CN108677059B

CN108677059B - Cu-15Ni-8Sn铜合金、铜合金棒及其制备方法

Info

Publication number: CN108677059B
Application number: CN201810522101.3A
Authority: CN
Inventors: 张县委; 姜业欣; 张西军; 李学帅; 孙克斌; 田原晨; 田英明
Original assignee: CNMC Albetter Albronze Co Ltd
Current assignee: Zhongse Zhengrui Shandong Copper Industry Co ltd
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-05-28
Also published as: CN108677059A

Abstract

本申请提供了一种Cu‑15Ni‑8Sn铜合金，包括以下质量百分数的组分：14％～16％的Ni，7.0％～8.5％的Sn，0.1％～0.5％的Si，0.8％～1.5％的Al，0.05％～0.2％的Mg，0.05％～0.2％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质；本申请还提供了一种基于上述组分配方的铜合金棒及其制备方法；本申请对铜合金棒进行了成分强化与工艺强化，成分强化结合工艺强化实现了强强联合，从而优化了铜合金棒的包括强度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能在内的综合性能，能够满足高负载、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦等零部件对所用铜合金材料性能的要求。

Description

Cu-15Ni-8Sn铜合金、铜合金棒及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金材料技术领域，尤其是涉及一种Cu-15Ni-8Sn铜合金、铜合金棒及其制备方法。

背景技术

目前，航天航空、石油钻井平台、重型装备等高负载、高温、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦等零部件通常使用铜合金材料。

铜镍锡合金(如Cu-15Ni-8Sn和Cu-9Ni-6Sn)是一种既具有高强度又具有优良耐磨性以及耐蚀性能的高端铜合金材料，特别是Cu-15Ni-8Sn合金的强度最高可达1100MPa以上，与高强钢和铍青铜相当，在海水或酸性、油气环境下的耐蚀性能以及高负载条件下的耐磨性能均优于铍青铜、铝青铜。

Cu-15Ni-8Sn合金属于时效调幅分解(Spinodal)强化型铜合金，合金时效强化效果主要在于冷加工后时效过程中析出强化粒子，起到钉扎位错并阻碍其运动的作用，从而达到合金强化目的，使合金获得高的硬度、强度和优良的耐磨性能等综合性能。

因此，如何优化Cu-15Ni-8Sn铜合金的包括强度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能在内的综合性能，以满足航天航空、石油钻井平台、重型装备等高负载、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦等零部件对所用铜合金材料性能的要求是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种Cu-15Ni-8Sn铜合金。本发明的另外一个目的是提供一种铜合金棒。本发明的另外一个目的是提供一种铜合金棒的制备方法。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种Cu-15Ni-8Sn铜合金，包括以下质量百分数的组分：14％～16％的Ni，7.0％～8.5％的Sn，0.1％～0.5％的Si，0.8％～1.5％的Al，0.05％～0.2％的Mg，0.05％～0.2％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质。

一种铜合金棒，所述铜合金棒由上述的Cu-15Ni-8Sn铜合金制成。

一种上述的铜合金棒的制备方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加木炭覆盖保护，然后加入剩余合金元素，待全部元素加入后升温搅拌，然后扒渣加木炭覆盖，然后静置升温至1280℃～1300℃，然后转炉，转炉后再次扒渣，然后煅烧木炭覆盖、测温以及调整温度，然后取样化验；

2)半连续铸造：半连铸过程中，起拉时熔体温度为1250℃～1280℃，正常铸造时熔体温度为1230℃～1250℃；

保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～600mm；

起拉速度为50mm/min～60mm/min，正常铸造速度为80mm/min～100mm/min，铸造完成后制得铜合金棒坯；

3)表面处理：将步骤2)制得的铜合金棒坯头尾锯掉50mm～100mm，然后再进行表面车削掉5mm～10mm；

4)热挤压：挤压前将挤压模具预热至400℃～450℃，石墨与机油混合润滑；

将步骤3)表面车削后的铜合金棒坯进行均匀化处理，均匀化处理的温度为800℃～850℃，均匀化处理的保温时间为8h～10h，然后进行热挤压，热挤压温度为800℃～830℃、热挤压速度为25mm/s，热挤压完成后制得挤压棒材；

5)一次冷拉拔加工：将步骤4)制得的挤压棒材进行一次冷拉拔加工，控制每道次变形量为10％～15％，总加工变形量＜50％；

6)退火：将步骤5)一次冷拉拔加工后的棒材进行退火处理，退火处理的温度为800℃～850℃，退火处理的时间为2h～4h；

7)二次冷拉拔加工：将步骤6)退火后的棒材进行二次冷拉拔加工，控制每道次变形量为10％～15％，根据目标性能要求控制总的加工变形量，总的加工变形量为40％～50％；

8)时效处理：通氢气气氛保护，升温速率为90℃/h，先在160℃～200℃下时效保温1h，然后在400℃～450℃下时效保温2h～4h，然后随炉缓慢冷却，完成后制得Cu-15Ni-8Sn铜合金棒。

