CN1092817A - 高强度耐磨多元黄铜合金及其热处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐磨多元黄铜合金及其热处理工艺， 涉及到铜基合金，特别是关于铜、锌、铝、锰、硅、铁、 锡、铈组成的高强度耐磨多元黄铜，及有关它的热处 理工艺。本项发明具有良好的综合力学性能和耐磨 损性能以及加工工艺性能，用它可以替代锡青铜、铝 青铜和其它耐磨黄铜。

Description

本发明涉及铜基合金，特别关于铜、锌、铝、锰、硅、铁、锡、铈组成的高强度耐磨多元黄铜合金，以及它的热处理工艺。

目前工业界常用的铜基耐磨合金主要是锡青铜和铝青铜。这两种材料成本较高，价格较贵，且在某些应用条件下，性能也不够理想。西方自六、七年代起就开始研究耐磨黄铜。英国专利局于1973年2月14日公布了日本丰田公司关于高温耐磨黄铜的专利，专利号：1306484，合金的成分为Cu：18～25%，Zn：5～12%，Al：1～8%，Mn：0.3～2%，Si：这个合金中铝含量过高，合金的室温塑性和韧性都很低。八十年代初，日本专利局先后公布了2个有关耐磨黄铜的专利：①耐磨耗性铜合金，专利号：特开昭56-127741，合金成分为Cu：54～66%，Al：1～5%，Mn：1～5%，Si：0.2～1.5%，Ni：0.5～4%，Fe：0.1～2%，Sn：0.2～2%，余量为Zn。②耐磨耗性铜合金，专利号：特开昭56-133443，合金成分为Cu：54～60%，Al：1～5%，Mn：1～5%，Si：0.2～1.5%，Ni：0.5～4%，Fe：0.1～2%，Sn：0.2～2%，余量为Zn。近年来在中国有一项有关耐磨黄铜的专利：多元耐磨铜合金，专利号：891052127，公开日：1990年8月日，合金成分为Cu：50～70%，Zn：15～35%，Al：2～8%，Si：1～4%，Mn：4～15%，Sb：2～6%，Co：0.3～0.5%，Be：0.2～1%，Re：0.05～0.2%，这种合金主要用于轧机万向接轴月牙垫和提升螺母。

上述几项发明的黄铜虽然均具有较好的耐磨损性能，但这些黄铜都存在三方面的不足：

（1）综合力学性能不够理想，特别是塑性较低。表1中列出了上述专利中几种黄铜的成分和拉伸力学性能指标，从表1可见，列出的几种黄铜虽然强度较高，但塑性都很差，延伸率δ≤6%。

表1以往专利中的几种黄铜的成分和力学性能

（2）成分配方中，一般都偏Ni或Co等价格昂贵的元素，这样提高材料的成本，从而限制了它的应用。

（3）上述几项专利没有利用合理的热处理工艺来调整合金内部的相组成，分布和粒度，因而未能充分发挥材料固有的性能水平。

本发明针对上述专利尚存在着的问题，给出一种高强度耐磨多元黄铜合金，并提出了它的热处理方案，使它可作为高速运行的齿环、套筒轴瓦等磨损零件的理想材料。

本项发明的成分如下：

Cu  59～67wt%

Al  2～4wt%

Mn  1.5～4.5wt%

Si  0.5～2wt%

Fe  0.5～2wt%

Sn  ＜0.5wt%

Ce  ＜0.2wt%

Zn  余量

配方中除Cu和Zn两种基本元素外，Al的作用是固溶强化和调整α/β相对百分数，Mn、Fe和Si的作用是形成Mn₅Si₃和Fe₃Si弥散相颗粒，这两种金属间化合物颗粒具有极高的显微硬度（HV500～700），它们均分布于基体上形成理想的耐磨组织。微量Sn加入是为了提高磨损跑合阶段的耐磨性能;而微量Ce的作用是细化基体的晶粒。

本项发明可用如下工艺制备：

1.用中频感应炉在一般大气气氛中进行合金的熔炼。

2.对大炉量的合金熔炼，可以用半连续铸造工艺，铸造方式为敞流铸造，铜液先经过中间包，然后从浇注漏斗进入结晶器。

3.铸锭可以用热轧工艺时，初轧温度为780℃，终轧温度为700℃;采用热挤压工艺时，热挤压温度为620～670℃。由于这种高强度的耐磨多元黄铜的热塑性好，因而热形变加工成品率高。

4.为了充分发挥材料的耐磨损性能，在使用本项发明的高强度耐磨多元黄铜制成各种耐磨零件后，对零件进行热处理。具体处理工艺为：将工件加热至700℃，保温半小时，水淬火。随后，再将工件加热至250～350℃，回火处理0.5～1小时。热处理的作用是调整合金显微组织中α相和β相的相对百分数和Mn₅Si₃及Fe₃Si颗粒的粒度、密度和分布。当α相的体积百分数为5～15%，Mn₅Si₃和Fe₃Si的颗粒细而致密，且均匀分布在晶内时，合金具有最佳的耐磨损性能。

