CN106381416A - 一种高强度、超耐磨的铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度、超耐磨的铜合金，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55%～65%，Al 2%～6%，Fe 0.5%～5%，Mn 0.2%～3%，其余为Zn。本发明铜合金的制备方法包括如下步骤：按照化学成分分别称取电解铜、电解铝、电解铁、电解锰、电解锌；按照一定质量百分比取出部分电解铜和电解锌；将剩余的电解铜和电解锌与电解铝、电解铁、电解锰先进行熔融冶炼；当原料完全熔化后，再将取出的电解铜和电解锌加入炉内进行二次冶炼，直至再次全部熔化，得到熔融的铜合金；离心模具浇铸成型。本发明高强度、超耐磨铜合金能够很好的解决目前国内核电、航空航天、军工工业中存在的产品成本、产品质量、产品使用寿命等技术难题，适应其技术需求。

Description

一种高强度、超耐磨的铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，更具体涉及一种高强度、超耐磨的铜合金及其制备方法。

背景技术

目前，常用的铸造铜合金，按其化学成分可分为：纯铜、青铜、黄铜和白铜四类。其铸造工艺可分为：普通铸造和特种铸造两类。普通铸造就是通过溶液的自身重力在模具中浇铸成型的铸造工艺；而特种铸造则分为压力铸造、真空铸造和离心铸造等。

当前随着社会的进步和制造业的发展，常规的铸造铜合金已满足不了机械装备的要求。例如滑动轴承，以其精度高、承载能力大的特性，作为摩擦活动构件得到广泛使用。在现代的高速冲床、模具导套、工程机械、坦克、舰船和核电等领域中，滑动轴承作为重要活动构件，由于其使用环境下的速度、承载能力、精度、温度等都较传统机械发生了变化，所以一般铜合金就不再能满足其要求。下面举几个实际的例子:

对于尖端工业，如核电产品，现具体举例核电站核岛内的冷却水滤芯提拉装置。该装置用于每年核电站更换冷却水滤芯，工作在高温、高辐射环境。由于其工作环境恶劣，不适合人类作业，设计寿命要求40年免维护。即减速器传动部件必须在高温、高辐射的环境下，且在不更换润滑油的情况下连续工作40年。减速器传动部件中，最核心的部件就是铜合金扇形蜗轮。过去该部件只能依靠进口，后来国内有企业开发了铍铜淬火工艺，能够勉强达到使用要求。但是使用铍铜有两大缺陷：一是铍铜价格昂贵，比之进口产品也不遑多让；二是铍铜淬火工艺不易控制，产品质量很不稳定，不能保证使用要求，用户很难接受。尤其是对于核电产品，其使用环境的特殊性决定了其对部件质量的要求近乎苛刻，国内现有技术根本不能满足。对于进口产品，尽管质量稳定，然而其高昂的价格却不能令人满意。

对于民用工业，如精密模具用导套上的铜合金，磨损很快且精度要求高，一般使用3个月就要更换一次。同理，高速精密冲床上的铜套，使用现有的传统铸造铜合金，也存在工作寿命很短等问题。众所周知，主要生产设备停工检修一次，小型模具和小型设备可致企业损失约几十万元，而大型模具和大型设备则可能带来上百万，甚至上千万的经济损失。这对于利润较低的民用工业而言，堪称一笔巨大的经济负担，目前仍没有很好的解决办法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何提高铜合金的强度、耐磨性，提高铜合金的耐高温性、耐辐射性，提高铜合金的使用寿命，而提供一种高强度、超耐磨的铜合金及其制备方法

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度、超耐磨的铜合金，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55％～65％，Al2％～6％，Fe 0.5％～5％，Mn 0.2％～3％，其余为Zn。

优选地，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55％～61％，Al 2％～4.5％，Fe 0.5％～2.9％，Mn 0.2％～1.5％，其余为Zn。

优选地，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 57％～62％，Al 3％～5％，Fe 1％～3.2％，Mn 0.5％～2％，其余为Zn。

