯锡与纯镍的质量比为8:15。

5.根据权利要求3或4所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述精炼剂的配制比例为质量分数33%的萤石、质量分数42%的碳酸钙、质量分数25%的冰晶石，所述加入精炼剂的加入量为原料总质量的0.5～1.5%。

6.根据权利要求3或4所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述精炼剂的质量配制比例为质量分数60%的硼砂+质量分数40%的玻璃，所述加入精炼剂的加入量为原料总质量的0.5～1.5%。

7.根据权利要求3或4所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述磷铜脱氧剂的加入量为原料总质量的0.5～1 %。

8.根据权利要求3或4所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述晶粒细化剂的加入量为原料总质量的0.2～0.5%。

9.根据权利要求3或4所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：所述变质剂为Ti和Zr，变质剂Ti和Zr的加入量为原料质量的0.5～1.5%。

10.根据权利要求1或2所述的一种高强度耐磨合金Cu-15Ni-8Sn的制备方法，其特征在于：在进行炉前成分化验时，化学成分不合格，加料进行补偿，直至化学成分合格后进行浇铸。