CN115305372B - 一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，包括：(1)称取原料；(2)装炉后抽真空；(3)调整熔炼炉加热功率，开始真空熔炼；(4)调整熔炼炉加热功率，开始进行浇铸，得到铸锭；(5)铸锭均匀化退火后，将铸锭加热锻造成棒料：(6)将棒料挤压为管材；(7)对管材机加工后，得到目标长度的轴承套。本发明通过真空熔炼制备的CuNiSn合金材料组分合理、组织均匀，合金化程度高，并且加入少量Fe、Si、Al后材料强度提高，耐磨性能提高，组织中无Sn的反偏析，并且锻造、挤压和热处理后的成品强度高、耐磨性好，能够满足铜合金轴承套的性能要求。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金制造技术领域，具体是涉及一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法。
背景技术
铜合金轴承套主要用于各种轻工、大型、重型机械上，是机械上的重要组成件，铜合金轴承套需要有较高的硬度，较高的耐磨性，不易产生咬死现象，并且需要有较好的铸造性能和切削加工性能，在大气和淡水中有良好的耐蚀性，在缺乏润滑剂条件下，滑动性和自润滑性能好。
目前使用最广泛的铜合金轴承套材料是铍青铜，但是铍元素具有毒性，且铍青铜加工生产过程对人体及环境有害，且合金加工工艺复杂，性能稳定性差，生产成本高，因此许多学者设计出了CuNiSn合金，其性能有望替代铍青铜作为轴承套材料。
目前CuNiSn合金的制备方法主要有：粉末冶金法、机械合金化法、快速凝固法等，但是这些方法存在生产过程复杂、合金气体含量高、合金元素容易氧化、生产成本高等问题。因此，现需要一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，以完全满足目前市场上铜合金轴承套要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法。
本发明的技术方案是：一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按照质量百分比称取原料：Ni 5-7％、Sn 5-7％、Al 0.5-2％、Fe 0.01-0.03％、Si 0.3-0.7％，余量为Cu；
(2)装炉及抽真空：将各个所述原料依次装入熔炼炉的坩埚内，开始对熔炼炉内抽真空，待熔炼炉内真空压力P≤0.08MPa时，继续抽真空；
(3)熔炼：待熔炼炉内真空度P≤10Pa时，调整熔炼炉加热功率，使熔炼炉内间歇式加热升温至1250℃-1450℃，待坩埚内原料开始熔化时，降低熔炼炉加热功率，开始向熔炼炉内充入氩气，待熔炼炉内真空压力达到-0.08MPa时，停止充入氩气，待坩埚内原料全部熔化后，调整熔炼炉加热功率，使原料在1100℃-1200℃下精炼3min，得到金属液；
(4)浇铸：调整熔炼炉加热功率，将熔炼炉内温度控制在1000℃-1100℃，并保持温度30s，使用钢模对所述金属液开始浇铸，浇铸完成后得到铸锭；
(5)热锻：对所述铸锭进行均匀化退火后，将铸锭加工成直径为100-120mm的粗棒料，然后将粗棒料加热至850℃，保温2-4h后，将粗棒料锻造成直径为80mm的棒料；
(6)热挤压：将棒料挤压为内径40-60mm，外径为50-70mm，壁厚≥10mm的管材，然后对管材进行固溶处理后，再进行时效处理；
(7)机加工：对管材进行机加工处理，得到目标长度的轴承套。
采用上述方法制备的CuNiSn合金轴承套，通过加入少量Fe、Si、Al后材料强度提高，耐磨性能提高，晶粒细化，组织中无Sn的反偏析，并且锻造、挤压和热处理后的成品强度高、耐磨性好，能够完全满足目前市场上铜合金轴承套要求，生产工艺简单，操作方便，生产成本低。
进一步地，步骤(1)中各个原料分别采用镍板、锡锭、铝锭、CuFe中间合金、CuSi中间合金、电解铜板的形式加入，利用上述原料制备的CuNiSn合金轴承套组分合理、组织均匀，合金化程度高，无明显组织缺陷，无杂质。
进一步地，步骤(4)所述浇铸的浇铸速度为先慢、再适当加快，最后再减慢，最后补缩3次，通过先慢，后快再减慢的浇铸速度可以保证铜液凝固过程有效补缩，最后再补缩3次，防止铸锭冷却产生缩孔等缺陷，使铸锭形成致密组织。
进一步地，步骤(5)均匀化退火的具体方法为：将铸锭放入热处理炉，开启热处理炉加热至炉内温度达860℃，保温10-13h后关闭加热，使铸锭随炉冷却，通过均匀化退火可消除铸锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。
进一步地，步骤(6)时效处理的具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至400℃，保温3-4h后，随炉冷却，时效处理可以消除管材残余应力，稳定尺寸，防止变形与开裂。
