CN115261669B - 一种锡铅青铜棒材及其制备方法 - Google Patents

一种锡铅青铜棒材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锡铅青铜棒材，其特征在于：该锡铅青铜的质量百分比组成为Sn：11.0～13.0wt％，Pb：12.0～14.0wt％，Zn：1.0～3.0wt％，Ni：0.85～3.0wt％，P：0.15～0.50wt％，Ti：0.005～0.05wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。通过添加Zn、Ni、P元素并限定添加量，使得合金中Pb颗粒、δ相尺寸减小，分布数量增加，改善了单纯提高Pb含量解决锡铅青铜强度和耐磨性能的问题，实现锡铅青铜棒材的摩擦系数为0.003～0.011，抗拉强度≥400MPa。

Description

一种锡铅青铜棒材及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种锡铅青铜棒材及其制备方法。
背景技术
根据Pb含量的范围，将锡铅青铜分为两类：高铅锡铅青铜和低铅锡铅青铜，Pb含量不同，决定了它们的应用领域的不同。高铅产品主要用于生产耐磨材料，低铅产品主要用于生产易切削耐蚀材料，由于游离Pb的自润滑作用，随着Pb含量的提高，锡铅青铜的耐磨性能也得到提高，但是材料的强度下降。
高铅锡铅青铜具有良好的抗滑动磨擦性，优良的切削性能和良好的焊接性能，主要用于制造航空、汽车及其它工业部门中承受磨擦的零件，如汽缸活塞销衬套、轴承和衬套的内衬、副连杆衬套、圆盘和垫圈等。
锡铅青铜中Pb含量提高，虽然能提升材料的耐磨性能，但随之而来的问题是：一、Pb宏观的比重偏析，即整批铜棒Pb含量有高有低；或者组织中的Pb颗粒微观偏析，即Pb颗粒出现团聚，分布不均匀；二、Pb含量的提高降低了的合金强度。Pb偏析带来的问题主要有两个：一是材料的耐磨性能变差；二是锡铅青铜棒材后道加工剥皮容易出现Pb颗粒剥落形成凹坑现象，棒材的表面质量无法满足客户加工要求。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强度、高耐磨锡铅青铜棒材。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种锡铅青铜棒材，其特征在于：该锡铅青铜的质量百分比组成为Sn：11.0～13.0wt％，Pb：12.0～14.0wt％，Zn：1.0～3.0wt％，Ni：0.85～3.0wt％，P：0.15～0.50wt％，Ti：0.005～0.05wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
Sn：Sn与Cu的原子半径差距最大，Sn在Cu中固溶强化作用最为显著，合金强度和硬度随着Sn含量成正比例提高，当Sn含量超过最大固溶度14％以后，继续提高Sn含量，合金的强度反而下降，因此本发明Sn含量控制在11.0～13.0wt％。
Pb：Pb不固溶于Cu中，它以游离态分布在枝晶间，Pb降低合金的摩擦系数，提高材料的耐磨性和切削性，但会降低力学性能。锡铅青铜组织中的Pb颗粒越细小，数量越多，分布越均匀，合金的耐磨性能越优异，本发明为了实现高的耐磨性能，Pb含量控制在12.0～14.0wt％。
Zn：Zn最重要的作用是能缩小锡铅青铜的结晶温度间隔，减少Sn的反偏析。Zn在Cu中固溶度大，可完全固溶于α相中，可以部分取代贵重金属元素Sn，提高合金的机械性能，锡铅青铜的含锌量在1.0～3.0％时，具有良好的机械性能，但Zn的加入会使锡铅青铜的耐蚀性能有所下降，因此本发明中加入的Zn含量不超过3％。
P：锡铅青铜中，P极限溶解度只有0.15％，P能提高熔体的流动性，缺点是加大铸坯的反偏析，因此，锡铅青铜的P含量一般不超过0.5％，但P含量在0.15％以下时，NiP析出相数量大幅减少，提高合金强度的作用有限，因而本发明P含量应控制在0.15～0.5wt％。
Ni：在锡铅青铜中，Pb含量越高越分布不均匀，Ni有利于加速熔体的凝固和结晶速度，Ni可改善Pb的不均匀分布，并细化组织，从而提高锡铅青铜的耐磨性能，Ni含量太低作用不明显，此外，Ni与合金中的P元素作用形成强化相NiP，进一步提高合金的强度，Ni会增加铜液的粘度，含量过高，铜水流动性变差，铸坯容易出现疏松，因此，本发明合金中Ni：0.85～3.0wt％。
