CN110629067A - 一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金 - Google Patents

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Abstract

一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金。本发明公开了一种锆铌协同微合金化铝青铜合金，其质量百分比为：Al：7.5～8.5％，Fe：3.0～4.0％，Ni：2.0～2.5％，Mn：11.0～13.0％，Zr：0.05～0.4％，Nb：0.013～0.11％，余量为Cu。本发明以铝青铜合金体系作为基体，通过加入原子比Zr:Nb＝4:1的锆和铌使晶粒细化，得到锆铌协同微合金化铝青铜合金，其强度和硬度相比于微合金化前显著提高。

Description

一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金
技术领域
本发明公开了一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，属于有色金属制备技术领域。
背景技术
铜合金材料由于导电性能、导热性能以及耐腐蚀性能优良、良好的加工成形性能等，从而逐渐成为各行各业广泛使用的材料，但是在众多金属材料中，铜合金仍属于强度低，硬度低的材料。
在铜合金各种系列中，铝青铜合金保持了优良的导电导热性能以及优良的塑性，并且拥有较高的强度，耐磨性和耐腐蚀性优良。目前铝青铜合金ZCuAl8Mn13Fe3Ni2室温抗拉强度σb为670MPa，室温屈服强度σs为310MPa，伸长率δ5(％)≥18，硬度为167HB。
铝青铜合金已经在许多领域中得到了应用，例如铝青铜合金被用于制作汽车同步器齿环，全世界每年的生产量达6000吨以上，全世界每年同步器齿环市场总需求量在10000吨以上，但是目前我国生产的同步器齿环多以复杂黄铜合金制作而成，而复杂黄铜合金在强度硬度方面虽可以与铝青铜合金媲美，但是容易产生热裂偏析等等。铝青铜合金还常用于制作轧机用的丝母，而丝母在使用过程中由于力学性能差而带来的损耗非常大，我国许多钢铁公司因为丝母强度低，硬度低而带来的损失每年超过千万元。
因此，目前铝青铜合金存在的问题是如何进一步提高强度，硬度等力学性能。而提高合金强度硬度的方法主要有应变强化，固溶强化，弥散强化等方法，目前生产中常用的方法是应变强化，但是应变强化限制了铝青铜合金在某些领域上的应用，所以我们采用微合金化使晶粒细化的方法，使得铝青铜合金的强度硬度得到提高。
发明内容
为了解决铝青铜强度低和硬度低的问题，本发明旨在提供一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金
本发明所采取的技术方案是：
一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其化学成份及质量百分比为： Al:7.5～8.5％，Fe:3.0～4.0％，Ni:2.0～2.5％，Mn:11.0～13.0％，Zr:0.05～0.4％，Nb:0.013～0.11％，余量为Cu。
本发明提供一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金棒材的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)首先对感应熔炼炉的炉体进行清洁处理，防止杂质污染试样。
(2)按照上述配方确称量各个金属单质并混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
与现有技术相比，本发明具有显著优点如下；
本发明的合金在微合金化之后的强度和硬度得到大幅度提高。ZCuAl8Mn13Fe3Ni2室温抗拉强度σb为670MPa，室温屈服强度σs为310MPa，伸长率δ5(％)≥18，硬度为 167HB。本发明的合金加入Zr和Nb微合金化之后合金的σb可以达到910MPa，相比于原体系提高了240MPa；σs可以达到410MPa，相比于原体系提高了100MPa；伸长率δ5(％)＝14；微合金化之后合金的硬度可以达到280HB，相比于原体系提高了113HB。
附图说明
图1为对比例的合金铸锭显微组织图。
图2为实施例1的合金铸锭显微组织图。
图3为实施例3的合金铸锭显微组织图。
图4为实施例5的合金铸锭显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明
实施例1
一种微合金化铜合金，其化学成份及质量百分比为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Zr:0.05％，Nb:0.013％，余量为Cu。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
如图2所示，观察合金铸锭显微组织，发现该配比下得到合金铸锭的晶粒大小为8.3μm，较之对比例合金的晶粒大小减小了4.1μm。
Zr和Nb的加入使得板条状晶粒变小并且断裂成为小晶粒，但是由于加入量少，从图中可以明显看出，大部分区域仍有明显的大块板条状晶粒存在，而图中间区域晶粒已经明显细化。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为180HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为740MPa，屈服强度σ为330MPa，伸长率δ5(％)＝17。
实施例2
一种微合金化铜合金，其化学成份及质量百分比为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Zr:0.1％，Nb:0.0255％，余量为Cu。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
观察合金铸锭显微组织，发现该配比下得到合金铸锭的晶粒大小为4.5μm，较之对比例合金的晶粒大小缩小了7.9μm。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为207HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为808MPa，屈服强度σ为351MPa，伸长率δ5(％)＝17。
实施例3
一种微合金化铜合金，其化学成份及质量百分比为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Zr:0.2％，Nb:0.0510％，余量为Cu。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
如图3所示，观察合金铸锭显微组织，发现该配比下得到合金铸锭的晶粒大小为3.1μm，较之对比例合金的晶粒大小缩小了9.3μm。
Zr和Nb的加入量增加到0.2％和0.051％，很明显的观察到整个区域的晶粒都细化了，尤其在Nb和Zr富集的区域晶粒细化非常明显。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为239HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为853MPa，屈服强度σ为370MPa，伸长率δ5(％)＝16。
实施例4
一种微合金化铜合金，其化学成份及质量百分比为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Zr:0.3％，Nb:0.0762％，余量为Cu。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
观察合金铸锭显微组织，发现该配比下得到合金铸锭的晶粒大小为2.7μm，较之对比例合金的晶粒大小缩小了9.7μm。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为263HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为884MPa，屈服强度σ为394MPa，伸长率δ5(％)＝15。
实施例5
一种微合金化铜合金，其化学成份及质量百分比为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Zr:0.4％，Nb:0.11％，余量为Cu。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
如图4所示，观察合金铸锭显微组织，发现该配比下得到合金铸锭的晶粒大小为2.6μm，较之对比例合金的晶粒大小缩小了约9.8μm。
Zr和Nb的加入量达到了0.45％和0.11％，相比于对比例合金的板条状晶粒，晶粒细化非常明显，并且出现了许多细长的针状晶粒。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为280HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为910MPa，屈服强度σ为410MPa，伸长率δ5(％)＝14。
本发明的微合金化之后合金的强度和硬度得到大幅度提高。ZCuAl8Mn13Fe3Ni2室温抗拉强度σb为670MPa，室温屈服强度σs为310MPa，伸长率δ5(％)≥18，硬度为 167HB。加入Zr和Nb微合金化之后合金的σb可以达到910MPa，相比于原体系提高了 240MPa；σs可以达到410MPa，相比于原体系提高了100MPa；伸长率δ5(％)＝14；微合金化之后合金的硬度可以达到280HB，相比于原体系提高了113HB。
对比例
一种铝青铜合金，其化学成份及质量百分比设置为：Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％， Mn:12.0％，Cu:74.2％。
首先对熔炼炉体进行清洁，按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入内径为φ20mm的低碳钢棒材模具中得到直径为φ20mm的合金棒材。
如图1所示，观察合金铸锭显微组织，该配比下合金铸锭的晶粒大小为12.4μm。
按照国家标准对合金铸锭进行布氏硬度测试，得到布氏硬度大小为168HB。
按照拉伸实验国家标准，将合金铸锭制成符合国家标准的拉伸实验样品并进行拉伸性能实验，得到抗拉强度σb为674MPa，屈服强度σ为313MPa，伸长率δ5(％)＝18。

