CN108165787A - 一种高强度锡青铜及其制造方法 - Google Patents

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祝云霞
连超燕
杨月红
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Abstract

本发明公开了一种高强度锡青铜及其制造方法，该高强度锡青铜以熔炼QSn8‑2‑3的原材料为原料，其内含有占2×10‑8%‑5×10‑8%质量比的氢，并具有20%‑25%轴向拉伸伸长比例、240°‑250°旋转角度的冷作硬化流线。本发明的高强度锡青铜经济性好、强度高、致密性好、纯净度高。

Description

一种高强度锡青铜及其制造方法
技术领域
本发明涉及铜材冶炼加工领域，尤其涉及一种高强度锡青铜及其制造方法。
背景技术
锡青铜，是以锡为主要合金元素的青铜。除了含有3%～12%锡，此外还常常加入磷、锌、铅等元素。是人类应用最早的合金，至今已有约4000年的使用历史。它耐蚀、耐磨，有较好的力学性能和工艺性能，并能很好地焊接和钎焊，冲击时不产生火花。
锡青铜耐蚀、耐磨，有较好的力学性能和工艺性能，并能很好地焊接和钎焊，冲击时不产生火花，是铸造收缩率最小的有色金属合金，可用来生产形状复杂、轮廓清晰、气密性要求不高的铸件，但其强度较低（一般常态锡青铜70HB-100HB，拉制棒或轧制带最高也才仅150HB-170HB）。
因此，市面上急需一种经济性好、强度高、致密性好、纯净度高的高强度锡青铜及其制造方法。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种经济性好、强度高、致密性好、纯净度高的高强度锡青铜及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高强度锡青铜的制造方法，包括以下步骤：
1）生产前准备
①原料准备：准备QSn8-2-3的原材料，足量氢气；
②设备及工装准备：准备内置有气道和石墨搅拌装置的真空电渣重溶设备、保护气氛炉、机械旋转拉伸装置；
2）原材料冶炼
①将阶段1）步骤①准备的QSn8-2-3的原材料放入阶段1）步骤②准备的真空电渣重溶设备中，抽真空至真空度1×10-4-1×10-5，然后升温至QSn8-2-3的原材料全部熔化，获得熔池；
②开启石墨搅拌装置，并以50rpm-80rpm的速率搅拌步骤①获得的熔池；
③通过气道缓慢通入阶段1）步骤①准备的氢气，至真空度1×10-3-3×10-3；
④持续5min-6min后获得氢致硬化熔池；
⑤将步骤④获得的氢致硬化熔池浇铸成锭并加工成铜棒，即完成原材料冶炼，获得待处理铜棒；
⑥采用保护气氛炉将待处理铜棒加热至650℃-670℃，然后立即采用阶段1）步骤②准备的机械旋转拉伸装置将铜棒以2%/min -2.5%/min的拉伸速率、20%-25%的总拉伸率、24°/min -25°/min 的旋转速率、240°-250°的总旋转角度进行拉伸旋转，冷却后即获得高强度锡青铜。
采用上述方法制造的高强度锡青铜，以熔炼QSn8-2-3的原材料为原料，其内含有占2×10-8%-5×10-8%质量比的氢，并具有20%-25%轴向拉伸伸长比例、240°-250°旋转角度的冷作硬化流线。
与现技术比较，本发明由于采用了上述方案，具有以下优点：（1）不同于现有技术主要通过添加铅改善锡青铜的机械性能和硬度，本发明通过将简单锡青铜进行轻微的氢致硬化改性及变形硬化复合处理后获得更好的本质硬度及交联位错的亚结构（一般QSn8-2-3硬度不超过100HB，冷轧后也不超过170HB，但本发明经过轻微氢致硬化和机械拉伸旋转复合处理后可获得硬度约400HB-450HB的材料，当然材料的脆性和延伸率也相对降低）。根据实践，本发明在氢致硬化后硬度上升为约160HB，再经单纯拉伸20%-25%后（由于氢致硬化的原因，延伸率由55%下降至38%-40%）上升至270HB-290HB，再经240°-250°旋转角度旋转后最终硬度400HB-420HB。（2）本发明完全是通过材料本质改性获得基体的高硬度来改善耐磨性和机械硬度，首先整体一致性好，不会出现不均匀的情况（机械加工过程中，材料不均匀会导致震刀或让刀），同时还可以与其它化学改性方式结合使用。（当然由于物理变形已较高，不再适用其它冷作硬化方式），应用范围广，市场前景好。（3）直接采用熔炼现有常用材料锡青铜QSn8-2-3的原材料为原材料，材料成本低，由于整个工艺过程中没有使用任何影响环保的材料及工艺（只采用了氢气改性和物理改理，没有添加任何化学改性物质和手段），因此本发明环保无公害，更适宜于当今世界对环保的要求，利于可持续发展，不会受到环保指标对工业生产的制约。（4）本发明通过精细的工艺控制（所有工艺范围均控制在较小的范围内）达到所需的2×10-8%-5×10-8%质量比的氢致硬化浓度，这是申请人在实践中获得的硬化程度和机械性能最佳结合的峰值点，其中最核心的工艺参数（50rpm-80rpm的速率搅拌、通入氢气后真空度1×10-3-3×10-3、拉伸旋转处理前加热温度650℃-670℃然后立即进行拉伸旋转）严格保证了氢的最终浓度，也是使本发明不会容易氢脆断裂的核心参数（大量研究资料证明，铜内氢浓度达到1×10-6%后即易发生氢脆），是经过艰难摸索而获得的。（5）设置20%-25%轴向拉伸伸长比例、240°-250°旋转角度，是在综合考虑氢致硬化后本发明的剩余延伸率及使用过程中保证综合机械性能和使用性能的基础延伸率基础上最终验证出来的工艺参数，使本发明在使用中能保证15%的延伸率基本需求及高强度的根本需要。
