CN115404378B - 一种耐磨铜合金方棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨铜合金，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Cu：58.5～62.5wt％，Ce：0.10～0.30％，Mn：0.008～0.010wt％，Sn：0.25～0.40％，Pb：1.0～1.7wt％，Fe：0.015～0.025wt％，余量为锌及不可避免的杂质。在黄铜基体中添加Ce、Mn、Sn、Fe元素，通过多元素微量添加，提升基体的硬度，从而实现黄铜合金优异的耐磨性能，同时依然保持黄铜优异的塑性；该铜合金的硬度为150～200HV5，抗拉强度≥550Mpa，延伸率≥8％，成品方棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，各位置处最大尺寸公差在0.05mm以内，表面质量好且尺寸公差一致高，同时具有优异的切削性能，非常适用于对矿机用液压支架底板中等耐磨要求的场合。

Description

一种耐磨铜合金方棒的制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种耐磨铜合金及其方棒的制备方法。

背景技术

随着国家基建和制造业的突飞猛进，用于高铁、桥梁、电力、油田、采矿等领域的工程设备生产能力大幅提升，设备向大型化、高速度化及高性能化发展，随之而来的，用于制造工程设备的材料在强度、耐磨性和抗冲击能力又提出更高的要求。如采矿业掘进装置中的液压支架，承受井下巨大的载荷和冲击，是支撑、维护顶板和保障井下安全生产的关键。支架为大规格扁方结构件，通常规格为42×73mm，采用机加工成型。因采矿业掘进装置机械程度的提高以及大型化发展，现常用的液压支架材料Q690虽具有较好的耐磨性，但耐冲击性差易造成支架底板等部件开裂，存在安全隐患。普通铜合金具备较好的塑性、耐磨性，但无法达到强度、耐磨、耐冲击、易切削的综合能效，随着大型工程设备的普及，大规格强度高、耐磨、耐冲击的扁方铜合金材料越来越凸显其作用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种易切削且通过提升基体硬度来提升耐磨性的耐磨铜合金。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种耐磨铜合金，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Cu：58.5～62.5wt％，Ce：0.10～0.30％，Mn：0.008～0.010wt％， Sn：0.25～0.40％，Pb：1.0～1.7wt％，Fe：0.015～0.025wt％，余量为锌及不可避免的杂质。

本发明添加58.5～62.5wt％的Cu，其主要作用是保证α相与β相的相对含量符合要求，矿机用液压支架底板呈偏方状，即横向尺寸远大于纵向尺寸，因此，铜合金不仅需要具有较高强度和硬度，同时也要保证其能够经受一定的冲击，具有一定的韧性。当 Cu含量低于58.5wt％时，Zn含量过高会导致形成的β相过高而使复杂黄铜的韧性降低。当Cu含量≥62.5％时，β相比例过低，复杂黄铜的强度和硬度无法达到矿机液压支架底板用的使用需求。

本发明添加0.10～0.30wt％的Ce，根据凝固原理及热力学观点，由于稀土Ce的原子半径(0.27nm)远大于铜原子半径(0.157nm)，因此Ce原子很容易填补正在生长中的铜合金的晶粒新相的表面缺陷处,抑制晶粒长大。而且稀土元素在黄铜中溶解度很小，凝固过程中通常聚集在固液界面前沿，可以促进新晶核的生成，细化基体晶粒，阻碍裂纹扩展，从而提高合金的强度。同时Ce可以与合金中的Pb反应形成高熔点化合物CePb，该化合物常以极微细的颗粒悬浮于熔体之中，成为弥散的晶核，在合金凝固过程中使晶粒变多、变小。铜合金的硬度和强度随着Ce含量的增加而降低；当Ce高于0.3％时，会导致过多的细小硬质相析出，增加硬质相颗粒的数量，在拉伸过程中增加了裂纹源的数量，进而降低复杂黄铜的硬度和强度。

本发明添加0.008～0.10％的Mn，其主要作用是在熔炼过程中脱氧和通过固溶强化提高铜合金的力学性能和工艺性能，同时可以增强大扁方复杂黄铜的抗腐蚀性能。

本发明添加0.25～0.40％的Sn，其主要作用是提高铜合金的强度及硬度，并且能够提高矿机所处环境下的抗腐蚀性能。

本发明添加1.0～1.7wt％的Pb，其主要作用是提高产品的切削加工性能。铅不固溶于铜，呈黑色质点分布于易溶共晶体中，存在于晶界上。因Pb会降低Cu的高温塑性，铜合金的伸长率和面缩率会随着Pb含量的提高而下降，当Pb≥1.7wt％时，挤压过程中因高温脆性会导致扁方挤压坯表面开裂。

本发明添加0.015～0.025wt％的Fe，其主要作用是细化铜晶粒，Fe在Cu中的溶解度极微，呈富铁相质点分布于α基体中，可以延迟铜的再结晶过程，提高铜合金的强度和硬度。

