CN109536756A - 高强度耐磨无铅铜合金材料、制备方法及滑靴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐磨无铅铜合金材料、制备方法及液压元件的应用如滑靴，涉及铜合金制备的技术领域。由以下质量百分比的元素组成：Al 3.0～4.5％；Fe 0.5～1.3％；Si 0.5～1.5％；Ni 2.0～4.0％；Zn 26～30％；Co≤1.0％；余量为Cu。该制备方法包括：A、先在炉底加热部分屑料及精炼剂，加Cu、Cu‑Co‑Al三元合金、Al‑Fe‑Si‑Ni四元合金升温熔化；B、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂；C、炉料熔化完后，再加入Zn；D、升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣；E、采用立式半连铸进行循环水冷铸造，将铸锭切断至一定长度后挤压到所需的管材或棒材尺寸。一种滑靴采用制备方法制备得到的铜合金材料制成。本发明的铜合金材料具有较高的抗拉强度、良好的塑性和可靠硬度。

Description

高强度耐磨无铅铜合金材料、制备方法及滑靴
技术领域
本发明涉及铜合金制备的技术领域，具体是涉及一种高强度耐磨无铅铜合金材料、制备方法及液压元件应用如滑靴。
背景技术
多元复杂铜合金材料具有优异的综合性能，广泛用于机械、汽车等行业。随着这些行业对材料性能要求的不断提高，开发出具有良好的综合机械性能，如较高的抗拉强度，良好的塑性，可靠硬度，尤其是在高温下具备较好性能的材料成为当务之急。例如：液压泵或者液压马达的滑靴，滑靴材料一般采用铜合金，滑靴配合柱塞形成柱塞组件，在液压泵或者液压马达中实现吸油或者排油，滑靴具有球形凹槽，包裹柱塞的球头，液压泵或者液压马达工作时，柱塞的球头在滑靴内转动，对滑靴材料的耐磨性和强度都有较高的要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种高强度耐磨无铅铜合金材料、制备方法及液压元件的应用，该铜合金具有较高的抗拉强度、良好的塑性和可靠硬度。
本发明提供一种高强度耐磨无铅铜合金材料，由以下质量百分比的元素组成：
Al 3.0～4.5％；
Fe 0.5～1.3％；
Si 0.5～1.5％；
Ni 2.0～4.0％；
Zn 26～30％；
Co≤1.0％；
余量为Cu。
本发明实施例还提供一种基于上述高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，该方法包括如下步骤：
A、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化；
B、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂；
C、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn；
D、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣；
E、采用立式半连铸进行循环水冷铸造，将铸锭切断至一定长度后挤压到所需的管材或棒材尺寸。
在上述技术方案的基础上，步骤A中，所述Cu-Co-Al三元合金是由Cu、Co、Al熔化成含Al 4～7％、Co8～12％、Cu82～86％的三元中间合金。
在上述技术方案的基础上，步骤A中，所述Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al 43～48％、Fe7～12％、Si9～14％、和Ni32～35％的四元中间合金。
在上述技术方案的基础上，步骤C中，熔炼温度在1000～1050℃时，加入Zn。
在上述技术方案的基础上，步骤D具体步骤为：Zn完全熔化后，升温到1080-1120℃，沸腾2～3分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置3～5分钟后扒渣。
在上述技术方案的基础上，步骤E中，采用立式半连铸进行循环水冷铸造之前，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合所述铜合金材料的质量百分比，则视为合格。
在上述技术方案的基础上，步骤E包括如下步骤：
E1、温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为990～1230Kg/h；
E2、将铸锭切断至一定长度后，在670～780℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。
本发明实施例还提供液压元件如滑靴等，采用上述制备方法制备得到的铜合金材料制成。
与现有技术相比，本发明的铜合金基体材料的有效化学成分设计依据的理由如下：
Al：显著提高材料强度、抗拉强度、屈服强度，提高合金流动性和耐蚀性，降低Zn的烧损。
Fe：细化合金组织，可提高材料强度、硬度等性能，但同样会降低材料塑性，加入量应在不显著降低塑性的同时提高强度。
Ni：扩大α相区，会降低材料强度和硬度，含量需严格控制。
Si：可提高合金的强度、硬度、铸造流动性。
同时，本发明通过特殊的立式半连铸材料制备方法和挤压工艺优化，可达到材料的良好综合性能，并且实现材料无铅化，满足环保要求。
具体实施方式
本发明实施例提供一种高强度耐磨无铅铜合金材料，由以下质量百分比的元素组成：Al 3.0～4.5％；Fe 0.5～1.3％；Si 0.5～1.5％；Ni 2.0～4.0％；Zn 26～30％；Co≤1.0％；余量为Cu。
基于上述高强度耐磨无铅铜合金的质量百分比，本发明还提供一种高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：
A、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化。具体的，Cu-Co-Al三元合金是由Cu、Co、Al熔化成的含Al 4～7％、Co8～12％、Cu82～86％的三元中间合金，Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al43～48％、Fe 7～12％、Si 9～14％、和Ni 32～35％的四元中间合金。
B、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂。当本发明的制备方法在中频电炉制造时，加料时需准确预估炉量，预留250Kg左右炉量。屑料每次加入1桶(200KG)，同时加入精炼剂1KG。
