CN107604203A

CN107604203A - 一种高强度高弹性的锡青铜合金及其固溶工艺

Info

Publication number: CN107604203A
Application number: CN201711135120.2A
Authority: CN
Inventors: 苑和锋; 罗根清; 郑芸
Original assignee: NINGBO XINGYE SHENGTAI GROUP CO Ltd
Current assignee: NINGBO XINGYE SHENGTAI GROUP CO Ltd
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明涉及一种高强度高弹性的锡青铜合金，它含有如下重量百分数的化学成分：Mn 0.5%~7%，Sn3.0～14.0%，Zn 0.1～2%，Ni 0.05～0.5%，Fe 0.01～0.05%，P 0.3～0.5%，RE 0.001～0.02%，B 0.01～0.05%，其余为As和Cu。

Description

一种高强度高弹性的锡青铜合金及其固溶工艺

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术领域，特别是涉及一种高强度高弹性的锡青铜合金及其固溶工艺。

背景技术

锡磷青铜具有高的弹性、耐磨性、抗磁性、良好的冷热加工性能、焊接和钎焊性，尤其在大气和淡水中具有良好的耐腐蚀性能，可用于制作弹簧接触片、耐磨零件和抗磁元件等零部件，广泛的应用与无线电、电子、汽车、通信工业等领域。

锌对锡青铜的组织和力学性能无明显影响，但能改善合金的流动性，减小结晶温度范围，减轻锡青铜的反偏析。在加工锡磷青铜中，含锌量少于2%，不会产生有害影响。但现有技术中的锡青铜合金中，对于含锌量较难控制，主要是由于锌很难溶于锡青铜的α相固溶体，导致在熔炼过程中锌的流失量较大，容易引起锡青铜的脱锌腐蚀现象，导致锡青铜合金的强度及弹性下降。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明旨在一种能避免发生脱锌腐蚀现象的高强度高弹性的锡青铜合金及其固溶工艺。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种高强度高弹性的锡青铜合金，它含有如下重量百分数的化学成分： Mn 0.5%~7%，Sn3.0～14.0%，Zn 0.1～2%，Ni 0.05～0.5%，Fe 0.01～0.05%，P 0.3～0.5%，RE 0.001～0.02%，B 0.01～0.05%，其余为As和Cu。

作为本发明的改进，所述As的含量为6.8%~7%。

作为本发明的优选，所述B的含量为0.01～0.04%。

作为本发明的进一步改进，还包括了Al 0.5%~5%。

一种用于制备上述高强度高弹性的锡青铜合金的固溶工艺，包括了

如下步骤：

1）、在低频或中频熔炼炉中加入铜、铁、镍、铼，在3180℃以上的高温下进行熔融，得到α相固溶体作为中间合金；

2）、在580℃至620℃温度区间内向α相固溶体中加入磷和砷，并采用热挤压工艺将高磷铜合金挤压成条状；

3）、在500℃-600℃范围内向高磷铜合金中加入锰、铝、锡与锌制备β相固溶体；

4）、在200℃～450℃温度范围内对β相固溶体进行热处理，并向β相固溶体中加入硼与稀土元素进行熔炼，得到锡青铜铸锭；

5）、在380℃以上向锡青铜铸锭中加入铅形成共晶组织。

作为上述固溶工艺的改进，在步骤6)中，还可以向锡青铜铸锭中加入锑、铋、硫、碲、硒这些金属化合物。

作为上述固溶工艺的进一步改进，锑、铋、硫、碲、硒这些金属化合物是通过粉末冶金的方法加入锡青铜铸锭中。

作为上述固溶工艺的具体技术方案，所述锡青铜合金的晶粒度为20μm～30μm，抗拉强度在650MPa以上，延伸率在30％以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：同时在合金中包含了锌和砷，能够防止锡青铜产品在使用过程中发生脱锌腐蚀现象，并且砷是以中间合金方式加入，步骤简单快捷。

