CN107312950A - 一种镀镍碳化硅铜基合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镀镍碳化硅铜基合金材料及制备方法，其材料由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88‑93.5％，镀镍碳化硅为6.5‑12％。本发明还公开了一种镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法。制备方法利用纳米级碳化硅高硬度、高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，实现了对铜合金材料的性能的进一步提升，因此根据本发明所得到的镀镍碳化硅铜基合金具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性，从而延长航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设别的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的使用寿命。

Description

一种镀镍碳化硅铜基合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米合金材料技术领域，特别涉及一种镀镍碳化硅铜基合金材料及其制备方法。
背景技术
国标铜合金材料铜合金ZCuAl10Fe3Mn2是一种铝青铜材料，由于有较高的强度和减摩性、良好的耐蚀性、在热态下良好的压力加工性、以及可电焊和气焊性，主要用于如轴衬、轴套、法兰盘、齿轮及其他耐蚀或耐磨的重要零件。但是其性能还难以满足如航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设备的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的需求。
纳米碳化硅是一种通过一定的技术条件，在普通碳化硅材料的基础上制备出的纳米材料，其具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、松装密度低、以及极好的力学、热学、电学和化学性能，即具有高硬度、高耐磨性和良好的自润滑、高热传导率、低热膨胀系数及高温强度大等特点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种镀镍碳化硅铜基合金材料及其制备方法，解决铜合金材料难以满足航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设备的耐磨产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品对其性能要求的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88-93.5％，镀镍碳化硅为6.5-12％。
进一步地，一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88％，镀镍碳化硅为12％。
进一步地，一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为93.5％，镀镍碳化硅为6.5％。
进一步地，一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为90％，镀镍碳化硅为10％。
进一步地，镀镍碳化硅均匀分布在铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，且镀镍碳化硅的粒径为300μm-500μm。
一种上述镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，制备铜合金水；
步骤二：检测由步骤一制得的铜合金水的成分，以确定其化学成分在国标GB/T1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分组成范围之内；
步骤三：按照设定的体积比例将镀镍碳化硅粉体颗粒放入铜合金水的表面，搅拌均匀，并升温至1400℃-1450℃，保温30-35分钟，制得均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水；
步骤四：在1400℃-1450℃的温度下将均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水保温20-30分钟，进而采用连续铸造的方式制得镀镍碳化硅铜基合金材料，其中连续铸造的温度为1080℃-1150℃。
进一步地，铜合金水的制备方法为：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，将电解铜、铝锭及铁按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼温度为1200℃-1250℃，熔炼时间为4-5.5小时。
进一步地，采用斯派克直读光谱仪进行步骤二的成分检测。
进一步地，采用工频电炉进行铜合金水的制备、保温以及镀镍碳化硅粉体颗粒与经保温后的铜合金水的混合、保温。
进一步地，采用石墨棒进行步骤三的搅拌，在进行石墨棒搅拌的同时工频电炉也在进行震动搅拌。
由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益技术效果：
1.本发明将纳米级镀镍碳化硅均匀分布在铜合金材料中，利用纳米级碳化硅高硬度、高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，实现了对铜合金材料的性能的进一步提升，因此根据本发明所得到的镀镍碳化硅铜基合金具有更高的强度﹑硬度﹑耐磨性以及耐腐蚀性，从而延长航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设别的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的使用寿命。
2.本发明将纳米级镀镍碳化硅均匀分布在熔融铜合金溶液中，由于镀镍后的碳化硅纳米颗粒具有更容易润湿、与液态铜合金更容易混合以及更容易均匀弥散分布在铜合金中的特点，从而使镀镍碳化硅铜基合金材料的制备方法更加简便。
具体实施方式
为了本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，为本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88％，镀镍碳化硅为12％。其中镀镍碳化硅均匀分布在铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，且镀镍碳化硅的粒径为300μm-500μm。镀镍碳化硅颗粒通过现有技术制得。
在本实施例中上述镀镍碳化硅铜基合金材料由以下步骤制得：
步骤一：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，将电解铜合金、铝锭及铁按照重量比例放入电炉中在1200℃下熔炼，熔炼时间为5.5小时，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金水体积在熔炉体积的90％以下，制得铜合金水；
步骤二：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2 的化学成分组成范围之内；
步骤三：按照体积比例为铜合金占88％、镀镍碳化硅占12％，将镀镍碳化硅粉体颗粒放入铜合金水的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合，并升温至1400℃，保温35分钟，制得均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水；
步骤四：在1400℃的温度下将由步骤三制得的均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水保温20分钟，进而采用连续铸造的方式制得镀镍碳化硅铜基合金材料，其中连续铸造的温度为1080℃。