作为本发明的一种可选技术方案，步骤(6)固溶处理的具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温1-3h，出炉后将管材浸入水中，使管材快速冷却，固溶处理可以使CuNiSn合金轴承套获得适宜的晶粒度，改善塑性和韧性。
作为本发明的另一种可选技术方案，步骤(6)固溶处理的具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温1-3h，然后进行表面处理，表面处理过程不仅使管材温度下降且使管材表面性能得到了强化。
进一步地，所述表面处理的方法为：向管材表面喷涂第一喷涂液，待管材表面温度下降至650-750℃时，向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液，且交替喷涂的交替时间为10-15s，待管材表面温度下降至450-550℃时，向管材表面喷洒第一喷涂液直至管材表面温度降至室温，采用第一喷涂液与第二喷涂液交替使用，使管材表面温度的下降速度交替变化，提高了管材的表面性能。
进一步地，所述第一喷涂液的成份按质量份数计为：乙二醇8-16份、氢氧化钠25-30份、丙三醇3-10份，其余为去离子水；所述第二喷涂液的成份按质量份数计为：聚乙二醇2-5份、氟化钠10-15份、硼酸10-20份，其余为去离子水，第一喷涂液可迅速带走管材表面热量使管材降温，在第一喷涂液与第二喷涂液交替作用于管材表面时会发生反应，并放出热量，管材表面温度会先快速下降，再略微放缓交替进行，同时提高了管材表面的耐摩擦性能。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过真空熔炼制备的CuNiSn合金材料组分合理、组织均匀，合金化程度高，无明显组织缺陷，无杂质，并且加入少量Fe、Si、Al后材料强度提高，耐磨性能提高，晶粒细化，组织中无Sn的反偏析，并且锻造、挤压和热处理后的成品强度高、耐磨性好，能够完全满足目前市场上铜合金轴承套要求，且生产工艺简单，操作方便，生产成本低。
(2)本发明通过将第一喷涂液与第二喷涂液交替配合喷洒在管材表面，第一喷涂液能使管材表面温度先快速下降，第一喷涂液与第二喷涂液共同作用时管材表面温度会先快速下降，再略微放缓交替进行，最后再使用第一喷涂液使管材迅速降温，采用上述特质化降温速度的交替变化，进一步细化了管材晶粒，减少了内部缺陷，提高了管材的表面性能。
附图说明
图1是本发明用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优势。
实施例1
如图1所示，一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：使用镍板、锡锭、铝锭、CuFe中间合金、CuSi中间合金、电解铜板作为原料，按照Ni 5％、Sn 5％、Al 0.5％、Fe 0.01％、Si 0.3％，余量为Cu的质量百分比进行称取；
(2)装炉及抽真空：将称取的原料依次装入熔炼炉的坩埚内，合上炉盖，关闭放气阀，开启机械泵，打开低真空挡板阀开始对熔炼炉抽真空，待炉内真空压力P达到0.08MPa时，开启罗茨泵，继续抽真空；
(3)熔炼：待熔炼炉内真空度P达到10Pa时，调整熔炼炉加热功率，使熔炼炉内间歇式加热升温至1250℃，待坩埚内原料开始熔化时，降低熔炼炉加热功率，开始向熔炼炉内充入氩气，待熔炼炉内真空压力达到-0.08MPa时，停止充入氩气，待坩埚内原料全部熔化后，调整熔炼炉加热功率，使原料在1100℃下精炼3min，得到金属液；
(4)浇铸：调整熔炼炉加热功率，将熔炼炉内温度控制在1000℃，并保持温度30s，使用钢模对金属液开始浇铸，浇铸速度为15Kg/min，再调整至30Kg/min，最后再减慢为15Kg/min，最后补缩3次，浇铸完成后得到铸锭；
(5)热锻：对所述铸锭进行均匀化退火后，均匀化退火的方法为：将铸锭放入热处理炉，开启热处理炉加热至炉内温度达860℃，保温12h后关闭加热，使铸锭随炉冷却；再将铸锭加工成直径为120mm的粗棒料，然后将粗棒料加热至850℃，保温3h后，将粗棒料锻造成直径为80mm的棒料；
(6)热挤压：基于实际生产需要，因此将棒料挤压为内径45mm，外径为55mm，壁厚10mm的管材，然后对管材进行固溶处理，具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温2h，出炉后将管材浸入水中，使管材快速冷却；再对管材进行时效处理，具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至400℃，保温3h后，随炉冷却；
(7)机加工：对管材进行机加工处理，得到目标长度的轴承套。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)中称取的原料质量百分比不同，具体为：Ni 6％、Sn 6％、Al 1％、Fe 0.02％、Si 0.5％，余量为Cu；
