CN106916996B - 一种低温超高韧耐磨铜合金及其制备方法 - Google Patents

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    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Abstract

本发明涉及一种低温超高韧耐磨铜合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。该铜合金的质量百分比组成为：镍：25.0～45.0％，锰：2～15％，锌：1～8％，钛：0.1～5.0％，铁：0.5～5％，铬：0.1～3％，余量为铜。制备步骤为：配料―熔铸―热挤压―热锻―成品。本发明通过添加锰、锌、钛、铁、铬等元素，提高了合金的低温综合力学性能和耐磨性能，同时保证了合金具有良好的加工性能。本发明所制备的铜合金材料在‑196℃低温下的冲击功大于170J，为其他常用耐磨铜合金材料的3～5倍，非常适用于航空航天等领域低温环境用耐磨零部件的制造。

Description

一种低温超高韧耐磨铜合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低温超高韧耐磨铜合金及其制备方法，特别涉及一种在低温-196℃温度下具有超高冲击功的耐磨铜合金及其制备方法，属于金属材料及其制备技术领域。
背景技术
耐磨铜合金材料用于制作齿轮、轴瓦、密封圈、液压泵摩擦副等，广泛应用于航空航天、军事、石油化工、交通运输等领域。国内外对常温下应用的耐磨铜合金的研究由来已久，并已形成了复杂黄铜、锡青铜、铝青铜等工业化系列产品。
随着现代航空航天等领域的飞速发展，对耐磨铜合金在低温环境条件下的综合力学性能，尤其是低温冲击韧性提出了越来越高的要求。理论上，当温度从室温降低时，大多数金属或合金的强度、弹性模量以及抗疲劳能力都有提高；但韧性却随合金晶体结构不同而发生不同的变化。一般地，随着温度降低，具有体心立方或密排六方结构的金属会发生韧-脆转变，低温下变脆；而具有面心立方结构的金属在低温下仍可保持韧性状态。因此，国内外文献中对面心立方结构金属(如铜合金)低温韧性的报道较少。在一些低温领域，国内仍在沿用室温常用的耐磨铜合金。
然而，根据国外资料及我们近期研究证明：一些耐磨铜合金尽管在室温下具有良好的韧性，但在-196℃温度时其冲击韧性较差。比如，耐磨锡青铜经过冷加工处理后，室温冲击功Akv2可达100J，但在-196℃时冲击功降低到不足45J；高强高硬的耐磨铝青铜合金由于存在片层结构的脆性相，其室温耐磨性能很好，但在低温使用时却增加了材料的脆性，其在-196℃时冲击功降低到不足30J；耐磨复杂黄铜在-196℃温度时的冲击功Akv2值也不足35J。综上，这三类室温常用耐磨铜合金在低温-196℃时冲击功较低，严重影响了其在低温下的使用寿命。
近年来，耐磨白铜作为耐磨零件被越来越多地应用在各个领域。据国外书籍资料报道，铜镍合金的低温冲击功Akv2值最高可达100J，而国内对铜镍合金低温冲击韧性方面尚未公开的报道。因此，研发出一种在低温具有优异冲击韧性的耐磨铜合金，使之应用于航空航天等领域低温环境用耐磨零部件的制造，对提高产品质量及设备使用寿命等均有重大的意义。
发明内容
本发明所要解决的第一个问题是提供一种具有优异低温综合力学性能、尤其是低温冲击韧性的耐磨铜合金，用于航空航天等行业的低温领域。
本发明所要解决的第二个问题是提供一种具有优异低温综合力学性能、尤其是低温冲击韧性的耐磨铜合金的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低温超高韧耐磨铜合金，其质量百分比组成为：镍：25.0～45.0％，锰：2～15％，锌：1～8％，钛：0.1～5.0％，铁：0.5～5％，铬：0.1～3％，余量为铜。
优选的，上述铜合金的质量百分比组成为：镍：29.0～35.0％，锰：3～12％，锌：1～6％，钛：0.1～3.5％，铁：0.5～2％，铬：0.1～2.5％，余量为铜。
