CN110106393A

CN110106393A - 一种高锰耐磨铝青铜合金及其制备方法

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Publication number: CN110106393A
Application number: CN201910397536.4A
Authority: CN
Inventors: 张全孝; 黄伟; 田开文; 黄伟明; 张延松; 周春华
Original assignee: Chinese Academy of Ordnance Science Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch; Chinese Academy of Ordnance Science Ningbo Branch
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2019-08-09
Anticipated expiration: 2039-05-14
Also published as: CN110106393B

Abstract

本发明涉及一种高锰耐磨铝青铜合金，铜：73.0～75.0％、镍：3.0～4.0％、铬：0.5～1.2％、锰：8.0～10.0％、硅：3～5％、锆:0.3～1.0％、硼：0.1～0.3％、铈：0.05～0.25％，余量为铝和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.1％。该种铝青铜合金兼具优良的力学性能、良好的耐磨性和良好的加工性能。

Description

一种高锰耐磨铝青铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金领域，尤其涉及一种高锰耐磨铝青铜合金及其制备方法。

背景技术

高性能液压泵在军工、矿山、冶金、工程等机械行业上获得广泛的应用，液压技术的先进与否常被用来作为衡量一个国家工业技术水平的标准。液压系统中高性能液压泵的关键件如缸体、铜套、复合烧结铜件、轴瓦、球铰、配油盘等部件均为高强耐磨铜件。液压泵是液压系统中能源转换的心脏部件，其失效绝大部分是由于磨损引起的，其中关键摩擦副的磨损占比约50％，这些摩擦副往往是由钢(铁)和铜合金配对组成。传统摩擦副铜配件一直选用常规青铜合金ZQAl9-4和ZQSn10-1,两者在润滑不良的条件下耐磨性能大大降低，而且强度和硬度偏低，高负荷条件下容易发生断裂或快速磨损导致降低使用寿命，因此要提高耐磨铜合金件在恶劣环境下的使用寿命，必须保证材料具有优异的耐磨性能和较高的强度和硬度。

青铜作为常用的耐磨材料，广泛地用于轴承、轴套、轴瓦、滑块、螺母等零件的制造，近年来随着对耐磨零件需求不断增长，已相继开发出多种耐磨铜合金，公开号为CN102304642B的中国发明专利《一种铸造耐磨锡青铜合金及其制备方法》公开了一种耐磨锡青铜，适用于交通电力领域耐磨重载关键部件；公开号为CN1092817A的中国发明专利《高强度耐磨多元黄铜合金及其热处理工艺》公开了一种耐磨黄铜合金，用于汽车变速箱同步器锥齿环；公开号为CN1159486A的中国发明专利《接触网导线用铜合金》公开了一种高速电气化铁路接触网导线用铜合金，要求强度较高，导电性好，磨耗低，成本较低等性能。鸡西市刘桂英等人研究的ZQAl8-2-3合金代替价格较贵的锡青铜ZQSn6-6-3，耐磨性较好，成本低，满足使用要求。日本三菱伸铜株式会社的公开号为CN100543160C的中国发明《铜合金铸件及其铸造方法》公开了一种耐磨性、切削性、耐蚀性较好的铜合金铸件及铸造方法，用于汽缸体活塞滑履、轴瓦、轴承、螺母等耐磨零件。公开号为CN8510632A的中国发明《热交换器用耐蚀铜合金》、公开号为CN1827811A的中国发明专利《耐腐蚀性能优良的热交换器用无缝铜合金管及其制备方法》公开的均是添加砷的锡黄铜，具有较好的耐蚀性能，适于做热交换器和冷凝器管。

上述专利成果中CN100543160C专利指出合金在铸造和热处理后下使用，其强度仅有300Mpa左右，塑性也较低，影响使用寿命；CN1159486A专利强调合金用于高铁导线材料，要求高的电导率，因此添加的合金元素有时牺牲掉对强度和硬度做出贡献的考虑；CN1092817A专利虽然成本较低，但合金元素较多，强度稍高，但室温塑性较低，降低其耐磨寿命；CN85106324A和CN1827811A公开的含砷的黄铜合金在制备和使用过程中不可避免地对人体健康和环境有毒副作用，应该尽量避免使用。目前国内对高强耐磨铜合金研究较少，有的采用等通道角挤压工艺，虽然提高了铜合金的强度和硬度，但是工艺复杂，模具制作要求高，难以实现工程化应用。