本申请提供了一种Cu-15Ni-8Sn铜合金，包括以下质量百分数的组分：14％～16％的Ni，7.0％～8.5％的Sn，0.1％～0.5％的Si，0.8％～1.5％的Al，0.05％～0.2％的Mg，0.05％～0.2％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质；本申请还提供了一种基于上述组分配方的铜合金棒及其制备方法；本申请对Cu-15Ni-8Sn铜合金棒进行了成分强化与工艺强化，成分强化结合工艺强化实现了强强联合，从而优化了Cu-15Ni-8Sn铜合金棒的包括强度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能在内的综合性能，能够满足航天航空、石油钻井平台、重型装备等高负载、高速和高腐蚀环境下使用的轴承、轴套、轴瓦等零部件对所用铜合金材料性能的要求。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是进一步说明本发明的特征及优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本申请提供了一种Cu-15Ni-8Sn铜合金，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：14％～16％的Ni，7.0％～8.5％的Sn，0.1％～0.5％的Si，0.8％～1.5％的Al，0.05％～0.2％的Mg，0.05％～0.2％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质。

Cu-Ni-Sn系合金的最大难度在于Sn元素在熔炼铸造过程中存在反偏析，从而使合金铸锭成分不均匀、成分可控性差，导致性能均匀一致性差。Sn元素在合金凝固过程易产生锡含量外高内低的“反偏析”现象，即铸锭表层至中心层Sn含量逐渐降低，严重时铸锭表面可见灰白色析出物。Sn含量的“反偏析”以富Sn低熔点组分形式存在，该富Sn低熔点组分的结晶温度范围较宽，且凝固过程中合金元素扩散速度慢，因此易产生严重的枝晶偏析，同时在凝固过程中，体积收缩率和线收缩率均较小，枝晶间补缩困难，易形缩松；控制Sn含量的添加可显著提高材料的耐磨性能，时效过程析出强化相粒子，使材料极大提高合金强度和耐磨性能，因此，所述Sn元素的质量百分数为7.0％～8.5％，优选为8.0％～8.5％，更优选为8.3％～8.5％。

Si元素可减小Sn与Cu液态之间表面张力，减小水平连铸Sn的反偏析，同时可细化铸锭凝固时晶粒组织，后续通过时效析出的Ni₃Si能够抑制合金时效时晶界处不连续沉淀物的形核、长大，提高合金的使用温度；因此，所述Si元素的质量百分数为0.1％～0.5％，优选为0.1％～0.2％，更优选为0.1％～0.15％。

Al元素的添加，当元素含量0.8％～1.5％时，可细化晶粒组织，减小反偏析，使合金产生固溶强化效果，强度提高；当元素添加量＞1.5％，容易造成熔体的流动性差，因此，所述Al元素的质量百分数为0.8％～1.5％，优选为0.8％～1.0％，更优选为0.8％～0.9％。

Mg元素能固溶在铜合金基体中，能够有效阻碍位错的运动，提高合金的强度以及高温抗软化的性能；因此，所述Mg元素的质量百分数为0.05％～0.2％，优选为0.1％～0.2％，更优选为0.15％～0.2％。

Ce元素能够净化合金熔体，细化组态组织，改善合金冷热加工性能，提高电学性能和强度；因此，所述Ce元素的质量百分数为0.05％～0.2％，优选为0.1％～0.2％，更优选为0.15％～0.2％。

实际上，上述多种合金元素不是孤立起作用，其影响是相互的，其中任何一种组分的多少均对合金的性能带来变化。每种元素具有各自独立的作用，但此元素相互组合后，元素之间相互激发，相互促进，协同作用非常明显，使铜合金的加工性能、力学性能、高温抗软化性能及耐磨性能得到了显著提高。

本申请还提供了一种铜合金棒，所述铜合金棒由上述的Cu-15Ni-8Sn铜合金制成。

本申请还提供了一种上述的铜合金棒的制备方法，包括以下步骤：

保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～600mm；

目前，由于冷拉拔过程中铜合金棒的内外变形不均匀，存在很大的拉拔应力，传统的采用在400～450℃保温2-4h时效后，强化效果非常显著，但拉拔应力会通过传递集中释放，导致铜合金棒开裂。为此，本申请采用先在160～200℃下保温1h再在400～450℃保温2～4h的时效处理工艺，先利用铜合金棒在160～200℃时保温1小时，使得拉拔应力在200℃时缓慢释放，再继续将时效温度设定在合金强化温度400～450℃，保温2～4小时进行时效强化，有效解决了冷拉拔合金的时效开裂问题，同时时效后的合金含有大量弥散的纳米强化粒子，促使钉扎位错阻碍其运动，从而提高了合金的硬度、强度等性能指标，最终既解决了Cu-15Ni-8Sn合金棒材冷拉拔后时效开裂的问题，同时也提高了铜合金棒的包括强度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能在内的综合性能。

