CN108677058A - 一种耐磨齿轮用铜基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨齿轮用铜基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨齿轮用铜基复合材料及其制备方法，由如下重量百分数的组分组成：碳化钛：2‑3％，锑：1‑2.5％，锡：7‑9％，锌：10‑12％，镍：0.5‑1.5％，铋：2‑3.5％，镧：0.02‑0.05％，铈：0.015‑0.0375％，余量为铜。将碳化钛材料通过本发明的制备方法均匀分布在铜、锑、锡、锌、镍、铋合金溶液当中，利用碳化钛高硬度的性能，实现合金材料的性能的进一步提升。本发明所得到的复合合金新材料具有更高的强度﹑硬度，从而满足材料在各种机械零部件中应用的要求。

Description

一种耐磨齿轮用铜基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料领域，特别涉及一种耐磨齿轮用铜基复合材料及其制备方法。
背景技术
碳化钛(TiC)，熔点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好，不水解，高温抗氧化性好。高纯度的碳化钛粉末是一种由TiO2与炭黑在通氢气的碳管炉或调频真空炉内于1600℃--1800℃高温下反应制得的一种原材料。由于碳化钛硬度大，具有良好的力学性能，因此它是硬质合金生产的重要原料，可用于制造耐磨材料、切削刀具材料、机械零件等，还可制作熔炼锡、铅、镉、锌等金属的坩埚。
锡青铜是铸造收缩率最小的有色金属合金，用来生产形状复杂、轮廓清晰、气密性要求不高的铸件，锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中十分耐蚀，广泛应用于各类耐磨轴瓦、轴套、法兰及齿轮等方面，尤其用于高速铁路装备。另外，随着我国机械工业的迅速发展发展，机械制造需要大批量高性能的合金或者复合材料，而可铸造性能优越的锡青铜将是必要的选择，但是其性能只有进一步提到才能满足相应的要求。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种耐磨齿轮用铜基复合材料，由如下重量百分数的组分组成：碳化钛：2-3％，锑：1-2.5％，锡：7-9％，锌：10-12％，镍：0.5-1.5％，铋：2-3.5％，镧：0.02-0.05％，铈：0.015-0.0375％，余量为铜。
进一步地，碳化钛：2.3％，锑：1.5％，锡：7.5％，锌：10.5％，镍：0.75％，铋：2.3％，镧：0.03％，铈：0.02％，余量为铜。
进一步地，碳化钛：2.5％，锑：1.8％，锡：8％，锌：11％，镍：1％，铋：2.6％，镧：0.035％，铈：0.025％，余量为铜。
进一步地，碳化钛：2.8％，锑：2％，锡：8.5％，锌：11.5％，镍：1.25％，铋：3％，镧：0.04％，铈：0.03％，余量为铜。
进一步地，碳化钛的纯度大于99.5％。
根据本发明的一种耐磨齿轮用铜基复合材料，，包括以下步骤：
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于中频电炉内，加热至1150-1200℃，熔炼时间为2-2.5小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，而后添加镧和铈并搅拌；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
进一步地，步骤1)中熔化后的合金保温温度为1000℃，保温静置时间为20-25min。
进一步地，步骤2)中添加碳化钛后，搅拌装置以300r/min的速度搅拌10-15min；而后添加镧和铈，搅拌装置以50r/min的速度搅拌3-5min。
进一步地，步骤2)中还包括，将搅拌完成的溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为3-5cm。
进一步地，热处理温度为250-300℃，时间为1-1.5小时。
本发明取得的有益效果：
将碳化钛(TiC)材料通过本发明的制备方法均匀分布在铜、锑、锡、锌、镍、铋合金溶液当中，利用碳化钛高硬度的性能，实现合金材料的性能的进一步提升。本发明所得到的复合合金新材料具有更高的强度﹑硬度，从而满足材料在各种机械零部件中应用的要求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。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。
实施例一
按照重量百分比为碳化钛：2％，锑：1％，锡：7％，锌：10％，镍：1.5％，铋：2％，镧：0.02％，铈：0.015％，余量为铜，称取这些原料。
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于500公斤中频电炉内，加热至1150℃，熔炼时间为2小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；保温温度为1000℃，保温静置时间为20min；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，以300r/min的速度搅拌10min；而后添加镧和铈并搅拌，搅拌装置以50r/min的速度搅拌3min；而后在溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为3cm；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理，热处理温度为250℃，时间为1小时；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
按照本发明的方法所制备得到的铜基复合材料与传统锡青铜的性能对比如下表：
表1
实施例二
按照重量百分比为碳化钛：2.3％，锑：1.5％，锡：7.5％，锌：10.5％，镍：0.75％，铋：2.3％，镧：0.03％，铈：0.02％，余量为铜，称取这些原料。
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于500公斤中频电炉内，加热至1160℃，熔炼时间为2.1小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；保温温度为1000℃，保温静置时间为21min；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，以300r/min的速度搅拌11min；而后添加镧和铈并搅拌，搅拌装置以50r/min的速度搅拌3min；而后在溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为3cm；用于放置溶液出现氧化现象；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理，热处理温度为260℃，时间为1小时；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
按照本发明的方法所制备得到的铜基复合材料与传统锡青铜的性能对比如下表：
表2
实施例三
按照重量百分比为碳化钛：2.5％，锑：1.8％，锡：8％，锌：11％，镍： 1％，铋：2.6％，镧：0.035％，铈：0.025％，余量为铜，称取这些原料。