因此，需要一种兼具优良的力学性能、良好的耐磨性和良好的加工性能的高锰耐磨铝青铜合金，可以用于矿山、冶金、工程等行业的轴承、轴套、轴瓦、滑块、螺母等的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种兼具优良的力学性能、良好的耐磨性和良好的加工性能的高锰耐磨铝青铜合金。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该种高锰耐磨铝青铜合金，其特征在于各组分的质量百分数为：铜：73.0～75.0％、镍：3.0～4.0％、铬：0.5～1.2％、锰：8.0～10.0％、硅：3～5％、锆:0.3～1.0％、硼：0.1～0.3％、铈：0.05～0.25％，余量为铝和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.1％。

一种用于制备上述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)配料：根据组分配比将原材料混合均匀；

(2)熔铸：将原料熔化，真空浇铸成铜铸锭；

(3)第一次退火：进行成分均匀化退火处理，冷却；

(4)挤压：挤压成铜棒，挤压变形率40-60％；

(5)固溶处理；

(6)第二次退火。

优选的，所述步骤(2)的熔炼温度为1300-1350℃。

优选的，所述步骤(3)的第一次退火的退火温度为680-720℃，保温时间为5-7小时，所述冷却采用空冷。

优选的，所述步骤(4)的挤压温度为850-880℃。

优选的，所述步骤(5)的固溶温度为790～820℃，保温时间为5～7小时，冷却速度为60-80℃/小时。

优选的，所述步骤(6)的退火温度为330～350℃；保温时间为2-4小时。

本发明的高锰耐磨铝青铜合金采用了多元少量的合金化原则，通过添加镍、铬、锰、硅、锆、硼、铝、及稀土等元素，最终提高铜合金的综合力学性能、耐磨性能，同时保证合金具有良好的加工性能。

镍能固溶于α固溶体中，使合金强化，镍在铝青铜中一方面可降低原子扩散的速度，增加β相的稳定性，抑制合金变脆的“自行退火”现象，进而减小合金的脆性，另一方面，在熔体凝固时，NixAl化合物作为结晶核心细化晶粒，分布在基体上阻碍位错移动，从而提高合金强度、硬度、耐磨性。镍还能显著提高合金的耐腐蚀性能。

Cr在铜合金的沉淀强化效果明显，沉淀相是纳米级Cr相，该合金具有较高的强度，Cu-Cr合金在500℃时效20min后，出现弥散分布球状小颗粒，直径约8nm，析出相与母相保持共格关系。而加入Zr、Al、稀土等元素的Cu-Cr合金,500℃时效20min后，晶内析出弥散分布球状小颗粒，直径约2～3nm，可见Zr、Al、稀土等元素的加入使析出相更细小。合金的抗拉强度560MPa。合金元素的加入，不仅抑制了时效过程中Cr的析出，使Cr相更细小，还能够钉扎位错、阻碍位错攀移运动，推迟了回复再结晶，且加工硬化和Cr相析出硬化相互叠加,使合金获得较高的硬度，进一步提高了合金的室温和高温强度。稀土元素的加入有效地加强了细晶强化和第二相弥散强化的组合强化机制，使其抗拉强度≥500MPa、硬度≥HV120、软化温度≥800℃。合金中加入一定量的Ce，可以明显提高合金的耐磨性和抗腐蚀能力。

Mn加入铝青铜中虽能缩小α单相区域，但显著降低β相共析转变的温度，从而提高β相的稳定性，抑制铝青铜合金的“缓冷脆性”。同时还能提高耐蚀性能、机械性能、耐磨性等。

铝青铜中加入锰后，抑制了β相的共析转变,Mn能使α相及β相的析出比例发生变化,随Mn量增加，合金强度提高，但超过15％以后对强度作用减小，而延伸率明显下降。锰起辅助硼提高合金的耐脱锌腐蚀性能及脱氧和固溶强化的作用。

加入Mn后，可降低合金熔点，提高流动性，有利于脱氧和除气，改善合金的铸造性能。Mn、Si的作用是形成Mn5Si3弥散颗粒，这种金属间化合物具有极高的硬度(HV500-700)，它们均分布于基体上形成理想的耐磨组织。

