CN113293323B - 一种硅青铜棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅青铜棒材,其特征在于:该硅青铜的质量百分比组成为,Si:2.0wt%~3.5wt%,Mn:1.0wt%~1.5wt%,Zn:0.2wt%~0.8wt%,Ni:0.1wt%~0.5wt%,Cr:0.1wt%~0.3wt%,Co:0.1wt%~0.5wt%,余量为Cu和不可避免的杂质。本发明通过对QSi3‑1进行成分设计,添加微量元素,改变材料物理性能,满足棒材规格在Φ12mm以上时,抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上,硬度在180HB以上,摩擦系数在0.013以下的综合性能,满足蜗杆、蜗轮、轴套、制动销和杆类这一类零部件的使用。
Description
技术领域
本发明属于铜合金技术领域,具体涉及一种硅青铜棒材及其制备方法。
背景技术
硅青铜QSi3-1具有高的强度、弹性和耐磨性,耐腐蚀性好,塑性较好,低温下仍不变脆,鉴于其具备的特殊物理性能,所以其适合应用于制作在腐蚀介质中工作的各种弹簧和弹簧零件,以及蜗杆、蜗轮齿轮、轴套、制动销和杆类耐磨零件,也可用于制作焊接结构中的零件,可代替重要的锡青铜,甚至替代低铍的铍青铜。
对于蜗杆、蜗轮、轴套、制动销和杆类这一类零部件而言,使用环境比较恶劣,一般在油性环境和高温环境中,在需要满足一定强度的同时,因为其需要用于传递滚动摩擦力和剪切力,对于耐磨性和冲击韧性均具有特殊要求,具体为抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上,硬度在180HB以上,摩擦系数在0.013以下。
传统的铜合金棒材,随着棒材直径的减小,因为拉拔过程中加工硬化的强化效果,导致棒材的强度得到很大的提高,但塑形严重恶化,难以实现强度和塑形的均衡,对于硅青铜QSi3-1棒材亦是如此。对于蜗杆、蜗轮、轴套、制动销和杆类这一类零部件而言,棒材的使用规格一般在Φ12mm以上,对于Φ12mm以上的硅青铜QSi3-1而言,因为加工硬化较小,因此,棒材的塑形较高,在19%以上,但抗拉强度在470MPa以下、硬度在180HB以下,摩擦性能较差,难以满足蜗杆、蜗轮、轴套、制动销和杆类这一类零部件的使用。
目前生产QSi3-1有挤压工艺和连铸工艺,但是主流的采用水平连铸工艺生产,生产的过程为铸造杆坯,经过多道拉拔和中间退火,最后校直得到产品,水平连铸工艺生产现有的Φ12mm以内的棒坯可以满足使用的机械性能,但是对于规格在Φ12mm以上,用来制作蜗杆,销杆的棒坯,需要抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上(国标GB/T 4423-2007),无法满足机械性能的要求,因此,针对该问题设计提出对该硅青铜棒材及其制备方法的改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种抗拉强度、延伸率、硬度以及摩擦系数等综合性能优异的硅青铜棒材。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为:一种硅青铜棒材,其特征在于:该硅青铜的质量百分比组成为,Si:2.0wt%~3.5wt%,Mn:1.0wt%~1.5wt%,Zn:0.2wt%~0.8wt%,Ni:0.1wt%~0.5wt%,Cr:0.1wt%~0.3wt%,Co:0.1wt%~0.5wt%,余量为Cu和不可避免的杂质。
本申请添加2.0wt%~3.5wt%的硅,硅含量高于3.5wt%时,Cu-Si合金基体中除a相,还会出现一种K相,并在555℃发生共析转变,实际情况是K相会保留至室温,由于K相是一种硬脆相,会严重恶化材料的力学性能,需要避免该K相的产生,控制硅的添加量在3.5%以下,硅含量低于2.0wt%时,不能产生足够Mn2Si相、Ni2Si、Co2Si的析出,耐磨性能和强化效果差。