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于500公斤中频电炉内，加热至1170℃，熔炼时间为2.2小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；保温温度为1000℃，保温静置时间为22min；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，以300r/min的速度搅拌12min；而后添加镧和铈并搅拌，搅拌装置以50r/min的速度搅拌4min；而后在溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为4cm；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理，热处理温度为270℃，时间为1.2小时；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
按照本发明的方法所制备得到的铜基复合材料与传统锡青铜的性能对比如下表：
表3
实施例四
按照重量百分比为碳化钛：2.8％，锑：2％，锡：8.5％，锌：11.5％，镍：1.2％，铋：3％，镧：0.04％，铈：0.03％，余量为铜，称取这些原料。
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于500公斤中频电炉内，加热至1180℃，熔炼时间为2.5小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；保温温度为1000℃，保温静置时间为24min；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，以300r/min的速度搅拌14min；而后添加镧和铈并搅拌，搅拌装置以50r/min的速度搅拌5min；而后在溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为5cm；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理，热处理温度为290℃，时间为1.5小时；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
按照本发明的方法所制备得到的铜基复合材料与传统锡青铜的性能对比如下表：
表4
实施例五
按照重量百分比为碳化钛：3％，锑：2.5％，锡：9％，锌：12％，镍： 1.5％，铋：3.5％，镧：0.05％，铈：0.0375％，余量为铜，称取这些原料。
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于500公斤中频电炉内，加热至1200℃，熔炼时间为2.5小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；保温温度为1000℃，保温静置时间为25min；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，以300r/min的速度搅拌15min；而后添加镧和铈并搅拌，搅拌装置以50r/min的速度搅拌5min；而后在溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为5cm；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10 次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理，热处理温度为300℃，时间为1.5小时；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
按照本发明的方法所制备得到的铜基复合材料与传统锡青铜的性能对比如下表：
表5
由上表可知，按照本发明公开的成分配比及方法所制得的铜基复合材料，具有更高的强度﹑硬度，从而满足材料在各种机械零部件中应用的要求。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种耐磨齿轮用铜基复合材料，其特征在于，由如下重量百分数的组分组成：碳化钛：2-3％，锑：1-2.5％，锡：7-9％，锌：10-12％，镍：0.5-1.5％，铋：2-3.5％，镧：0.02-0.05％，铈：0.015-0.0375％，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料，其特征在于，碳化钛：2.3％，锑：1.5％，锡：7.5％，锌：10.5％，镍：0.75％，铋：2.3％，镧：0.03％，铈：0.02％，余量为铜。
3.根据权利要求1所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料，其特征在于，碳化钛：2.5％，锑：1.8％，锡：8％，锌：11％，镍：1％，铋：2.6％，镧：0.035％，铈：0.025％，余量为铜。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料，其特征在于，碳化钛：2.8％，锑：2％，锡：8.5％，锌：11.5％，镍：1.25％，铋：3％，镧：0.04％，铈：0.03％，余量为铜。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料，其特征在于，碳化钛的纯度大于99.5％。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照配比将电解铜﹑锡﹑锑、锌、镍、铋置于中频电炉内，加热至1150-1200℃，熔炼时间为2-2.5小时；同时用耐高温石墨棒将完全熔化的合金液体充分搅拌，合金完全熔化后进行保温；
2)将筛选完成后的碳化钛添加到保温完成的合金溶液表面，并开启搅拌装置进行搅拌，而后添加镧和铈并搅拌；
3)搅拌完成后进行保温，保温时间10-15分钟后，取样品采用光谱与化学分析方法，对材料成分进行检测，确定在设定范围之内；
4)重新升温至1200℃，并开启中频电炉的振动装置，振动频率为10次/秒；采用连续铸造的方式将复合材料溶液铸造毛坯圆锭；
5)将毛坯圆锭放置箱式退火炉中进行热处理；
6)待退火完成的合金棒自然冷却后，采用高精度车床进行表面处理，完成后，包装并入库。
7.根据权利要求6所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中熔化后的合金保温温度为1000℃，保温静置时间为20-25min。
8.根据权利要求6所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中添加碳化钛后，搅拌装置以300r/min的速度搅拌10-15min；而后添加镧和铈，搅拌装置以50r/min的速度搅拌3-5min。
9.根据权利要求6所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中还包括，将搅拌完成的溶液上面覆盖高纯石墨，厚度为3-5cm。
10.根据权利要求6所述的一种耐磨齿轮用铜基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)中的热处理温度为250-300℃，时间为1-1.5小时。
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