作为优选，还包括Cr：0.005～0.01wt％。其主要作用提高复杂黄铜的强度和硬度，其主要作用是通过有效延迟铜的再结晶过程，提高材料的强度和硬度。

为实现基体硬度和塑性的均衡，作为优选，该铜合金的基体相为α相和β相，其中，β相的面积比例为30～45％。β相硬度较高，对合金硬度及耐磨性的提高都起到了重要的作用，而α相硬度较低但塑性较好也有抑制裂纹扩展的作用，因此，β相的面积比例为30～45％。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种耐磨铜合金方棒的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种耐磨铜合金方棒的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

1)熔炼：按照原料配比进行熔炼，熔炼温度为950～1100℃；

2)铸造：铸造温度为1100～1250℃，牵引速度为6～15mm/s，铸锭为圆铸坯；

3)挤压：铸锭先在加热炉中加热，加热温度为600～700℃，再将加热好的铸锭通过挤压机进行挤压，挤压力为25～32MN，挤压比12～20；挤压模具定径带倒角R的半径为3～5mm，挤压模具定径带的长度：15～20mm，挤压速度：10～15mm/s，挤压坯呈方形；

4)成品拉伸：加工率为15～23％，拉伸模具定径带倒角R的半径为1.5～2.0mm，拉伸模具的定径带长度为：10～15mm，拉伸速度：20～30m/min，最终得到成品规格的方棒。

矿机液压支架底板呈扁方状，且规格较大，因此，将圆铸坯挤压成呈方形的挤压坯的过程中，因圆铸坯与挤压模具四个面的加工率不一致，各向受力不均，一方面容易出现边角开裂的问题，同时由于挤压比控制不当表面易出现灰皮的问题；另一方面，各位置的尺寸公差难以保持一致性，因此，传统工艺在生产大规格扁方棒时，挤压后的挤压坯需要经过多道加工道次，避免挤压阶段加工量过大而导致开裂，同时不断修正其保证尺寸公差。

本申请中，通过控制挤压模具定径带倒角R的半径为3～5mm，保证大扁方顺畅挤出，边角不开裂；避免过小倒角容易开裂，过大无法成型的问题；挤压模具定径带的长度：15～20mm，保证挤出方坯公差的一致性，避免过小尺寸偏差大，无法修正，过大表面起皮的问题；挤压比：12～20，实现了铜合金流动均匀，制品内外层的力学性能也趋于均匀一致；R角、定径带的长度以及挤压比，保证挤压坯表面质量优异且各位置的尺寸公差一致性好，可以直接进入成品拉伸阶段，再通过小加工量即可出成品。

本申请中，拉伸模具定径带倒角R的半径为1.5～2.0mm，R角小于1.5mm，容易出现应力集中开裂，大于2.0mm边部与总部出现的空隙过大，无法保证整个液压支架的平整度；挤压模具定径带的长度：15～20mm，小于10mm，前后公差一致性波动大，整体尺寸无法满足均一性，大于15mm，阻力过大，表面容易出现橘皮甚至开裂；拉伸速度：20～30m/min，过快超大扁方容易抖动出现竹节或凹凸现象，过慢效率低下。

作为优选，所述步骤2)中，铸锭规格为φ200～260mm；所述步骤3)中，挤压坯规格为40×60mm～50×80mm；所述步骤4)中，成品规格为36×56mm～45～75mm。

作为优选，所述步骤2)中，挤压坯的表面粗糙度Ra≤2.0μm，各位置处最大尺寸公差在0.1mm以内。

作为优选，所述步骤4)中，成品方棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，各位置处最大尺寸公差在0.05mm以内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在黄铜基体中添加Ce、Mn、Sn、Fe元素，通过多元素微量添加，提升基体的硬度，从而实现黄铜合金优异的耐磨性能，同时依然保持黄铜优异的塑性；该铜合金的硬度为150～200HV5，抗拉强度≥550Mpa，延伸率≥ 8％，成品方棒的表面粗糙度Ra≤0.2μm，各位置处最大尺寸公差在0.05mm以内，表面质量好且尺寸公差一致高，同时具有优异的切削性能，非常适用于对矿机用液压支架底板中等耐磨要求的场合。

附图说明

图1为本实施例中挤压模具的纵向剖面图，其中h为定径带长度。

图2为本实施例中挤压模具的横向剖面图，其中R为定径带的倒角。

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3个对比例，具体成分见表1。

实施例的包括以下制备步骤：

1)熔炼：按照原料配比进行熔炼，熔炼温度为950～1100℃；

2)铸造：通过结晶器从保温炉中以水平连铸的方式引出，铸造温度为1100～1250℃，牵引速度为6～15mm/s，铸锭为圆铸坯；铸锭在自动锯切床上进行锯切，锯切长度为800mm；

3)挤压：铸锭先在加热炉中加热，加热温度为600～700℃，再将加热好的铸锭通过挤压机进行挤压，挤压力为25～32MN，挤压比12～20，挤压模具定径带倒角R的半径为3～5mm，挤压模具定径带的长度：15～20mm，挤压速度：10～15mm/s，挤压坯呈方形；