Ti：Ti熔点远高于Cu，在Cu中固溶度低，铸造时分布在枝晶之间最后凝固，可以阻止δ相团聚，δ相是脆性相，它的尺寸越小，对合金的强度影响越小，但Ti很活泼，极易氧化，含量高，大量氧化物在铜液中使得铜液粘稠，流动性变差，合金铸造性能变差，因此，本发明合金中Ti：0.005～0.05wt％。
作为优选，该锡铅青铜的微观组织包括α相、Pb相、δ相以及NiP相，其中，α相为基体相，Pb相的面积分数为40～60％，δ相的面积分数≤10％，NiP相的面积分数为5～10％。
α相：是本发明合金的基体相，其是Sn在Cu中的固溶体，晶体结构是面心立方，具有一定的强度且韧性好，它的作用是缓冲高Pb青铜零部件在复杂工况条件下受到外力作用，防止开裂。
δ相：Sn含量达到5％以上，青铜结晶温度范围变宽，凝固结晶开始时先形成α相枝晶，枝晶之间的铜水最后凝固形成δ相，δ相属于复杂立方晶格，性质硬而脆，它的存在恶化锡铅青铜的耐磨性能和强度，在组织中所占面积分数越小，对锡铅青铜的耐磨性能和强度的影响越小，因此，应尽量控制δ相形成，故控制δ相的面积分数≤10％。
Pb相：影响锡铅青铜的耐磨性能和强度，锡铅青铜的耐磨机理是：硬基体(α+NiP相)与软的Pb相配合实现锡铅青铜的耐磨性能和强度，Pb相面积分数＜40％，耐磨性能较差，Pb相面积分数＞60％，耐磨性能提高不再变化，而且由于Pb割裂了基体的延续性，导致合金强度明显下降，因此，Pb相面积分数在40～60％范围，实现锡铅青铜的耐磨性能和强度获得平衡。
NiP相：主要影响合金的强度，NiP相通过从基体α相中析出强化提高基体的强度，尺寸为纳米级，而且一定比例弥散分布的NiP相析出强化提高了基体的强度，它在基体上分布少，强化作用不明显，弥散分布才能提高强度，如果比例过高，说明NiP相出现团聚，因为NiP相性质硬，反而会降低合金的强度，较高比例均匀分布在基体中Pb相提高了合金的耐磨性能，因此，NiP相面积分数应控制在5～10％。
作为优选，Pb相平均尺寸≤15μm，Pb颗粒数量≥27000个/mm2，δ相平均尺寸≤10μm。
δ相和Pb相的尺寸影响锡铅青铜的耐磨性能和强度，δ相的尺寸越细小，对锡铅青铜的耐磨性能和强度的影响越小。Pb颗粒性质软，而合金基体性质硬，弥散分布的质软的Pb颗粒起到均匀的自润滑作用，Pb颗粒剥落留下的坑洞还能起到储油作用，从而降低锡铅青铜的摩擦系数，减少磨损量，提高了锡铅青铜的耐磨性能。当Pb相平均尺寸≤15μm，Pb颗粒数量≥27000个/mm2，δ相平均尺寸≤10μm时，本发明合金实现了耐磨和强度的均衡。
作为优选，该锡铅青铜还包括X：0.001～0.02wt％，X选自Ce、La、Nd、Pr中的至少两种。
混合稀土的综合作用能改善锡铅青铜铸坯的组织，从而改善锡铅青铜的硬度和耐磨性能，原因是稀土元素与Pb形成高熔点的稀土铅化合物XPb，聚集在α相和Pb相相界上，阻碍了Pb的团聚，使得Pb相细小，Pb颗粒均匀分布在合金基体中；X元素的加入量控制在0.001～0.02wt％，添加量过低，改善Pb颗粒均匀性作用不明显，添加量过高，影响合金凝固结晶，连铸时铸坯容易开裂。
作为优选，该锡铅青铜棒材的摩擦系数为0.003～0.011，抗拉强度≥400MPa。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种锡铅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：一种锡铅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：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1180～1250℃，待全部金属熔化，化验成分合格后转炉倒入保温炉保温，转炉温度控制在1210～1250℃；
2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸造温度1170～1220℃，冷却水压力控制在0.1～0.4Mpa，冷却水进水温度：20～30℃，冷却水出水温度：32～40℃，牵引速度：300～1500mm/min，牵引节距：2～15mm；
3)时效处理：从常温开始升温至350～500℃，升温时间30～60min，保温时间：30～240min。