在Cu-Cr合金中添加少量的Zr，使得析出过程中同时产生Cr相和Cu3Zr相。由于Cr和Zr的交互作用，不仅使Cr相和Zr相的析出变得更加细小，还使析出相由片状变为颗粒状,从而使材料的强度和硬度得到改善。另外在室温下Cr和Zr在铜基体中的固溶度极低，还可获得较高的电导率。Zr还能防止Cu-Cr合金在700℃附近的回火脆性，这是由于Cu-Cr合金晶界上存在富S化合物相，该化合物熔点较低，在高温下熔化使晶界弱化，而Zr能与S化合形成高熔点的化合物，从而消除了合金沿晶脆性断裂现象。

在铝青铜中加入硼能细化铜合金的组织，提高其强度、硬度，改善其腐蚀、耐腐蚀磨损及耐冲蚀能力，加硼后铝青铜的晶粒尺寸由130μm降低到60μm，硬度从72HB增加到87HB，抗拉强度增加40-50Mpa，屈服强度增加40-60MPa，合金的抗冲蚀能力和抗腐蚀磨损能力得到改善。

硼元素可抑制脱锌、提高耐蚀性能的作用，同时有脱氧、细化晶粒、增强切削性能的功能。由于硼原子半径比锌原子半径小，青铜被腐蚀时硼原子比锌原子更易扩散，因此可优先夺取空位进而堵塞锌原子的扩散通道，增加锌扩散阻力，形成耐腐蚀保护膜，从而达到抑制脱锌腐蚀的效果。

Al是决定合金强度的主要元素之一，对塑性影响较大，随着铝含量的增大，合金基体由α相向β相转变，塑性变差，将铝含量控制在较低水平有利于材料塑性的提高及较好的成型性能。

在铜中加入稀土元素Ce，也能充分达到完善晶体结构、净化、去除杂质的作用，并能改善铜的电导率和机械性能。稀土元素添加剂能够扩大热轧温度，改善合金的高温性能，提高从α→β相变温度，从而改善了这种合金的热加工性能，扩大了合金的热加工温度范围。

稀土Ce作为添加剂能净化铜液，得到光洁均匀的铸件，可以细化铜合金的组织结构；消除铜合金在铸造过程中产生的缺陷；同时还可以消除急冷铸件的裂纹，达到其使用寿命的延长，在晶界上能形成均匀分布的化合物，这样的结构对合金的热处理方面的性能起到完善作用，随后对合金进行固溶时效，其抗拉强度能显著提高。

铜作为一种耐磨材料，添加稀土金属铈后，提高了机械强度和抗压性能，使其在高比压下不容易产生变形，从而减少了因压皱而引起的磨损。同时，由于添加稀土金属铝青铜，具有良好的塑性,使它在摩擦时依赖一定程度的塑性变形，很快地磨合起来，提高了它的磨合性能，增加摩擦工件间的有效工作面积，降低单位面积上的载荷，起着提高耐磨性的作用。此外，由于高铝青铜是复相合金，添加稀土金属后，使软的α相和硬的β相都得到细化，这样可以减慢合金工件在摩擦时接触表面薄层的塑性流动，从而可以减少磨损，起着提高耐磨作用。

稀土主要起精炼和细化晶粒的作用，提高合金致密度，使其强度和塑性提高，有利于压力加工。

由于合金采用多元少量的作用，使本合金基体上均匀分布着强化相及耐磨硬质点，使本合金综合力学性能及耐磨性优于一般的青铜合金，特别适合于低速重载荷工作下的缸体、铜套、轴瓦等耐磨零部件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、不含铅、砷等元素，消除生产和使用中对环境和人体的危害。

2、具有优异的冷热成形性、优良的力学性能，较好的抗腐蚀性能，具有高的强度和耐磨性，能够应用于汽缸体活塞滑履、轴瓦、轴承、轴套、滑块、螺母等零件。

3、我国稀土资源丰富，充分利用自有资源，添加稀土后，提高材料的综合性能，极大提高零部件的服役寿命。

4、生产工艺简单，易于操作，可实现规模化生产。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

其生产工艺包括以下步骤

配料－熔铸－第一次退火－挤压－第二次退火－成品。

具体过程为：本发明所用原材料为电解铜板，纯锰锭、纯镍板、纯硼、纯铬锭、海绵锆、纯硅锭、纯铝锭、稀土铈。利用上述原材料制成含有30％锰的铜锰中间合金、含有50％镍的铜镍中间合金、含有20％铬的铜铬中间合金、含有5％铈的铜铈中间合金，配料时，按表1的组分配比加入相应量的中间合金，硼、锆、硅、铝以纯金属加入，并加入相应量的电解铜板。