C、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn。熔炼温度在1000～1050℃时，加入Zn，便于在低温下加入Zn。同时，预先将Zn放在炉口烘烤预热。其中，成型回炉料为铸锭或者挤压型材的工艺料头剩余材料。
D、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣。作为优选，具体的操作过程为：Zn完全熔化后，升温到1080-1120℃，沸腾2～3分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置3～5分钟后扒渣。
E、采用立式半连铸进行铸造，将铸锭切断至一定长度后挤压到所需的管材或棒材尺寸。此外，挤压成型后，可以进行矫直，并去应力退火，使其满足材料性能要求。
在采用立式半连铸进行铸造之前，还可以进一步取样，检测样品中各元素的含量，保证产品质量。当各元素的含量达到本发明的铜合金材料的质量百分比时，则合格；当各元素的含量达到本发明的铜合金材料的质量百分比时，则不合格，通过调加不合格元素达到满足合格标准为止。具体地，可以采用光谱取样分析的方法，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合铜合金材料的质量百分比，则视为合格。
作为优选，步骤E可以具体包括如下步骤：
E1、温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为990～1230Kg/h；
E2、将铸锭切断至一定长度后，在670～780℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。
本发明实施例还提供一种滑靴，采用上述制备方法制备得到的铜合金材料制成。该滑靴适用于安装在液压泵或者液压马达内。
下面通过三个实施例，具体说明本发明的铜合金材料地制备过程。
实施例1
在本实施例中，铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu 64.0％；Al3.31％；Fe 0.7％；Si 1.09％；Ni 3.0％；Zn 27.39％；Co 0.51％。
基于上述高强度耐磨无铅铜合金的质量百分比，该铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1)、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化。具体的，Cu-Co-Al三元合金是由Cu、Co、Al熔化成的含Al 5％、Co9％、Cu86％的三元中间合金，Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al 43％、Fe8％、Si 14％和Ni35％的四元中间合金。
2)、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂。当本发明的制备方法在中频电炉制造时，加料时需准确预估炉量，预留250Kg左右炉量。屑料每次加入1桶(200KG)，同时加入精炼剂1KG。
3)、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn。熔炼温度在1000℃时，加入Zn，便于在低温下加入Zn。同时，预先将Zn放在炉口烘烤预热。
4)、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣。作为优选，具体的操作过程为：Zn完全熔化后，升温到1080℃，沸腾2分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置3分钟后扒渣。
5)、采用光谱取样分析的方法，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合铜合金材料的质量百分比，则视为合格；若不合格，通过调加不合格元素达到满足合格标准为止；
6)温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为1080Kg/h；将铸锭切断至一定长度后，在680℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。然后，进行矫直，并去应力退火，使其满足材料性能要求。
实施例2
在本实施例中，铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu 63％；Al3.6％；Fe 1％；Si 0.81％；Ni 2.7％；Zn 28.19％；Co 0.7％。
基于上述高强度耐磨无铅铜合金的质量百分比，该铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1)、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化。具体的，Cu-Co-Al三元合金是由Cu、Co、Al熔化成的含Al 5％、Co9％、Cu86％的三元中间合金，Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al 45％、Fe11％、Si 11％和Ni33％的四元中间合金。
2)、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂。当本发明的制备方法在中频电炉制造时，加料时需准确预估炉量，预留250Kg左右炉量。屑料每次加入1桶(200KG)，同时加入精炼剂1KG。
3)、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn。熔炼温度在1025℃时，加入Zn，便于在低温下加入Zn。同时，预先将Zn放在炉口烘烤预热。
4)、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣。作为优选，具体的操作过程为：Zn完全熔化后，升温到1100℃，沸腾2.5分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置4分钟后扒渣。
5)、采用光谱取样分析的方法，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合铜合金材料的质量百分比，则视为合格；若不合格，通过调加不合格元素达到满足合格标准为止；