具体实施方式
实施例1：
一种高强度锡青铜，以熔炼QSn8-2-3的原材料为原料，其内含有占2×10-8%质量比的氢，并具有20%轴向拉伸伸长比例、240°旋转角度的冷作硬化流线。
上述高强度锡青铜的制造方法，包括以下步骤：
1）生产前准备
①原料准备：准备QSn8-2-3的原材料，足量氢气；
②设备及工装准备：准备内置有气道和石墨搅拌装置的真空电渣重溶设备、保护气氛炉、机械旋转拉伸装置；
2）原材料冶炼
①将阶段1）步骤①准备的QSn8-2-3的原材料放入阶段1）步骤②准备的真空电渣重溶设备中，抽真空至真空度1×10-4，然后升温至QSn8-2-3的原材料全部熔化，获得熔池；
②开启石墨搅拌装置，并以50rpm的速率搅拌步骤①获得的熔池；
③通过气道缓慢通入阶段1）步骤①准备的氢气，至真空度3×10-3；
④持续5min后获得氢致硬化熔池；
⑤将步骤④获得的氢致硬化熔池浇铸成锭并加工成铜棒，即完成原材料冶炼，获得待处理铜棒；
⑥采用保护气氛炉将待处理铜棒加热至650℃，然后立即采用阶段1）步骤②准备的机械旋转拉伸装置将铜棒以2%/min的拉伸速率、20%的总拉伸率、24°/min的旋转速率、240°的总旋转角度进行拉伸旋转，冷却后即获得高强度锡青铜。
根据本实施例生产的高强度锡青铜，硬度400HB，抗拉强度1400MPa，延伸率18%。
实施例2：
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种高强度锡青铜，以熔炼QSn8-2-3的原材料为原料，其内含有占5×10-8%质量比的氢，并具有25%轴向拉伸伸长比例、250°旋转角度的冷作硬化流线。
上述高强度锡青铜的制造方法，包括以下步骤：
2）原材料冶炼
①将阶段1）步骤①准备的QSn8-2-3的原材料放入阶段1）步骤②准备的真空电渣重溶设备中，抽真空至真空度1×10-5，然后升温至QSn8-2-3的原材料全部熔化，获得熔池；
②开启石墨搅拌装置，并以80rpm的速率搅拌步骤①获得的熔池；
③通过气道缓慢通入阶段1）步骤①准备的氢气，至真空度1×10-3；
④持续6min后获得氢致硬化熔池；
⑥采用保护气氛炉将待处理铜棒加热至670℃，然后立即采用阶段1）步骤②准备的机械旋转拉伸装置将铜棒以2.5%/min的拉伸速率、25%的总拉伸率、25°/min 的旋转速率、250°的总旋转角度进行拉伸旋转，冷却后即获得高强度锡青铜。
根据本实施例生产的高强度锡青铜，硬度420HB，抗拉强度1500MPa，延伸率15%。
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种高强度锡青铜的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1）生产前准备
①原料准备：准备QSn8-2-3的原材料，足量氢气；
②设备及工装准备：准备内置有气道和石墨搅拌装置的真空电渣重溶设备、保护气氛炉、机械旋转拉伸装置；
2）原材料冶炼
①将阶段1）步骤①准备的QSn8-2-3的原材料放入阶段1）步骤②准备的真空电渣重溶设备中，抽真空至真空度1×10-4-1×10-5，然后升温至QSn8-2-3的原材料全部熔化，获得熔池；
②开启石墨搅拌装置，并以50rpm-80rpm的速率搅拌步骤①获得的熔池；
③通过气道缓慢通入阶段1）步骤①准备的氢气，至真空度1×10-3-3×10-3；
④持续5min-6min后获得氢致硬化熔池；
⑤将步骤④获得的氢致硬化熔池浇铸成锭并加工成铜棒，即完成原材料冶炼，获得待处理铜棒；
⑥采用保护气氛炉将待处理铜棒加热至650℃-670℃，然后立即采用阶段1）步骤②准备的机械旋转拉伸装置将铜棒以2%/min -2.5%/min的拉伸速率、20%-25%的总拉伸率、24°/min -25°/min 的旋转速率、240°-250°的总旋转角度进行拉伸旋转，冷却后即获得高强度锡青铜。
2.一种采用权利要求1所述方法制造的高强度锡青铜，其特征在于：该高强度锡青铜以熔炼QSn8-2-3的原材料为原料，其内含有占2×10-8%-5×10-8%质量比的氢，并具有20%-25%轴向拉伸伸长比例、240°-250°旋转角度的冷作硬化流线。
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