作为优选，所述步骤1)中，保温炉选用中频感应电炉，中频感应电炉线圈为两相或三相交流供电，搅拌率0.08～0.15。
保温炉选用中频感应电炉，这是因为本发明锡铅青铜Pb含量达到12.0～14.0wt％，又因Pb和Cu的密度差异大，且Pb的熔点只有327℃，所以锡铅青铜易产生Pb偏聚，感应磁场对熔体的搅拌作用减轻了Pb的偏聚。两相或三相交流供电，产生的感应磁场对炉膛里的铜液形成整体的两区搅拌，降低Pb的比重偏析。
中频感应电炉电磁搅拌作用于熔体，在熔体顶部形成“驼峰”，搅拌率是驼峰高度与熔体直径的比值，对于本发明合金来说，搅拌率0.08～0.15，搅拌效果最好，能避免高Pb带来的比重偏析团聚问题，使得Pb在铜水中分布更为均匀。
作为优选，所述步骤2)中，位于结晶器外侧的铸坯距离结晶器出口5～15cm处的温度为600～700℃。δ相在600～700℃发生分解，尺寸减小，在组织中占比减小，控制δ相的尺寸和面积占比。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过添加Zn、Ni、P元素并限定添加量，使得合金中Pb颗粒、δ相尺寸减小，分布数量增加，改善了单纯提高Pb含量解决锡铅青铜强度和耐磨性能的问题，实现锡铅青铜棒材的摩擦系数为0.003～0.011，抗拉强度≥400MPa。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织照片(放大200倍)；
图2为本发明对比例的金相组织照片(放大200倍)。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供3个实施例和1个对比例，具体成分见表1，实施例采用本发明的制备方法制备。
实施例1：
规格为φ16mm锡铅青铜棒材的制备步骤如下：
1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1190～1220℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入中频感应电炉，转炉温度为1243℃。中频感应电炉线圈为两相交流供电，搅拌率为0.12。
2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸造温度1180～1200℃，冷却水压力控制在0.31Mpa，冷却水进水温度：22℃，冷却水出水温度：36℃，牵引速度：900mm/min，牵引节距：5mm；位于结晶器外侧的铸坯距离结晶器出口10cm处的温度为610～660℃。
3)时效处理：从常温开始升温至400℃，升温时间30min，保温时间：90min。
实施例2：
规格为φ12mm锡铅青铜棒材的制备步骤如下：
1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1200～1235℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入中频感应电炉，转炉温度为1226℃。中频感应电炉线圈为两相交流供电，搅拌率为0.14。
2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸造温度1195～1215℃，冷却水压力控制在0.28Mpa，冷却水进水温度：25℃，冷却水出水温度：38℃，牵引速度：1160mm/min，牵引节距：6mm；位于结晶器外侧的铸坯距离结晶器出口10cm处的温度为640～680℃。
3)时效处理：从常温开始升温至380℃，升温时间30min，保温时间：120min。
实施例3：
规格为φ12mm锡铅青铜棒材的制备步骤如下：
1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1200～1240℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入中频感应电炉，转炉温度为1216℃。中频感应电炉线圈为两相交流供电，搅拌率为0.08。
2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸造温度1180～1215℃，冷却水压力控制在0.22Mpa，冷却水进水温度：20℃，冷却水出水温度：34℃，牵引速度：750mm/min，牵引节距：4mm；位于结晶器外侧的铸坯距离结晶器出口10cm处的温度为660～690℃。