具体实施方式

本发明的实施例公开了一种高强度高弹性的锡青铜合金，它含有如下重量百分数的化学成分： Mn 0.5%~7%，Sn3.0～14.0%，Zn 0.1～2%，Ni 0.05～0.5%，Fe 0.01～0.05%，P0.3～0.5%，RE 0.001～0.02%，B 0.01～0.05%，其余为As和Cu。

如下步骤：

5）、在380℃以上向锡青铜铸锭中加入铅形成共晶组织。

作为一种优选方案，在本实施例的锡青铜合金中还加入了0.5%~5%的铝，铝元素起到稳定并强化β相固溶体的作用。若铝含量小于0.5％则强化韧性效果低下，若大于5％会出现过量的γ相，严重降低了材料的塑性，并且使材料的热加工性能变差，此外铝含量超过5％时会与锰形成β(Mn)固溶体，造成晶体流动性下降，因此综合考虑铝含量控制在0.5～5％。另外，铝元素可在铜合金表面形成一层致密的三氧化二铝薄膜，可增加材料的耐腐蚀性能。

在合金中加入铁，可细化锡青铜的晶粒，显著延缓再结晶，提高强度和硬度。但铁含量超过0.05%时，会出现过多的含铁相，显著降低耐蚀性，并使工艺性能变坏，故本实施例中锡青铜合金的含铁量为0.01%~0.05%。

在锡青铜合金中加入锰，可以降低锡在α相固溶体中的溶解度，含适量锰的锡青铜可借固溶处理和时效来提高强度和硬度。但如果锰含量超过7%，则在合金熔炼的过程中，过量的锰易产生氧化物，降低合金的流动性，使铸造性能变坏，故优选锰的含量在0.5%~7%。

在锡青铜合金中加入锌，能改善合金的流动性，减小结晶温度范围，减轻锡青铜的反偏析。在加工锡磷青铜中，含锌量少于2%，不会产生有害影响，故在本实施例中，锌的含量为0.1～2%。

本实施例的锡青铜合金中添加了镍，镍能够使形成的三元化合物更加稳定，并抑制化合物的长大，大于2％时效果饱和，为了避免贵金属的过量使用，因此镍含量≤2％，优选为 0.05％～0.5％。另外，镍与铁可形成铁化镍化合物，可通过沉淀强化来提高材料的强度、硬度。

在本实施例的锡青铜合金中添加了磷，磷在锡青铜的α相固溶体中的溶解度并不大，并随含锡量的增加和温度的降低而减小，故在熔炼过程中，在向合金中加入磷之后还需要通过热挤压工艺提升磷在α相固溶体中的溶解度。含磷大于0.5%的锡磷青铜，凝固时，在637℃发生包晶反应，所以这种青铜热加工温度不宜超过637℃，否则会产生热脆现象。因此，本实施例是在580℃至620℃温度区间内向α相固溶体中加入磷并进行后续的热挤压工艺。磷是铜合金的良好脱氧剂，能增加锡青铜的流动性，但加大反偏析程度。磷提高锡青铜的强度、硬度、弹性极限、弹性模量和疲劳强度。细晶粒的锡磷青铜加工材具有比粗晶粒加工材更高的强度、弹性模量和疲劳强度，但塑性略低。在200~260℃经1~2h退火，可进一步提高加工制品的强度、塑性、弹性极限和弹性模量，并增加锡磷青铜的弹性稳定性。

在本实施例的锡青铜合金中还加入了铼，铼一方面可以提高锡青铜合金的硬度，另一方面，铼作为一种催化剂，可以促进铜、铁、镍的融合，由于铼属于高熔点金属，其熔点温度在3180℃，故为了使得铼能融入合金中，步骤1）中的熔融温度需要在3180℃以上。由于铼只是作为催化剂存在，故其用量不需要很多，因此在本实施例中，铼的含量范围仅为0.001～0.02%。