优选地，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 58％～65％，Al 3.5％～6％，Fe 1％～5％，Mn 0.5％～3％，其余为Zn。

优选地，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 58％～61％，Al 3.5％～4.5％，Fe 1％～2.9％，Mn 0.5％～1.5％，其余为Zn。

对于核电用产品，以上化学成分中必须不含钴。

本发明还提供了一种高强度、超耐磨的铜合金的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：配料：按照化学成分分别称取电解铜、电解铝、电解铁、电解锰、电解锌；

步骤二：冶炼：按照一定质量百分比取出部分电解铜和电解锌；将剩余的电解铜和电解锌与电解铝、电解铁、电解锰先进行熔融冶炼；当原料完全熔化后，再将取出的电解铜和电解锌加入炉内进行二次冶炼，直至再次全部熔化，得到熔融的铜合金；使其成相更加均一，成分更均匀，避免微量元素的偏析，铜合金整体性强，从而具有更加稳定的各种优良机械性能；

步骤三：浇铸成型：将得到熔融的铜合金离心模具浇铸，直至熔融的铜合金凝固；

步骤四：脱模加工：进行脱模，将得到的铸件加工成所需部件产品。

优选地，在步骤一中，所述电解铜的取出质量百分比为5％～60％；所述电解锌的取出质量百分比为5％～65％。

优选地，在步骤一中，所述冶炼在950～1200℃温度下进行。

优选地，在步骤三中，所述离心模具浇铸在850～1150℃温度下进行；离心转速为350～4000转/分钟，离心时间为1～200分钟。

本发明还提供了一种高强度、超耐磨的铜合金在核电、航空航天、军工工业中的应用。

(三)有益效果

本发明工艺简单，操作方便，可以进行批量生产。与铍铜产品及进口产品相比，具有极大的成本优势。通过对铜合金进行二次冶炼，使其成相更加均一，具有更加稳定的各种优良机械性能。本发明采用离心铸造工艺，避免了砂眼、疏松等铸造缺陷，使铜合金的组织更加致密，晶粒更加细化，进一步增强了铜合金的强度、耐磨性等综合性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高强度、超耐磨铜合金制备方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

参见图1，本发明所述高强度超耐磨铜合金的制备方法，具体实施步骤如下：

S1、以每炉为单位，用精度≤1g的电子称称出所需各电解金属的重量。

S2、按比例从上述金属中取出二次冶炼用金属，然后将其他剩余金属先行投入熔炼炉中进行冶炼，直至完全熔融。

S3、将取出的金属投入完全熔融的上述金属熔液中，进行二次冶炼，直至完全熔融。

S4、将熔融的铜合金浇铸到模具中，然后放入立式离心机进行离心铸造。经离心后的铜合金没有气孔、砂眼、疏松等铸造缺陷，提高了铸件的密实度，增强了铜合金的强度、耐磨性等综合性能。

S5、将冷却后的铜合金从模具中取出，进行后续加工。

实施例1

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55％，Al 2％，Fe 0.5％，Mn 0.2％，其余为Zn。

实施例2

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 65％，Al 6％，Fe 5％，Mn 3％，其余为Zn。

实施例3

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 61％，Al 4.5％，Fe 2.9％，Mn 1.5％，其余为Zn。

实施例4

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 57％，Al 3％，Fe 1％，Mn 0.5％，其余为Zn。

实施例5

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 62％，Al 5％，Fe 3.2％，Mn 2％，其余为Zn。

实施例6

本实施例高强度超耐磨铜合金的化学成分为：以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 58％，Al 3.5％，Fe 1％，Mn 0.5％，其余为Zn。