本发明对上述方法中未提及的处理设备及工艺参数没有限制，采用本技术领域内技术人员熟知的处理设备及工艺参数即可。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种Cu-15Ni-8Sn铜合金、铜合金棒及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

一种Cu-15Ni-8Sn铜合金，包括以下质量百分数的组分：15％的Ni，8％的Sn，0.12％的Si，0.82％的Al，0.18％的Mg，0.18％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质。

一种上述的Cu-15Ni-8Sn铜合金制成的铜合金棒的制备方法，包括以下步骤：

1)熔炼：首先在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加木炭覆盖保护，然后加入剩余合金元素，待全部元素加入后升温搅拌，然后扒渣加木炭覆盖，然后静置升温至1290℃，然后转炉，转炉后再次扒渣，然后煅烧木炭覆盖、测温以及调整温度，然后取样化验；

2)半连续铸造：半连铸过程中，起拉时熔体温度为1250℃，正常铸造时熔体温度为1230℃；

保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口550mm；

起拉速度为50mm/min，正常铸造速度为80mm/min，铸造完成后制得铜合金棒坯；

3)表面处理：将步骤2)制得的铜合金棒坯头尾锯掉50mm，然后再进行表面车削掉6mm；

4)热挤压：挤压前将挤压模具预热至400℃，石墨与机油混合润滑；

将步骤3)表面车削后的铜合金棒坯进行均匀化处理，均匀化处理的温度为820℃，均匀化处理的保温时间为8h，然后进行热挤压，热挤压温度为800℃、热挤压速度为25mm/s，热挤压完成后制得挤压棒材；

5)一次冷拉拔加工：将步骤4)制得的挤压棒材进行一次冷拉拔加工，控制每道次变形量为10％，总加工变形量＜50％；

6)退火：将步骤5)一次冷拉拔加工后的棒材进行退火处理，退火处理的温度为820℃，退火处理的时间为3h；

7)二次冷拉拔加工：将步骤6)退火后的棒材进行二次冷拉拔加工，控制每道次变形量为12％，根据目标性能要求控制总的加工变形量，总的加工变形量为40％；

8)时效处理：通氢气气氛保护，升温速率为90℃/h，先在180℃下时效保温1h，然后在420℃下时效保温3h，然后随炉缓慢冷却，完成后制得Cu-15Ni-8Sn铜合金棒。

按照行业内常规的试验方法对本实施例得到Cu-15Ni-8Sn铜合金棒进行性能检测，结果见表1。

实施例2

一种Cu-15Ni-8Sn铜合金，包括以下质量百分数的组分：15％的Ni，8％的Sn，0.11％的Si，0.81％的Al，0.19％的Mg，0.19％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质。

1)熔炼：首先在熔炼炉内依次加入铜、镍，熔化后加木炭覆盖保护，然后加入剩余合金元素，待全部元素加入后升温搅拌，然后扒渣加木炭覆盖，然后静置升温至1300℃，然后转炉，转炉后再次扒渣，然后煅烧木炭覆盖、测温以及调整温度，然后取样化验；

2)半连续铸造：半连铸过程中，起拉时熔体温度为1260℃，正常铸造时熔体温度为1240℃；

保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口550mm；

起拉速度为50mm/min，正常铸造速度为90mm/min，铸造完成后制得铜合金棒坯；

3)表面处理：将步骤2)制得的铜合金棒坯头尾锯掉70mm，然后再进行表面车削掉8mm；

4)热挤压：挤压前将挤压模具预热至420℃，石墨与机油混合润滑；

5)一次冷拉拔加工：将步骤4)制得的挤压棒材进行一次冷拉拔加工，控制每道次变形量为12％，总加工变形量＜50％；

6)退火：将步骤5)一次冷拉拔加工后的棒材进行退火处理，退火处理的温度为825℃，退火处理的时间为2.5h；

7)二次冷拉拔加工：将步骤6)退火后的棒材进行二次冷拉拔加工，控制每道次变形量为13％，根据目标性能要求控制总的加工变形量，总的加工变形量为43％；

8)时效处理：通氢气气氛保护，升温速率为90℃/h，先在185℃下时效保温1h，然后在425℃下时效保温2.5h，然后随炉缓慢冷却，完成后制得Cu-15Ni-8Sn铜合金棒。

表1实施例中的Cu-15Ni-8Sn铜合金棒的性能检测表

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文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范围。

Claims

1.一种铜合金棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

保温炉内熔体液位控制在上液面距离保温炉炉口500mm～600mm；

8)时效处理：通氢气气氛保护，升温速率为90℃/h，先在160℃～200℃下时效保温1h，然后在400℃～450℃下时效保温2h～4h，然后随炉缓慢冷却，完成后制得Cu-15Ni-8Sn铜合金棒；

所述铜合金棒包括以下质量百分数的组分：14％～16％的Ni，7.0％～8.5％的Sn，0.1％的Si，0.8％的Al，0.05％的Mg，0.2％的Ce，余量的Cu以及不可避免的杂质。