本项发明的高强度耐磨黄铜具有良好的综合力学性能和耐磨损性能以及加工工艺性能，用它可以代替锡青铜、铝青铜和其它耐磨黄铜，从而提高零件寿命，降低成本。

本项发明是在系统研究耐磨黄铜的各种合金元素的作用及其对合金组织与性能影响规律的基础上形成的。和已有的相关技术相比，本项发明的特点是：

1.所加合金元素种类少，相对百分量低，除铜和锌这两个基本元素外，合金元素的加入量在7～9wt%之间。

2.本项发明的合金中并没有加入Ni、Cr、Co、Ti等成本昂贵的元素，而是以Al、Mn、Fe和Si为主要原材料（除Cu和Zn外），因而成本低。

3.本项发明的合金具有优良的力学性能和耐磨损性能，其主要的力学性能指标为：

抗拉强度 σ_b≥680Mpa

屈服强度 σ_0.2≥405Mpa

延伸率  δ≥18%

硬度  HV≥245

在M200磨损试验机上对本项发明的合金和其它类型的铜基耐磨合金（耐磨锡青铜和铝青铜）以及其他成分的耐磨黄铜对比试验表明，本项发明的高强度耐磨黄铜合金具有最佳的耐磨损性能。

4.本项发明的高强度耐磨黄铜具有良好的加工工艺性能，包括铸造工艺性能、热轧、热锻和热挤压工艺性能和切削加工性能，因而工艺成本低，成品率高，易于批量生产和普遍推广。

附图说明：

图1本项发明合金的铸态组织，其中基体是β相，枝状颗粒是Fe₃Si，等轴形颗粒是Mn₅Si。

图2本项发明合金经热挤压成形后，管材试样的金相组织，图中亮衬度是α相，基体是β相，颗粒相为Mn₅Si₃和Fe₃Si。

图3在M200磨损试验机上所测的合金的磨损量与磨损载荷关系曲线。图中合金1为中国第一汽车制造厂用于汽车同步环的耐磨黄铜;合金2为中国南京汽车制造厂用于汽车同步环的耐磨黄铜;合金3为本次发明的高强度耐磨黄铜（其成分为Cu：62%，Al：32%，Mn：3%，Si：1%，Fe：1%，Sn：0.2%，Ce：0.015%，Zn：余量），试验条件为：摩擦付用GCr15钢，油润滑磨损，转速40转/分，试验时间为1小时。

图4合金在10kg载荷下，磨损量和跑合里程的关系曲线。图中各合金和试验条件与图3相同。

图5合金在40kg载荷下，磨损量和跑合里程的关系曲线。图中各合金和试验条件同于图3和图4。

从图3～图5可见，本项发明的合金比所列其它两种耐磨黄铜具有更好的耐磨性能。

实施例1：用本项发明的高强度耐磨多元黄铜合金加工成TJ132系列汽车变速器同步环，其组成成分为：

Cu：63wt%  Al：3.5wt%

Mn：3.2wt%  Si：0.8wt%

Fe：0.7wt%  Sn：0.1wt%

Ce：0.01wt%  Zn：余量

将这个组分的成形零件再采用热处理工艺进行处理（即加热至700℃，保温0.5小时，水淬火，然后在250℃回火1小时）。该零件原来用铝青铜为材料，台架换档试验寿命为7～8万次，后改用复杂黄铜H62-3-3-0.7，台架换挡试验寿命为11万次。采用本项发明的材料后，换档寿命40万次。比原来寿命提高3～4倍。

实施例2：用本项发明的高强度耐磨黄铜合金加工成4T17系列变速器同步器锥环，其组成成分为：

Cu：61wt%  Al：3wt%

Mn：2.8wt%  Si：1wt%

Fe：0.9wt%  Sn：0.2wt%

Ce：0.01wt%  Zn：余量

将这个组分的成形零件再采用热处理工艺进行处理（即加热至700℃，保温0.5小时，水淬火，然后在250℃回火1小时）。使得，零件的台架换档寿命达30万次未失效，比用原来的材料（铝青铜）的寿命提高了4倍，达到国际上名牌车型变速箱同步器锥环的寿命指标。

Claims (2)

1、一种高强度耐磨多元黄铜合金及其热处理工艺，合金的组成成分为(wt%)：Cu  59～67wt%

     Al  2～4wt%

     Mn  1.5～4.5wt%

     Si  0.5～2wt%

     Fe  0.5～2wt%

     Sn  ＜0.5wt%

     Ce  ＜0.2wt%

     Zn  余量

2、根据权利要求1所述的高强度耐磨多元黄铜合金及其热处理工艺，其特征在于合金的热处理工艺和参数为：将材料或工件加热至700℃，保温0.5小时后，水淬火，再将材料或工件加热至250℃～350℃，回火处理0.5～1小时。

Images