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(1)中称取的原料质量百分比不同，具体为：Ni 7％、Sn 7％、Al 2％、Fe 0.03％、Si 0.7％，余量为Cu；
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(3)中调整熔炼炉加热功率，使熔炼炉内间歇式加热升温1350℃。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(3)中调整熔炼炉加热功率，使熔炼炉内间歇式加热升温1450℃。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，步骤(6)中固溶处理的方法不同，具体为：将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温2h，然后向管材表面喷涂第一喷涂液，待管材表面温度下降至600℃时向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液，且交替喷涂的交替时间为12s，待管材表面温度下降至500℃时，向管材表面喷洒第一喷涂液直至管材表面温度降至室温；
所述第一喷涂液的成份按质量份数计为：乙二醇10份、氢氧化钠27份、丙三醇8份，其余为去离子水；所述第二喷涂液的成份按质量份数计为：聚乙二醇4份、氟化钠12份、硼酸15份，其余为去离子水。
实施例7
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，所述第一喷涂液的成份按质量份数计为：乙二醇8份、氢氧化钠25份、丙三醇3份，其余为去离子水；所述第二喷涂液的成份按质量份数计为：聚乙二醇2份、氟化钠10份、硼酸10份，其余为去离子水。
实施例8
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，所述第一喷涂液的成份按质量份数计为：乙二醇16份、氢氧化钠30份、丙三醇10份，其余为去离子水；所述第二喷涂液的成份按质量份数计为：聚乙二醇5份、氟化钠15份、硼酸20份，其余为去离子水。
实施例9
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温2h，然后向管材表面喷涂第一喷涂液，待管材表面温度下降至750℃时，向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液，且交替喷涂的交替时间为12s，待管材表面温度下降至550℃时，向管材表面喷洒第一喷涂液直至管材表面温度降至室温。
实施例10
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温2h，然后向管材表面喷涂第一喷涂液，待管材表面温度下降至650℃时，向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液，且交替喷涂的交替时间为12s，，待管材表面温度下降至450℃时，向管材表面喷洒第一喷涂液直至管材表面温度降至室温。
实施例11
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液的交替时间为10s。
实施例12
本实施例与实施例6基本相同，不同之处在于，向管材表面交替喷涂第一喷涂液和第二喷涂液的交替时间为15s。
实验例
针对各实施例所制备的CuNiSn合金轴承套，测试其力学性能，具体探究如下：
1、探究原料不同质量百分比对CuNiSn合金轴承套性能的影响
以实施例1、2、3作为实验对比得到的试样性能测试数据如下表1所示：
表1原料不同质量百分比制备得到的试样性能测试数据
| 组别 | 硬度(HB) | 摩擦系数 |
| 实施例1 | 282 | 0.26 |
| 实施例2 | 291 | 0.19 |
| 实施例3 | 298 | 0.23 |
由表1数据可知，选用不同质量百分比的各个原料对制得的CuNiSn合金轴承套的硬度和摩擦系数均有影响，且实施例2的原料质量百分比得到的试样耐摩擦性能最好。
2、探究熔炼温度对CuNiSn合金轴承套性能的影响
以实施例1、4、5作为实验对比得到的试样性能测试数据如下表2所示：
表2不同熔炼温度制备得到的试样性能测试数据
| 组别 | 硬度(HB) | 摩擦系数 |
| 实施例1 | 282 | 0.26 |
| 实施例4 | 289 | 0.22 |
| 实施例5 | 276 | 0.25 |
由表2数据可知，不同的熔炼温度对CuNiSn合金轴承套的硬度和摩擦系数均有影响，其中实施例4选择的熔炼温度最优。
3、探究第一喷涂液、第二喷涂液各组份质量份数不同对CuNiSn合金轴承套性能的影响
以实施例1、6、7、8作为实验对比，得到的试样性能测试数据如下表3所示：
表3不同固溶处理制备得到的试样性能测试数据
| 组别 | 硬度(HB) | 摩擦系数 |
| 实施例1 | 282 | 0.26 |
| 实施例6 | 295 | 0.10 |