本申请添加1.0wt%~1.5wt%的锰,锰的加入可以提高材料的力学性能,耐磨和耐蚀性能,对于其他的性能均具有优化作用,但过多Mn与Si会生成过多的脆性相Mn2Si,该相会使得材料发生自裂现象,因此,Mn的添加量为1.0wt%~1.5wt%。
本申请添加0.1wt%~0.5wt%的镍,镍的加入主要是起到提高力学性能,电学性能和耐蚀性,Ni和Si可以形成化合物Ni2Si,具有很强的时效硬化效果,是合金具备优良的综合力学性能,镍的量过多会影响材料的延伸性能,因此,Ni的添加量为0.1wt%~0.5wt%。
本申请添加0.1wt%~0.5wt%的钴,钴的加入主要提高材料的强度,Si和Co可形成固溶于a相的Co2Si,随着温度的降低会从固溶体内析出,强化材料力学性能,具备时效强化的作用,钴量过多会影响材料的延伸性能,因此,Co的添加量为0.1wt%~0.5wt%。
本申请添加0.2wt%~0.8wt%的锌,锌的加入主要起到强化作用,锌可以固溶于Cu-Si合金的a相中,提高材料的强度和硬度,同时具体缩小结晶凝固曲线的距离,提高材料的流动性能,但添加量过高时会影响材料的塑形。
本申请添加0.1wt%~0.3wt%的铬,铬的加入主要作用是细化晶粒,提高材料的强度,高于0.3%会使得材料偏硬,延伸降低严重,低于0.1%起不到强化作用。
作为优选,该硅青铜还包括稀土:0.01wt%~0.05wt%。
作为优选,该硅青铜的微观组织包括铜基体以及分布在铜基体上的第二相,所述第二相包括Mn2Si、Ni2Si、Co2Si,所述Mn2Si相、Ni2Si、Co2Si的总面积含量为1.0~2.0%。将材料的的抗拉强度450MPa提升到470MPa以上,同时耐磨性能有0.04优化到0.013以下。
作为优选,所述Mn2Si的面积含量为0.1~0.2%。Mn会以Mn2Si的形态析出,但是室温会保存相当一部分固溶在基体内部,通过不同的热处理会析出不同数量的第二相Mn2Si,通过时效控制析出量,实现材料的硬度、耐磨性能、延伸量的均衡。
作为优选,该硅青铜的晶粒中沿轴向的柱状晶占总晶粒面积百分含量的50%以上。沿轴向生长的柱状晶可以实现棒材沿轴向的强度与塑形的结合。
作为优选,所述硅青铜棒材在Φ12mm以上时,抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上,硬度在180HB以上,摩擦系数在0.013以下。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种硅青铜棒材的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为:一种硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:包括以下制备步骤:
1)熔炼;
2)水平连铸;铸造温度:1250℃~1350℃,拉铸速度:0.5mm/s~3.5mm/s,牵引时间:500~2000ms,并控制结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差为300℃~800℃;
3)拉拔:对棒坯进行拉拔得到棒材,根据需要在拉拔中间设置一道或者多道中间退火;
4)时效。
结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差高于800℃,容易形成较大的铸造应力,不利于材料的加工;低于300℃温度梯度小,形核势能小,对于自发形核作用效果小。
作为优选,所述步骤2)中,在铜套内加一次冷却水,在距离棒坯出结晶器30mm~150mm处设二次冷却水;一次冷却水的水温为10℃~30℃,冷却水的流量为2~10m3/h,二次冷却水的水温为10℃~30℃,冷却水的流量为2~10m3/h。通过采用结晶器端口介入多道冷却水可以引导晶粒沿轴向生长,控制不同的冷却强度可以获得不同比例的轴向晶,晶粒的大小和轴向冷却的温度梯度呈正相关,冷却强自发形核多,晶粒细小,进而抑制径向的生产,获得轴向细晶,晶粒最小可以控制到10um。
作为优选,所述步骤3)中,中间退火温度在600℃~700℃,保温时间为1h~5h。作为优选,所述步骤4)中,时效温度为400℃~500℃,保温时间为1h~5h。控制Mn2Si相、Ni2Si、Co2Si的总面积含量为0.3~0.7%。