其中，不可避免的杂质的质量百分比≤0.1％。
本发明低温超高韧耐磨铜合金的制备方法，主要包括坯料熔铸、热挤压工艺和热锻压工艺，具体步骤包括：按合金成分配料，采用中频感应熔炼炉熔炼，熔炼温度为1180-1250℃，熔炼完成后，在1180-1250℃下浇注成Φ200mm的铸锭；将铸锭去皮后，在600-700℃温度下进行热挤压，挤压成Φ50mm铜棒；将铜棒在500-700℃温度下进行3-4次锻造变形，每次锻造后将坯料翻转90°，最后空冷至室温，制成成品。
本发明中，以纯度大于99.9wt％的纯铜、纯镍、纯锰、纯锌、纯钛、纯铁、纯铬等金属为原料，熔炼之前，先将铜、镍、锰、锌、钛、铁、铬制成合金料，然后熔炼时一次性加入该合金料。
锻造变形过程中，道次压下量为20-30％，总压下量为60-90％。
在-196℃低温下，本发明铜合金的抗拉强度565-590MPa，屈服强度为295-310MPa，伸长率为48-54％，冲击功Akv2为172-180J。特别是本发明所制备的铜合金材料在-196℃低温下的冲击功大于170J，为其他常用耐磨铜合金材料的3～5倍。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1)本发明通过添加钛、铁、铬来细化晶粒，提高合金的综合力学性能，添加锌起到固溶强化的作用，添加锰提高合金的耐磨擦性能。本发明所设计的复杂白铜合金具有良好的加工性能，与其它复杂白铜合金相比，其强度和韧性更高，耐磨性能更加稳定；
2)本发明所制备的铜合金材料，在-196℃低温下具有良好的综合力学性能，尤其是其低温冲击功远高于其他常用耐磨铜合金材料，非常适用于航空航天等领域低温环境用耐磨零部件的制造。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步详细描述。
本发明低温超高韧耐磨铜合金的制备方法，其具体工艺步骤包括：
(1)坯料熔铸：以纯度大于99.9％的纯铜、纯镍、纯锰、纯锌、纯钛、纯铁、纯铬等金属为原料，按合金成分配料在中频感应熔炼炉中进行熔炼，保温后，在1180-1250℃温度下浇注成Φ200mm的铜铸锭；
(2)热挤压工艺：将铜铸锭去皮后，在600-700℃温下下进行热挤压，挤压成Φ50mm的铜棒；
(3)热锻压工艺：将挤压后的铜合金棒料在500-700℃下进行锻造变形，首先沿一个方向进行锻造，道次压下量为20-30％；然后将坯料翻转90°，再进行一次与前次相同的锻造。按此方法一共进行3-4次锻造，总压下量为60-90％，最后空冷至室温，制备成低温超高韧耐磨铜合金材料。
实施例1
其生产工艺流程方法如下：配料―熔铸―热挤压―热锻―成品
具体过程为：采用中频感应熔炼炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度为1180℃。熔炼之前，先将铜、镍、锰、锌、钛、铁、铬制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，静置、扒渣后浇注成Φ200mm的铸锭。将铸锭去皮后，在600℃温度下进行热挤压，挤压成Φ50mm铜棒。然后，将铜合金棒料在500℃温度下进行4次热锻，每次锻造后将坯料翻转90°，道次压下量为20％，总压下量为80％，最后空冷至室温，制成成品。所制备成品在-196℃低温下的力学性能如表2所示。
实施例2
其生产工艺流程方法如下：配料―熔铸―热挤压―热锻―成品
具体过程为：采用中频感应熔炼炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度为1200℃。熔炼之前，先将铜、镍、锰、锌、钛、铁、铬制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，静置、扒渣后浇注成Φ200mm的铸锭。将铸锭去皮后，在700℃温度下进行热挤压，挤压成Φ50mm铜棒。然后，将铜合金棒料在700℃温度下进行3次热锻，每次锻造后将坯料翻转90°，道次压下量为30％，总压下量为90％，最后空冷至室温，制成成品。所制备成品在-196℃低温下的力学性能如表2所示。
