CN110923501B - 一种高强度铝黄铜合金及其热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：23~26%的Zn，5~6%的Al，2.7~3.5%的Fe，3.2~4%的Mn，1~2%的Ni，余量为Cu；所述Al和Fe的重量比为1.6~2.2；所述Al和Ni的重量百分比之和为6.5~8.0%。本发明还公开了一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：步骤一，铸造，按照上述的合金组分配比将各组分装入炉内加热熔化并铸造，得到铸件；步骤二，加热，将铸件加热到800~840℃，保温1.5~3h；步骤三，冷却，随炉冷却至550℃及以下，再出炉进行水冷或空冷；步骤四，去应力处理，在温度为180~230℃的条件下保温1~1.5h。其在保证合金抗拉强度的前提下，提高合金的延伸率，使得合金具有较高的综合力学性能，提高产品的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金，具体涉及一种高强度铝黄铜合金及其热处理方法。
背景技术
高强度铝黄铜具有较高的强度、硬度，具有良好的耐磨性和耐蚀性，主要用于低速重载轴承和受力结构件等。
ZCu25Al6Fe3Mn3材料为一种常见的铸造铜合金，用于石油机械上的柱塞压裂泵十字头铜套，属于低速重载的应用场合，要求力学性能抗拉强度Rm≥800MPa、屈服极限Rp0.2≥500MPa、延伸率A5≥12%，由于工件运行载荷大，在使用过程中如果因为力学性能不足将会增大失效的几率，从而降低整个设备运行的可靠性。
通过合金元素的优化，铸造状态的抗拉强度可以有效提高达到800MPa以上，但延伸率始终达不到12%，通常＜8%，甚至低于4%。在此情况下，通过热处理的方法在保证较高抗拉强度的前提下提高延伸率成为重要途径。查阅了相关文献资料，该ZCu25Al6Fe3Mn3材料都是在铸造状态下使用，还没有基于铝黄铜材料相关的热处理方法来改善材料力学性能的工艺方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强度铝黄铜合金及其热处理方法，其在保证合金抗拉强度的前提下，提高合金的延伸率，使得合金具有较高的综合力学性能，提高产品的运行可靠性。
本发明所述的高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：23~26%的Zn，5~6%的Al，2.7~3.5%的Fe，3.2~4%的Mn，1~2%的Ni，余量为Cu；所述Al和Fe的重量比为1.6~2.2；所述Al和Ni的重量百分比之和为6.5~8.0%。
进一步，所述Al和Fe的重量比为1.9。
进一步，所述Al和Ni的重量百分比之和为7.5%。
一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照上述的合金组分配比将各组分装入炉内加热熔化并铸造，得到铸件。
步骤二，加热，将铸件加热到800~840℃，保温1.5~3h。
步骤三，冷却，随炉冷却至550℃及以下，再出炉进行水冷或空冷；
步骤四，去应力处理，在温度为180~230℃的条件下保温1~1.5h。
进一步，所述步骤三中炉内的冷却速率控制在50~100℃/h。
进一步，所述步骤一的铸造工艺参数为：待各组分熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
材料的力学性能取决于材料的金相组织的组分、大小、分布、形态等，而金相组织取决于合金元素的组合及热处理状态。铝黄铜ZCu25Al6Fe3Mn3合金的金相组织一般由α相、β相和γ相组成，其中α相强度硬度较低，但韧性高，γ相强度硬度高属于脆性相，β相的性能介于α相和γ相之间，由于该材料的Zn当量较高，常温下残留α相较少。根据相图分析，合金元素Al的Zn当量高，缩小α相区间，可显著提高黄铜的强度、硬度，当合金中Al含量较高时，基体组织基本为β相或β相+星状γ相，这种组织的力学性能往往强度有余而韧性不足；Fe主要是细化晶粒可以提高材料韧性，但过多的Fe形成富Fe相使材料硬而脆；Ni的Zn当量低，可细化晶粒、提高材料的强度和韧度。缓慢冷却也可促使保持一定量的α相。
本发明通过优化Al、Fe和Ni的含量，限定Al的重量百分比为5~6%，通过添加1~2%的Ni替代部分Fe，且Al和Fe的重量比为1.6~2.2；所述Al和Ni的重量百分比之和为6.5~8.0%，使得合金在铸造状态拥有足够的强度性能，为后续热处理打好基础。
本发明通过将铸件加热到800~840℃，保温1.5~3h，使铸件中各个组分重复扩散形成足够的α相和β相。然后随炉冷却到550℃以下，再出炉进行水冷或空冷，在随炉冷却过程中α相转变为β相、γ相，控制50~100℃/h的冷却速率，抑制α相向β相、γ相转变，促使基体中残留足够量的α相。最后在温度为180~230℃的条件下保温1~1.5h进行去应力处理，减少残余应力。通过以上热处理，使铝黄铜合金保持足够强度的基础上，提高了延伸率，具有较高的综合力学性能，提高了相应产品的运行可靠性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例一，一种高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：22.5%的Zn，5.4%的Al，2.96%的Fe，3.88%的Mn，2%的Ni，余量为Cu。