作为优选,在步骤4)时效结束后对棒材进行成品退火,所述成品退火温度为200~300℃,保温时间为1h~5h。
与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明通过对QSi3-1进行成分设计,添加微量元素,改变材料物理性能,满足棒材规格在Φ12mm以上时,抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上,硬度在180HB以上,摩擦系数在0.013以下的综合性能,满足蜗杆、蜗轮、轴套、制动销和杆类这一类零部件的使用。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
硅青铜棒材的质量百分组成:Si2.85%,Mn1.25%,Zn0.4%,Ni0.18%,Cr0.28%,Co0.18%,镧铈稀土0.03%,Cu余量。
硅青铜棒材制备步骤:
1)熔炼:熔炼过程中先将电解板加入炉内,待铜水熔化后,将电压提高到600V,用烘烤后的木炭覆盖液面,覆盖高度50mm以上,温度达到1300℃~1350℃,将镍,铬,钴,锰,硅,镧铈稀土一并用压勺加入铜液内,保持3min左右,电压打到400V,温度降低到1260℃~1320℃,将金属锌加入,保温,化验合金元素成分,调配直到合格。
2)水平连铸;铸造温度:1250℃~1350℃,拉铸速度:3.0mm/s,牵引时间:1000ms,在铜套内加一次冷却水,在距离棒坯出结晶器100mm处设二次冷却水;一次冷却水的水温为20℃~25℃,冷却水的流量为3m3/h,二次冷却水的水温为20℃~25℃,冷却水的流量为5m3/h,控制结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差为600℃;
3)拉拔:对棒坯刨皮:φ43mm-φ43.7mm-43.5mm,拉拔:φ43.5mm-φ41mm-φ40mm;得到所需要φ40mm的棒材
4)时效:温度为450℃,保温时间为2h;
5)成品退火:温度为250℃,保温时间为2h。
实施例2
硅青铜棒材的质量百分组成:Si2.9%,Mn1.15%,Zn0.45%,Ni0.18%,Cr0.28%,Co0.16%,镧铈稀土0.03%,Cu余量。
硅青铜棒材制备步骤:
1)熔炼:熔炼过程中先将电解板加入炉内,待铜水熔化后,将电压提高到600V,用烘烤后的木炭覆盖液面,覆盖高度50mm以上,温度达到1300℃~1350℃,将镍,铬,钴,锰,硅,镧铈稀土一并用压勺加入铜液内,保持3min左右,电压打到400V,温度降低到1260℃~1320℃,将金属锌加入,保温,化验合金元素成分,调配直到合格。
2)水平连铸;铸造温度:1250℃~1350℃,拉铸速度:2.0mm/s,牵引时间:1500ms,在铜套内加一次冷却水,在距离棒坯出结晶器120mm处设二次冷却水;一次冷却水的水温为10℃~15℃,冷却水的流量为6m3/h,二次冷却水的水温为10℃~15℃,冷却水的流量为10m3/h,控制结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差为500℃;
3)拉拔:对棒坯刨皮:φ32mm-φ31.8mm-31.6mm,拉拔:φ31.6mm-φ31mm-φ30mm,得到所需要φ30mm的棒材;
4)时效:温度为400℃,保温时间为2h;
5)成品退火:温度为250℃,保温时间为1.5h。
实施例3
硅青铜棒材的质量百分组成:Si3.1%,Mn1.19%,Zn0.47%,Ni0.18%,Cr0.27%,Co0.17%,镧铈稀土0.03%,Cu余量。
硅青铜棒材制备步骤:
1)熔炼:熔炼过程中先将电解板加入炉内,待铜水熔化后,将电压提高到600V,用烘烤后的木炭覆盖液面,覆盖高度50mm以上,温度达到1300℃~1350℃,将镍,铬,钴,锰,硅,镧铈稀土一并用压勺加入铜液内,保持3min左右,电压打到400V,温度降低到1260℃~1320℃,将金属锌加入,保温,化验合金元素成分,调配直到合格。