按照相关需求，对铸造完成的铜合金材料进行表面处理，并按照出厂标准包装。
实施例2
一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为93.5％，镀镍碳化硅为6.5％。其中镀镍碳化硅均匀分布在铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，且镀镍碳化硅的粒径为300μm-500μm。镀镍碳化硅颗粒通过现有技术制得。
在本实施例中上述镀镍碳化硅铜基合金材料由以下步骤制得：
步骤一：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，将电解铜合金、铝锭及铁按照重量比例放入电炉中在1250℃下熔炼，熔炼时间为4小时，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金水体积在熔炉体积的90％以下，制得铜合金水；
步骤二：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2 的化学成分组成范围之内；
步骤三：按照体积比例为铜合金占93.5％、镀镍碳化硅占6.5％，将镀镍碳化硅粉体颗粒放入铜合金水的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合，并升温至1450℃，保温30分钟，制得均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水；
步骤四：在1450℃的温度下将由步骤三制得的均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水保温20分钟，进而采用连续铸造的方式制得镀镍碳化硅铜基合金材料，其中连续铸造的温度为1150℃。
按照相关需求，对铸造完成的铜合金材料进行表面处理，并按照出厂标准包装。
实施例3
一种镀镍碳化硅铜基合金材料，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为90％，镀镍碳化硅为10％。其中镀镍碳化硅均匀分布在铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，且镀镍碳化硅的粒径为300μm-500μm。镀镍碳化硅颗粒通过现有技术制得。
在本实施例中上述镀镍碳化硅铜基合金材料由以下步骤制得：
步骤一：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，将电解铜合金、铝锭及铁按照重量比例放入电炉中在1250℃下熔炼，熔炼时间为4小时，熔炼期间根据熔炉的体积大小控制铜合金水体积在熔炉体积的90％以下，制得铜合金水；
步骤二：采用斯派克直读光谱仪对熔炼完成的铜合金水进行成分检测，以确定其化学成分在国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2 的化学成分组成范围之内；
步骤三：按照体积比例为铜合金占90％、镀镍碳化硅占10％，将镀镍碳化硅粉体颗粒放入铜合金水的表面，开启工频电炉的震动装置并用石墨棒进行搅拌，使其均匀混合，并升温至1450℃，保温30分钟，制得均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水；
步骤四：在1450℃的温度下将由步骤三制得的均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水保温20分钟，进而采用连续铸造的方式制得镀镍碳化硅铜基合金材料，其中连续铸造的温度为1150℃。
按照相关需求，对铸造完成的铜合金材料进行表面处理，并按照出厂标准包装。
本发明的镀镍碳化硅铜基合金与铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的力学性能对比结果如下表所示：
表1本发明与铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的力学性能对比结果
拉伸强度/MPa 布氏硬度/HBW
实施例1 950 220
实施例2 970 240
实施例3 990 260
铜合金ZCuAl10Fe3Mn2 540 120
通过表1的数据可以看出，本发明将纳米镀镍碳化硅材料通过一定的技术手段均匀分布在铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，利用纳米级碳化硅高硬度、高耐磨性和良好的自润滑性能，使铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的性能得到很大的提升，从而能延长航空航天高强度耐压产品﹑石油工程设别的耐磨件产品以及海洋工程设备耐腐蚀产品配件的使用寿命。
同时，由于镀镍后的碳化硅纳米颗粒具有更容易润湿、与液态铜合金更容易混合以及更容易均匀弥散分布在铜合金中的特点，从而使镀镍碳化硅铜基合金材料的制备方法更加简便。
以上所述实施仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种镀镍碳化硅铜基合金材料，其特征在于，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88-93.5％，镀镍碳化硅为6.5-12％。
2.如权利要求1所述的镀镍碳化硅铜基合金材料，其特征在于，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为88％，镀镍碳化硅为12％。
3.如权利要求1所述的镀镍碳化硅铜基合金材料，其特征在于，由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为93.5％，镀镍碳化硅为6.5％。
4.如权利要求1所述的镀镍碳化硅铜基合金材料，其特征在于由以下体积百分数的组分组成：铜合金ZCuAl10Fe3Mn2为90％，镀镍碳化硅为10％。
5.如权利要求1-4任一项所述的镀镍碳化硅铜基合金材料，其特征在于，所述镀镍碳化硅均匀分布在所述铜合金ZCuAl10Fe3Mn2中，且所述镀镍碳化硅的粒径为300μm-500μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，制备铜合金水；
步骤二：检测由步骤一制得的所述铜合金水的成分，以确定其化学成分在国标GB/T1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分组成范围之内；
步骤三：按照设定的体积比例将镀镍碳化硅粉体颗粒放入所述铜合金水的表面，搅拌均匀，并升温至1400℃-1450℃，保温30-35分钟，制得均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水；
步骤四：在1400℃-1450℃的温度下将所述均匀混合有镀镍碳化硅的铜合金水保温20-30分钟，然后采用连续铸造的方式制得镀镍碳化硅铜基合金材料，所述连续铸造的温度为1080℃-1150℃。
7.如权利要求6所述的镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，其特征在于，所述铜合金水的制备方法为：按照国标GB/T 1176-2013中铜合金ZCuAl10Fe3Mn2的化学成分要求，将电解铜、铝锭及铁按照重量比例放入电炉中熔炼，熔炼温度为1200℃-1250℃，熔炼时间为4-5.5小时。
8.如权利要求6所述的镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，其特征在于，采用斯派克直读光谱仪进行步骤二的所述成分检测。
9.如权利要求6所述的镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，其特征在于，采用工频电炉进行所述铜合金水的制备、保温以及所述镀镍碳化硅粉体颗粒与所述经保温后的铜合金水的混合、保温。
10.如权利要求9所述的镀镍碳化硅铜基合金材料制备方法，其特征在于，采用石墨棒进行步骤三的所述搅拌，在进行所述石墨棒搅拌的同时所述工频电炉也在进行震动搅拌。
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