6)温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为1120Kg/h；将铸锭切断至一定长度后，在700℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。然后，进行矫直，并去应力退火，使其满足材料性能要求。
实施例3
在本实施例中，铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu 62％；Al3.9％；Fe 0.80％；Si 0.7％；Ni 2.6％；Zn 29.4％；Co 0.6％。
基于上述高强度耐磨无铅铜合金的质量百分比，该铜合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1)、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化。具体的，Cu-Co-Al三元合金是由的Cu、Co、Al熔化成的含Al 5％、Co9％、Cu86％的三元中间合金，Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al 49％、Fe10％、Si 9％和Ni32％的四元中间合金。
2)、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂。当本发明的制备方法在中频电炉制造时，加料时需准确预估炉量，预留250Kg左右炉量。屑料每次加入1桶(200KG)，同时加入精炼剂1KG。
3)、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn。熔炼温度在1050℃时，加入Zn，便于在低温下加入Zn。同时，预先将Zn放在炉口烘烤预热。
4)、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣。作为优选，具体的操作过程为：Zn完全熔化后，升温到1120℃，沸腾3分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置5分钟后扒渣。
5)、采用光谱取样分析的方法，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合铜合金材料的质量百分比，则视为合格；若不合格，通过调加不合格元素达到满足合格标准为止；
6)温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为1160Kg/h；将铸锭切断至一定长度后，在720℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。然后，进行矫直，并去应力退火，使其满足材料性能要求。
对实施例1、2、3制备得到的铜合金材料在GB/T230.1-2009，HRB1.5875/100试验条件下进行硬度测试，试验结果见表1。
表1
在GB/T 228B试验条件下，采用GB/T 228.1-2010试验方法进行力学性能试验，试验结果见表2。
表2
由表1和表2可知，本发明提供的铜合金材料硬度可达到HRB87～HRB98，抗拉强度可达到627MPa～668MPa，延伸率可达到15％～20％。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种高强度耐磨无铅铜合金材料，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：
Al 3.0～4.5％；
Fe 0.5～1.3％；
Si 0.5～1.5％；
Ni 2.0～4.0％；
Zn 26～30％；
Co≤1.0％；
余量为Cu。
2.一种如权利要求1所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、先在炉底加入屑料及精炼剂，然后加Cu、Cu-Co-Al三元合金、Al-Fe-Si-Ni四元合金，升温熔化；
B、Cu熔化后分批加入屑料和精炼剂；
C、炉料熔化完后，加入屑料或成型回炉料降温，再加入Zn；
D、Zn完全熔化后，升温沸腾后，加入精炼剂，充分搅拌，静置后扒渣；
E、采用立式半连铸进行循环水冷铸造，将铸锭切断至一定长度后挤压到所需的管材或棒材尺寸。
3.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述Cu-Co-Al三元合金是由Cu、Co、Al熔化成含Al 4～7％、Co8～12％、Cu82～86％的三元中间合金。
4.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于：步骤A中，所述Al-Fe-Si-Ni四元合金是由Al、Fe、Si、Ni熔化成的含Al 43～48％、Fe 7～12％、Si 9～14％、和Ni 32～35％的四元中间合金。
5.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤C中，熔炼温度在1000～1050℃时，加入Zn。
6.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤D具体步骤为：Zn完全熔化后，升温到1080-1120℃，沸腾2～3分钟，加入精炼剂，充分搅拌，静置3～5分钟后扒渣。
7.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤E中，采用立式半连铸进行铸造之前，在温度1080℃以上进行取样，对取样进行光谱分析，检测出各元素的含量，若各元素含量符合所述铜合金材料的质量百分比，则视为合格。
8.如权利要求2所述的高强度耐磨无铅铜合金材料的制备方法，其特征在于，步骤E包括如下步骤：
E1、温度调整至1100℃后，用立式半连铸进行循环水冷铸造，铸造速度为990～1230Kg/h；
E2、将铸锭切断至一定长度后，在670～780℃温度下，挤压到所需的管材或棒材尺寸。
9.一种滑靴，其特征在于：采用权利要求2至8中任一项所述的制备方法制备得到的铜合金材料制成。
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CN112522535A (zh) * 2020-12-08 2021-03-19 宁波正元铜合金有限公司 一种高强耐磨黄铜合金及其制备方法

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