在本实施例的锡青铜合金中还加入了铅，铅实际上不固溶于锡青铜，它以单独相存在，呈黑色夹杂物分布在枝晶之间，其分布不易均匀，加镍可以改善铅的分布，并能细化组织。铅降低锡青铜的摩擦系数，显著改善合金耐磨性和切削加工型，当降低力学性能。在铜—锡—铅合金中加入3%~5%锌可进一步提高力学性能。

现有技术中的锡青铜合金中，对于含锌量较难控制，主要是由于锌很难溶于锡青铜的α相固溶体，导致在熔炼过程中锌的流失量较大，容易引起锡青铜的脱锌腐蚀现象，导致锡青铜合金的强度及弹性下降。故在本实施例的锡青铜合金中通过加入砷来解决该问题。砷在铜中有很大的固溶度，在α相固溶体中的可达6.8%~7%，砷在铜中存在强烈的降低其导电率和导热性能，一般作为变质剂加入，特别是对黄铜冷凝器合金来说更为宝贵，含砷6.8%~7%的黄铜，能够防止黄铜脱锌腐蚀。砷之所以能够防止黄铜脱锌腐蚀，许多研究表明，砷能够降低铜的电极电位，从而降低了电化学腐蚀倾向；由于砷的氧化物污染环境，对人体有害，所以在熔炼合金的过程中应有专门的环保和防护措施；砷应以中间合金方式加入。

硼在铜中固溶度不大，一般作为脱氧剂使用，残余的硼可以细化晶粒，人们发现硼的变质作用十分显著，在加砷黄铜合金中同时加入0.01～0.05%的硼，具有更好的防止黄铜脱锌腐蚀作用；硼的氧化物是铜合金熔炼时优良覆盖剂，已经被广泛的使用；在铜的焊接材料中也普遍的加入硼，可防止焊接金属的氧化。

锑、铋、硫、碲、硒这些元素属于额外的添加元素，这些元素在铜中固溶度极小，室温下基本不溶于铜，它们以金属化合物形式存在，分布于晶界，对铜的的导电、导热影响不大，但是都严重的恶化了铜及合金的塑性加工性能，应该严格控制其含量，一般这些元素的含量都不超过0.005%；由于含有这些元素的铜，具有良好的切削性能，在工程技术界也有应用，比如铋钼，可以作为真空开关中断路器的触头，在断路时，防止开关触头的沾结，；碲铜合金，可作为高导电、易切削无氧铜使用，能够加工成精密的电子原器件；作为特殊用途的铜合金，可以加入这些元素，但其加工工艺是特殊的，可采用包套挤压、冷挤、铸造、粉末冶金等方法来进行。

以上所述使本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强度高弹性的锡青铜合金，它含有如下重量百分数的化学成分： Mn 0.5%~7%，Sn3.0～14.0%，Zn 0.1～2%，Ni 0.05～0.5%，Fe 0.01～0.05%，P 0.3～0.5%，RE 0.001～0.02%，B 0.01～0.05%，其余为As和Cu。

2.根据权利要求1所述的高强度高弹性的锡青铜合金，其特征在于：所述As的含量为6.8%~7%。

3.根据权利要求1所述的高强度高弹性的锡青铜合金，其特征在于：所述B的含量为0.01～0.04%。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的高强度高弹性的锡青铜合金，其特征在于：还包括了Al 0.5%~5%。

5.一种用于制备如权利要求1所述高强度高弹性的锡青铜合金的

固溶工艺，包括了如下步骤：

5）、在380℃以上向锡青铜铸锭中加入铅形成共晶组织。

6.根据权利要求5所述的固溶工艺，其特征在于：在步骤6)中，还可以向锡青铜铸锭中加入锑、铋、硫、碲、硒这些金属化合物。

7.根据权利要求6所述的固溶工艺，其特征在于：锑、铋、硫、碲、硒这些金属化合物是通过粉末冶金的方法加入锡青铜铸锭中。

8.根据权利要求5所述的固溶工艺，其特征在于：所述锡青铜合金的晶粒度为20μm～30μm，抗拉强度在650MPa以上，延伸率在30％以上。