Claims (9)

1.一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成份及质量百分比:Al:7.5～8.5％，Fe:3.0～4.0％，Ni:2.0～2.5％，Mn:11.0～13.0％，Zr:0.05～0.4％，Nb:0.013～0.11％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
2.根据权利要求1所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成分为Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％，Mn:12.0％，Zr:0.05％，Nb:0.013％，余量为Cu和难以去除的杂质，，杂质含量≤0.03％。
3.根据权利要求1所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成分为Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％，Mn:12.0％，Zr:0.1％，Nb:0.0255％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
4.根据权利要求1所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成分为Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％，Mn:12.0％，Zr:0.2％，Nb:0.0510％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
5.根据权利要求1所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成分为Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％，Mn:12.0％，Zr:0.3％，Nb:0.0762％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
6.根据权利要求1所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金，其特征在于，该合金的成分为Al:8.0％，Fe:3.5％，Ni:2.3％，Mn:12.0％，Zr:0.4％，Nb:0.11％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
7.一种锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金棒材，其特征在于，该合金棒材的成份及质量百分比:Al:7.5～8.5％，Fe:3.0～4.0％，Ni:2.0～2.5％，Mn:11.0～13.0％，Zr:0.05～0.4％，Nb:0.013～0.11％，余量为Cu和难以去除的杂质，杂质含量≤0.03％。
8.一种基于权利要求7所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金棒材的制备方法，其特征在于，制备工艺如下：按照目标成分合金称量各金属单质，混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于感应熔炼炉中，启动感应熔炼电源对合金进行加热，达到熔点以上200K后保温10min，熔融均匀之后浇入低碳钢低碳钢棒材模具中得到青铜合金棒材。
9.根据权利要求8所述的锆铌协同微合金化的多元复杂铸造铝青铜合金棒材的制备方法，其特征在于，所述的青铜合金棒材的直径为φ20mm。
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