将中间合金锭和纯金属在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，在1300℃熔炼温度下，保温0.5小时后，进行真空浇注成ф100mm铜锭。进行第一次退火处理即成分均匀化退火处理：铸锭在680℃退火温度下保温5小时，然后空冷。在850℃温度下进行挤压，挤压成ф50mm铜棒。在790℃温度下进行5小时固熔处理，以60℃/小时的冷却速度进行冷却，在300℃的温度下进行退火，保温时间2小时，制成成品。性能如表2所示。

实施例2

其生产工艺包括以下步骤

配料－熔铸－第一次退火－挤压－第二次退火－成品。

将中间合金锭和纯金属在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，在1330℃熔炼温度下，保温0.5小时后，进行真空浇注成ф100mm铜锭。进行第一次退火处理即成分均匀化退火处理：铸锭在700℃退火温度下保温6小时，然后空冷。在865℃温度下进行挤压，挤压成ф50mm铜棒。在810℃温度下进行6小时固熔处理，以70℃/小时的冷却速度进行冷却，在330℃的温度下进行退火，保温时间3小时，制成成品。性能如表2所示。

,实施例3

其生产工艺包括以下步骤

配料－熔铸－第一次退火－挤压－第二次退火－成品。

将中间合金锭和纯金属在熔炼前与电解铜板一起加入石墨坩埚，然后抽真空进行熔炼，在1350℃熔炼温度下，保温0.5小时后，进行真空浇注成ф100mm铜锭。进行第一次退火处理即成分均匀化退火处理：铸锭在720℃退火温度下保温7小时，然后空冷。在880℃温度下进行挤压，挤压成ф50mm铜棒。在820℃温度下进行7小时固熔处理，以80℃/小时的冷却速度进行冷却，在340℃的温度下进行退火，保温时间4小时，制成成品。性能如表2所示。

表1高锰耐磨铝青铜合金的成分组成实例

实施例

Cu

Ni

Cr

Si

B

Mn

Zr

Ce

Al

实施例1

75％

3.0％

0.5％

3％

0.1％

8.0％

0.3％

0.05％

余量

实施例2

72％

3.5％

1.0％

4％

0.2％

9.0％

0.7

0.15％

余量

实施例3

73％

4.0％

1.2％

5％

0.3％

10％

1.0％

0.25％

余量

表2高锰耐磨铝青铜合金的力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％	HB
					实施例1	625	500	20	140
实施例2	630	520	18	150
					实施例3	650	540	16	160

其它性能如下：

1.摩擦系数：

实施例1：摩擦系数0.21

实施例2：摩擦系数0.24

实施例3：摩擦系数0.28

2.磨损率：

实施例1：磨损率0.30х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

实施例2：磨损率0.25х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

实施例3：磨损率0.21х10^-8mm³.N^-1.mm^-1

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高锰耐磨铝青铜合金，其特征在于各组分的质量百分数为：铜：73.0～75.0％、镍：3.0～4.0％、铬：0.5～1.2％、锰：8.0～10.0％、硅：3～5％、锆:0.3～1.0％、硼：0.1～0.3％、铈：0.05～0.25％，余量为铝和不可避免的杂质，所述杂质含量≤0.1％。

2.一种用于制备如权利要求1至3任一权利要求所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)配料：根据组分配比将原材料混合均匀；

(2)熔铸：将原料熔化，真空浇铸成铜铸锭；

(3)第一次退火：进行成分均匀化退火处理，冷却；

(4)挤压：挤压成铜棒，挤压变形率40-60％；

(5)固溶处理；

(6)第二次退火。

3.根据权利要求4所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的熔炼温度为1300-1350℃。

4.根据权利要求4所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)的第一次退火的退火温度为680-720℃，保温时间为5-7小时，所述冷却采用空冷。

5.根据权利要求4所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)的挤压温度为850-880℃。

6.根据权利要求4所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)的固溶温度为790～820℃，保温时间为5～7小时，冷却速度为60-80℃/小时。

7.根据权利要求4所述的高锰耐磨铝青铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)的退火温度为300-350℃，保温时间为2-4小时。