| 实施例7 | 290 | 0.15 |
| 实施例8 | 283 | 0.12 |
通过实施例1、6对比可以看出加热后向管材表面交替喷涂第一喷涂液与第二喷涂液，制得的试样硬度高，摩擦系数低，实施例6的试样耐磨性能优于实施例1。
通过实施例6、7、8对比可以看出，第一喷涂液与第二喷涂液的各组份质量份数不同，制得的试样性能也不同，其中实施例6制得的试样摩擦系数最小，耐磨性能最好。
4、探究第一喷涂液、第二喷涂液交替使用时的温度对CuNiSn合金轴承套性能的影响
以实施例6、9、10作为实验对比得到的试样性能测试数据如下表4所示：
表4第一喷涂液、第二喷涂液交替使用时的温度不同得到的试样性能测试数据
| 组别 | 硬度(HB) | 摩擦系数 |
| 实施例6 | 295 | 0.10 |
| 实施例9 | 289 | 0.15 |
| 实施例10 | 293 | 0.13 |
通过实施例6、9、10对比可以看出，第一喷涂液与第二喷涂液交替使用时的温度不同，制得的试样性能也不同，其中实施例6选择的温度制得的试样耐摩擦性能最好。
5、探究第一喷涂液与第二喷涂液交替使用的交替时间对CuNiSn合金轴承套性能的影响
以实施例6、11、12作为实验对比得到的试样性能测试数据如下表5所示：
表5第一喷涂液与第二喷涂液交替使用的交替时间不同得到的试样性能测试数据
| 组别 | 硬度(HB) | 摩擦系数 |
| 实施例6 | 295 | 0.10 |
| 实施例11 | 292 | 0.11 |
| 实施例12 | 285 | 0.13 |
通过实施例6、11、12对比可以看出，第一喷涂液与第二喷涂液交替使用的交替时间不同，制得的试样性能存在差异，其中实施例6制得的试样耐摩擦性能最好。
6、探究不同第一喷涂液、第二喷涂液对CuNiSn合金轴承套性能的影响
在实施例6基础上仅喷涂第一喷涂液，作为对比例1；在实施例6的基础上仅喷涂第二喷涂液，作为对比例2；在实施例6的基础上第一喷涂液中的氢氧化钠采用去离子水代替，第二喷涂液中的硼酸采用去离子水代替，作为对比例3，得到的试样性能测试数据如下表6所示：
表6不同第一喷涂液、第二喷涂液对CuNiSn合金轴承套性能测试数据
通过实施例6和对比例1、2可以看出，第一喷涂液或第二喷涂液单独使用，制得的试样性能都达不到实施例6制得的试样性能，通过实施例6和对比例3可以看出，实施例6制得试样性能优于对比例3。
Claims (3)
1.一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配料：按照质量百分比称取原料：Ni 5-7%、Sn 5-7 %、Al 0.5-2%、Fe 0.01-0.03%、Si 0.3-0.7%，余量为Cu；
（2）装炉及抽真空：将各个所述原料依次装入熔炼炉的坩埚内，开始对熔炼炉内抽真空，待熔炼炉内真空压力P≤0.08MPa时，继续抽真空；
（3）熔炼：待熔炼炉内真空度P≤10Pa时，调整熔炼炉加热功率，使熔炼炉内间歇式加热升温至1250℃-1450℃，待坩埚内原料开始熔化时，降低熔炼炉加热功率，开始向熔炼炉内充入氩气，待熔炼炉内真空压力达到-0.08MPa时，停止充入氩气，待坩埚内原料全部熔化后，调整熔炼炉加热功率，使原料在1100℃-1200℃下精炼3min，得到金属液；
（4）浇铸：调整熔炼炉加热功率，将熔炼炉内温度控制在1000℃-1100℃，并保持温度30s，使用钢模对所述金属液开始浇铸，浇铸完成后得到铸锭；
（5）热锻：对所述铸锭进行均匀化退火后，将铸锭加工成直径为100-120mm的粗棒料，然后将粗棒料加热至850℃，保温2-4h后，将粗棒料锻造成直径为80mm的棒料；
均匀化退火的具体方法为：将铸锭放入热处理炉，开启热处理炉加热至炉内温度达860℃，保温10-13h后关闭加热，使铸锭随炉冷却；
（6）热挤压：将棒料挤压为内径40-60mm，外径为50-70mm，壁厚≥10mm的管材，然后对管材进行固溶处理后，再进行时效处理；
固溶处理的具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至850℃，保温1-3h，出炉后将管材浸入水中，使管材快速冷却；时效处理的具体方法为：将管材放入热处理炉中加热至400℃，保温3-4h后，随炉冷却；
（7）机加工：对管材进行机加工处理，得到目标长度的轴承套。
2.根据权利要求1所述的一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中各个原料分别采用镍板、锡锭、铝锭、CuFe中间合金、CuSi中间合金、电解铜板的形式加入。
3.根据权利要求1所述的一种用于轴承套的高强耐磨CuNiSn合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述浇铸的浇铸速度为先慢、再适当加快，最后再减慢，最后补缩3次。
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