实验例1

以核电站核岛内冷却水滤芯提拉装置中的扇形蜗轮为例，来对本发明进行详细描述。

扇形蜗轮的规格：外径95mm，内径40mm，厚度30mm，齿高6mm。

对照例：现有的技术中，一直采用法国进口产品，成本高达200美元/个。国内也有厂家采用铍铜淬火后试用，但因工艺难以控制，质量不稳定而失败。

本发明所述方法：

使用本发明所述高强度超耐磨新型铜合金制造上述核电站核岛内冷却水滤芯提拉装置中的蜗轮，其步骤如下：

1)将模具的内径加工为100mm，留加工余量，脱模锥度2～3度，高度100mm(一次可浇铸3个蜗轮)。

2)在模具内壁涂抹脱模剂(石墨加水)，然后放入电炉中预热。预热温度低于浇铸温度100～200℃，预热时间为30～120分钟。

3)按实施例3所述铜合金化学成分，采用电解铜、电解铝、电解铁、电解锰、电解锌进行金属元素调配，以备冶炼。

4)铜合金冶炼温度为1150℃，采用二次冶炼法。取出步骤3中所述合金配料中50％的电解铜及50％的电解锌用于二次冶炼。

5)将冶炼完毕的熔融金属液体浇铸在预热好的模具中，浇铸温度为950～1150℃。

6)将浇铸完毕的模具放在立式离心机上，根据铜合金的重力倍数和铸件的内径设定立式离心机的转速，约为1800转/分～3000转/分。离心，直至熔融的金属液体变为固态，离心时间为5～10分钟。

7)铜合金冷却后，将铸件脱模，再加工成所需蜗轮。

产品技术参数：

将制得的蜗轮产品送至天津市机电工业金属材料检测中心进行检测。检测结果见下表：

表1：样品机械参数性能对比

本发明产品成本仅为80元人民币，仅为进口产品的1/16，已送核电站上机测试，经使用完全合格。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高强度、超耐磨的铜合金，其特征在于，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55％～65％，Al 2％～6％，Fe 0.5％～5％，Mn 0.2％～3％，其余为Zn。

2.根据权利要求1所述的的高强度、超耐磨的铜合金，其特征在于，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 55％～61％，Al2％～4.5％，Fe 0.5％～2.9％，Mn 0.2％～1.5％，其余为Zn。

3.根据权利要求1所述的的高强度、超耐磨的铜合金，其特征在于，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 57％～62％，Al3％～5％，Fe 1％～3.2％，Mn 0.5％～2％，其余为Zn。

4.根据权利要求1所述的的高强度、超耐磨的铜合金，其特征在于，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 58％～65％，Al3.5％～6％，Fe 1％～5％，Mn 0.5％～3％，其余为Zn。

5.根据权利要求1所述的的高强度、超耐磨的铜合金，其特征在于，以质量百分数计该铜合金的化学成分为：Cu 58％～61％，Al3.5％～4.5％，Fe 1％～2.9％，Mn 0.5％～1.5％，其余为Zn。

6.权利要求1-5任一项所述的高强度、超耐磨的铜合金的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：配料：按照化学成分分别称取电解铜、电解铝、电解铁、电解锰、电解锌；

步骤二：冶炼：按照一定质量百分比取出部分电解铜和电解锌；将剩余的电解铜和电解锌与电解铝、电解铁、电解锰先进行熔融冶炼；当原料完全熔化后，再将取出的电解铜和电解锌加入炉内进行二次冶炼，直至再次全部熔化，得到熔融的铜合金；

步骤三：浇铸成型：将得到熔融的铜合金离心模具浇铸，直至熔融的铜合金凝固；

步骤四：脱模加工：进行脱模，将得到的铸件加工成所需部件产品。

7.根据权利要求6所述的的高强度、超耐磨的铜合金的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述电解铜的取出质量百分比为5％～60％；所述电解锌的取出质量百分比为5％～65％。

8.根据权利要求6所述的的高强度、超耐磨的铜合金的制备方法，其特征在于，在步骤一中，所述冶炼在950～1200℃温度下进行。

9.根据权利要求6所述的的高强度、超耐磨的铜合金的制备方法，其特征在于，在步骤三中，所述离心模具浇铸在850～1150℃温度下进行；离心转速为350～4000转/分钟，离心时间为1～200分钟。

10.权利要求1-5任一项所述的的高强度、超耐磨的铜合金在核电、航空航天、军工工业中的应用。