4)清洗；

5)成品拉伸：加工率为15～23％，拉伸模具定径带倒角R的半径为1.5～2.0mm，拉伸模具的定径带长度为：10～15mm，拉伸速度：20～30m/min，最终得到成品规格的扁方型材棒；

6)定尺锯切：长度为90mm；

8)成品检验、包装、入库。

关键工艺参数见表3、表4。

对比例1与实施例1的不同之处在于：挤压模具的R角为1.0mm。

对比例2与实施例1的不同之处在于：挤压模具的R角为6.0mm。

对比例3与实施例1的不同之处在于：挤压模具定径带的长度为5mm。

对比例4与实施例1的不同之处在于：挤压模具定径带的长度为30mm。

对比例5与实施例1的不同之处在于：挤压速度：20mm/s。

对比例6与实施例2的不同之处在于：拉伸模具的R角为1.0mm。

对比例7与实施例2的不同之处在于：拉伸模具的R角为3.0mm。

对比例8与实施例2的不同之处在于：拉伸模具定径带的长度为5mm。

对比例9与实施例2的不同之处在于：拉伸模具定径带的长度为20mm。

对比例10与实施例2的不同之处在于：拉伸速度：40m/min。

对得到实施例、对比例进行以下检测，具体结果见表5。

力学性能检测：室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行测试，采用宽度为20mm带头试样，拉伸速度为5mm/min。

硬度：检测标准为《GB/T4340.1-2009金属维氏硬度试验第1部分；试验方法》。

耐磨性：按照《GB/T 12444.1-1990金属磨损试验方法》进行实施例1、实施例2以及对比例耐磨性能测试。

冲击韧性：按照《GBT 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行实施例1、实施例2以及对比例冲击韧性测试。

晶粒度测量：按照GB/T 13298规定制备实施例1、实施例2以及对比例金相试样，晶粒度测量按照GB/T 6394-2017(金属平均晶粒度测定方法)规定的比较法测量，即通过与标准评级图对比来评定晶粒度。

表面粗糙度：按照《GB/T 7220-2004产品几何量技术规范(GPS)表面结构轮廓法表面粗糙度术语参数测量》进行实施例1、实施例2以及对比例表面粗糙度测试。

公差：按照《GB/T26303.2-2009铜及铜合金加工材外形尺寸检测方法第2部分：棒、线、型材》，对实施例以及对比例的10个位置进行尺寸公差测试，其中，最大的尺寸公差见表4。

表1本发明实施例、对比例的成分/wt％

编号	Cu	Mn	Fe	Ce	Sn	Cr	Pb	Zn
									实施例1	58.85	0.009	0.020	0.13	0.28	-	1.59	余量
实施例2	59.41	0.008	0.025	0.18	0.33	0.008	1.68	余量
									实施例3	60.85	0.01	0.015	0.2	0.35	-	1.52	余量
对比例1	59.55		0.010	/	0.029	-	1.50	余量

表2本发明实施例制备过程中的关键参数控制

表3本发明实施例制备过程中的关键参数控制

表4本发明实施例的表面性能以及公差

表5本发明实施例的微观组织和性能

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Claims (4)

1.一种耐磨铜合金方棒的制备方法，其特征在于：该铜合金的质量百分比组成为Cu：58.5~62.5wt%，Ce：0.10~0.30%，Mn：0.008~0.010wt%，Sn：0.25~0.40%，Pb：1.0～1.7wt%，Fe：0.015~0.025wt%，余量为锌及不可避免的杂质；包括以下制备步骤：

1）熔炼：按照原料配比进行熔炼，熔炼温度为950~1100℃；

2）铸造：铸造温度为1100~1250℃，牵引速度为6~15mm/s，铸锭为圆铸坯；

3）挤压：铸锭先在加热炉中加热，加热温度为600~700℃，再将加热好的铸锭通过挤压机进行挤压，挤压力为25~32MN，挤压比12~20；挤压模具定径带倒角R的半径为3~5mm，挤压模具定径带的长度：15~20mm，挤压速度：10~15mm/s，挤压坯呈方形；

4）成品拉伸：加工率为15~23%，拉伸模具定径带倒角R的半径为1.5~2.0mm，拉伸模具的定径带长度为：10~15mm，拉伸速度：20~30m/min，最终得到成品规格的方棒。

2.根据权利要求1所述的耐磨铜合金方棒的制备方法，其特征在于：还包括Cr：0.005~0.01wt%。

3.根据权利要求1或2所述的耐磨铜合金方棒的制备方法，其特征在于：该铜合金的基体相为α相和β相，其中，β相的面积比例为30~45%。

4.根据权利要求1所述的耐磨铜合金方棒的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，铸锭规格为φ200~260mm；所述步骤3）中，挤压坯规格为40×60mm~50×80mm；所述步骤4）中，成品规格为36×56mm~45×75mm。

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