2)水平连铸;铸造温度:1270℃~1300℃,拉铸速度:2.0mm/s,牵引时间:2000ms,在铜套内加一次冷却水,在距离棒坯出结晶器80mm处设二次冷却水;一次冷却水的水温为20℃~25℃,冷却水的流量为6m3/h,二次冷却水的水温为20℃~25℃,冷却水的流量为10m3/h,控制结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差为600℃;
3)拉拔:对棒坯刨皮::φ43mm-φ43.7mm-43.5mm,拉拔:φ43.5mm-φ41mm-中间退火-φ40mm,得到所需要φ40mm的棒材;
4)时效:温度为400℃,保温时间为3h。
对比例:QSi3-1,Mn1.0~1.5,Si2.7~3.5,Cu余量。
测试耐磨性采用失重法进行测量和评定,通过对试样在磨耗试验机试验,在规定条件下测得的材料减量(g/mm2)。材料的耐磨性常以磨损率G表示,其计算公式其中,M1:磨损前的量、M2:磨损后的量、A:磨损作业区域面积。
表1本发明实施例的微观组织
表2本发明实施例、对比例的耐磨性能
编号 | M1 | M2 | A/mm<sup>2</sup> | G |
实施例1 | 628g | 626 | 314 | 0.006369 |
实施例2 | 628g | 626 | 314 | 0.006369 |
实施例3 | 628g | 627 | 314 | 0.003184 |
QSi3-1 | 628g | 605 | 314 | 0.073248 |
表3本发明实施例、对比例的耐磨性能
Claims (5)
1.一种硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:该硅青铜的质量百分比组成为,Si:2.0wt%~3.5wt%,Mn:1.0wt%~1.5wt%,Zn:0.2wt%~0.8wt%,Ni:0.1wt%~0.5wt%,Cr:0.1wt%~0.3wt%,Co:0.1wt%~0.5wt%,余量为Cu和不可避免的杂质;
包括以下制备步骤:
1)熔炼;
2)水平连铸;铸造温度:1250℃~1350℃,拉铸速度:0.5mm/s ~3.5mm/s,牵引时间:500~2000ms,并控制结晶器内棒坯结晶前沿与棒坯出结晶器口的温差为300℃~800℃;
3)拉拔:对棒坯进行拉拔得到棒材,根据需要在拉拔中间设置一道或者多道中间退火;中间退火温度在600℃~700℃,保温时间为1 h~5h;
4)时效;
该硅青铜的微观组织包括铜基体以及分布在铜基体上的第二相,所述第二相包括Mn2Si、Ni2Si、Co2Si,所述Mn2Si相、Ni2Si、Co2Si的总面积含量为1~2%;所述Mn2Si的面积含量为0.1~0.2%;该硅青铜的晶粒中沿轴向的柱状晶占总晶粒面积百分含量的50%以上。
2.根据权利要求1所述的硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:所述硅青铜棒材在Φ12mm以上时,抗拉强度在470MPa以上,延伸率在19%以上,硬度在180HB以上,摩擦系数在0.013以下。
3.根据权利要求1所述的硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中,在铜套内加一次冷却水,在距离棒坯出结晶器30mm~150 mm处设二次冷却水;一次冷却水的水温为10℃~30℃,冷却水的流量为2~10m3/h,二次冷却水的水温为10℃~30℃,冷却水的流量为2~10m3/h。
4.根据权利要求1所述的硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:所述步骤4)中,时效温度为400℃~500℃,保温时间为1 h~5h。
5.根据权利要求1所述的硅青铜棒材的制备方法,其特征在于:在步骤4)时效结束后对棒材进行成品退火,所述成品退火温度为200~300℃,保温时间为1 h~5h。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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