一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照权上述的合金组分配比将各个组分装入炉内加热熔化，待各个组分熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
步骤二，加热，将铸件加热到830℃，保温2h。
步骤三，冷却，随炉冷却至450℃，炉内的冷却速率控制在50~100℃/h，再出炉进行空冷；
步骤四，去应力处理，在温度为230℃的条件下保温1.5h。
对得到的铝黄铜合金进行力学性能检测，抗拉强度Rm为804MPa、屈服极限Rp0.2为535MPa、延伸率A5为16%，布氏硬度为233HB。在保持足够强度的基础上，延伸率较高，具有较高的综合力学性能，提高了产品的运行可靠性。
实施例二，一种高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：25%的Zn，5.51%的Al，2.69%的Fe，3.46%的Mn，1.9%的Ni，余量为Cu。
一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照权上述的合金组分配比将各个组分装入炉内加热熔化，待各个组分熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
步骤二，加热，将铸件加热到820℃，保温2h。
步骤三，冷却，随炉冷却至500℃，炉内的冷却速率控制在50~100℃/h，再出炉进行空冷；
步骤四，去应力处理，在温度为180℃的条件下保温1.0h。
对得到的铝黄铜合金进行力学性能检测，抗拉强度Rm为823MPa、屈服极限Rp0.2为534MPa、延伸率A5为18.5%，布氏硬度为235HB。在保持足够强度的基础上，延伸率较高，具有较高的综合力学性能，提高了产品的运行可靠性。
实施例三，一种高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：25.4%的Zn，5.51%的Al，2.74%的Fe，3.65%的Mn，1.96%的Ni，余量为Cu。
一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照权上述的合金组分配比将各个组分装入炉内加热熔化，待各个组分熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
步骤二，加热，将铸件加热到840℃，保温3h。
步骤三，冷却，随炉冷却至550℃，炉内的冷却速率控制在50~100℃/h，再出炉进行水冷；
步骤四，去应力处理，在温度为200℃的条件下保温1.5h。
对得到的铝黄铜合金进行力学性能检测，抗拉强度Rm为809MPa、屈服极限Rp0.2为550MPa、延伸率A5为12.5%，布氏硬度为235HB。在保持足够强度的基础上，延伸率较高，具有较高的综合力学性能，提高了产品的运行可靠性。
实施例四，一种高强度铝黄铜合金，按重量百分比计包括以下组分：25.1%的Zn，5.95%的Al，3.08%的Fe，3.31%的Mn，1.82%的Ni，余量为Cu。
一种高强度铝黄铜合金的热处理方法，其包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照权上述的合金组分配比将各个组分装入炉内加热熔化，待各个组分熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
步骤二，加热，将铸件加热到800℃，保温1.5h。
步骤三，冷却，随炉冷却至550℃，炉内的冷却速率控制在50~100℃/h，再出炉进行水冷；
步骤四，去应力处理，在温度为200℃的条件下保温1h。
对得到的铝黄铜合金进行力学性能检测，抗拉强度Rm为837MPa、屈服极限Rp0.2为566MPa、延伸率A5为12.5%，布氏硬度为239HB。在保持足够强度的基础上，延伸率较高，具有较高的综合力学性能，提高了产品的运行可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高强度铝黄铜合金，其特征在于，按重量百分比计包括以下组分：23~26%的Zn，5~6%的Al，2.7~3.5%的Fe，3.2~4%的Mn，1~2%的Ni，余量为Cu；
所述Al和Fe的重量比为1.6~2.2；
所述Al和Ni的重量百分比之和为6.5~8.0%；
所述高强度铝黄铜合金的热处理方法包括如下步骤：
步骤一，铸造，按照合金组分配比将各组分装入炉内加热熔化并铸造，得到铸件；
步骤二，加热，将铸件加热到800~840℃，保温1.5~3h；
步骤三，冷却，随炉冷却至550℃及以下，再出炉进行水冷或空冷；
步骤四，去应力处理，在温度为180~230℃的条件下保温1~1.5h。
2.根据权利要求1所述的高强度铝黄铜合金，其特征在于：所述Al和Fe的重量比为1.9。
3.根据权利要求1或2所述的高强度铝黄铜合金，其特征在于：所述Al和Ni的重量百分比之和为7.5%。
4.根据权利要求1所述的高强度铝黄铜合金，其特征在于：所述步骤三中炉内的冷却速率控制在50~100℃/h。
5.根据权利要求1所述的高强度铝黄铜合金，其特征在于：所述步骤一的铸造工艺参数为：待材料熔化后，升温至1200±5℃使合金各组分均匀，扒渣后静置5~10min，在温度为1050~1100℃的条件下出炉浇铸成型，得到铸件。
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