实施例3
其生产工艺流程方法如下：配料―熔铸―热挤压―热锻―成品
具体过程为：采用中频感应熔炼炉熔炼，按表1所示成分配料，熔炼温度为1250℃。熔炼之前，先将铜、镍、锰、锌、钛、铁、铬制成合金料。熔炼时，一次性加入该合金料，静置、扒渣后浇注成Φ200mm的铸锭。将铸锭去皮后，在650℃温度下进行热挤压，挤压成Φ50mm铜棒。然后，将铜合金棒料在600℃温度下进行3次热锻，每次锻造后将坯料翻转90°，道次压下量为25％，总压下量为75％，最后空冷至室温，制成成品。所制备成品在-196℃低温下的力学性能如表2所示。
表1低温高冲击功铜合金的成分组成(wt％)
实施例 Ni Mn Zn Ti Fe Cr Cu
实施例1 29.0％ 3.5％ 2.0％ 1.5％ 0.9％ 1.2％ 余量
实施例2 31.0％ 5.0％ 2.5％ 0.6％ 0.6％ 0.5％ 余量
实施例3 35.0％ 4.0％ 3.0％ 1.2％ 1.0％ 1.5％ 余量
表2实施例和常用耐磨铜合金在-196℃低温下的力学性能
样品 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％ 冲击功A<sub>kv2</sub>/J
实施例1 570 300 54 180
实施例2 590 310 48 172
实施例3 565 295 53 175
耐磨铝青铜 - - - 30
耐磨复杂黄铜 - - - 45
耐磨锡青铜 - - - 48
本发明通过添加锰、锌、钛、铁、铬等元素，最终提高了合金的低温综合力学性能和耐磨性能，同时保证合金具有良好的加工性能；通过结合热挤压和多次多向热锻压工艺，最终可获得低温超高韧耐磨铜合金材料。
如表2所示，本发明所制备的铜合金材料在-196℃低温下的冲击功大于170J，为其他常用耐磨铜合金材料的3～5倍，抗拉强度为565MPa以上，屈服强度为295MPa以上，伸长率为48％以上，该合金在液氮温度下具有较好的超高韧耐磨性能，因此该材料制作的零件可满足产品或设备在-196℃低温环境条件下长期正常工作的需求。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低温超高韧耐磨铜合金，其特征在于：其质量百分比组成为：镍：25.0～45.0％，锰：3.5～15％，锌：2.5～8％，钛：0.6～5.0％，铁：0.5～5％，铬：0.1～3％，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的低温超高韧耐磨铜合金，其特征在于：所述铜合金的质量百分比组成为：镍：29.0～35.0％，锰：3.5～12％，锌：2.5～6％，钛：0.6～3.5％，铁：0.5～2％，铬：0.1～2.5％，余量为铜。
3.根据权利要求2所述的低温超高韧耐磨铜合金，其特征在于：所述铜合金中还包含质量百分比≤0.1％的杂质。
4.权利要求1-3中任一项所述的低温超高韧耐磨铜合金的制备方法，包括如下步骤：按合金成分配料，采用中频感应熔炼炉熔炼，熔炼温度为1180-1250℃，熔炼完成后，浇注成Φ200mm的铸锭；将铸锭去皮后，在600-700℃温度下进行热挤压，挤压成Φ50mm铜棒；将铜棒在500-700℃温度下进行3-4次锻造变形，每次锻造后将坯料翻转90°，最后空冷至室温，制成成品。
5.根据权利要求4所述的低温超高韧耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：配料时，以纯度大于99.9wt％的铜、镍、锰、锌、钛、铁和铬金属为原料，熔炼之前，先将铜、镍、锰、锌、钛、铁和铬制成合金料，然后熔炼时一次性加入。
6.根据权利要求4所述的低温超高韧耐磨铜合金的制备方法，其特征在于：锻造变形过程中，道次压下量为20-30％，总压下量为60-90％。
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