3)时效处理：从常温开始升温至450℃，升温时间30min，保温时间：70min。
对比例为C93700。
对得到的实施例、对比例进行微观组织检测：按照GB/T 15749-2008(定量金相测定方法)中第4.3.3条(网格截线法)规定的方法进行测定，具体检测数据见表2。
从图1的金相组织照片可以看出：灰色树枝状为基体相α相，黑色圆形的颗粒为Pb相，黑色不规则的为δ相，弥散分布的小白点为NiP相，组织均匀。
从图2的金相组织照片可以看出：灰色块状为基体相α相，黑色团聚的为Pb相和δ相，由于发生团聚，Pb相和δ相不能区分，组织不均匀。
对实施例、对比例进行力学性能检测：
抗拉强度检测：按照GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验》第1部分：室温试验方法第10、20条测量抗拉强度。
耐磨性能进行检测：在MHK-500磨损试验机上，根据GB/T 12444-2006(金属材料金属磨损试验方法试环—试块滑动磨损试验)规定的试验方法进行磨损试验，试块与规定转速的试环相接触，并承受一定试验力，经规定转数后，用磨痕宽度计算试块的体积磨损，试验中连续测量试块上的摩擦力和正压力，计算摩擦系数。磨损试验机转速：600r/min，试环线速度：1.60m/s，载荷：300N，磨损时间：60min，每3min测量一次摩擦力，润滑介质为20#机油。试块的体积磨损量越小，材料耐磨性能越好，试块摩擦系数越小，材料越耐磨。
表1本发明实施例、对比例的化学成分/wt％
Figure BDA0003768514360000061
表2本发明实施例、对比例的微观组织以及力学性能
Figure BDA0003768514360000062
/>

Claims (5)

1.一种锡铅青铜棒材，其特征在于：该锡铅青铜的质量百分比组成为Sn：11.0～13.0wt%，Pb：12.0~14.0wt%，Zn：1.0~3.0wt%，Ni：0.85~3.0wt%，P：0.15~0.50wt%，Ti：0.005~0.05wt%，还包括X：0.001~0.02wt%，X选自Ce、La、Nd、Pr中的至少两种，余量为Cu和不可避免的杂质；
该锡铅青铜的微观组织包括α相、Pb相、δ相以及NiP相，其中，α相为基体相，Pb相的面积分数为40～60%，δ相的面积分数≤10%，NiP相的面积分数为5～10%；
Pb相平均尺寸≤15μm，Pb颗粒数量≥27000个/mm2，δ相平均尺寸≤10μm。
2.根据权利要求1所述的锡铅青铜棒材，其特征在于：该锡铅青铜棒材的摩擦系数为0.003～0.011，抗拉强度≥400MPa。
3.一种权利要求1或2所述的锡铅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：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1180~1250℃，待全部金属熔化，化验成分合格后转炉倒入保温炉保温，转炉温度控制在1210～1250℃；
2）水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸造温度1170~1220℃，冷却水压力控制在0.1~0.4MPa，冷却水进水温度：20~30℃，冷却水出水温度：32~40℃，牵引速度：300~1500mm/min，牵引节距：2~15mm；
3）时效处理：从常温开始升温至350~500℃，升温时间30~60min，保温时间：30~240min。
4.根据权利要求3所述的锡铅青铜棒材的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，保温炉选用中频感应电炉，中频感应电炉线圈为两相或三相交流供电，搅拌率0.08~0.15，搅拌率是驼峰高度与熔体直径的比值。
5.根据权利要求3所述的锡铅青铜棒材的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，位于结晶器外侧的铸坯距离结晶器出口5～15cm处的温度为 600~700℃。
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