CN115710656A - 一种高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强度高弹性高耐磨Cu‑Ni‑Sn合金及其制备方法。本发明中的高强度高弹性高耐磨Cu‑Ni‑Sn合金，包括如下质量百分比的组成成分：Ni：14.0～16.0％、Sn：7.0～9.0％、Cr：0.05～0.6％、Nb：0.05～0.6％、Zr：0.05～0.15％、余量为Cu，还包括Mn：0.5～1.0％和Si：0.2～0.8％，制备方法包括将合金元素熔炼浇铸成铸锭，并依次经过多级均匀化处理、热轧、一次冷轧、二次冷轧。通过添加少量的Mn、Si、Cr、Nb、Zr合金元素，结合多级均匀化热处理工艺和形变热处理工艺，提高了Cu‑Ni‑Sn合金的强度、弹性和耐磨性能。
Description
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金及其制备方法。
背景技术
由于具有高强度、高弹性、高耐磨性能和高耐腐蚀性能的优点，Cu-15Ni-8Sn合金被广泛应用于海洋工程、航海船舶、石油平台等领域，制作的零部件常常处在高温、高湿、高油、高速等恶劣的工作环境下，对材料的强度、弹性、耐磨性、耐腐蚀性有极其严格的要求。然而，合金在铸造时，Sn含量过高，容易产生Sn的反偏析，给后续的加工变形造成不利的影响，使其工业化稳定生产的难度加大。
Cu-15Ni-8Sn合金在时效过程中容易产生不连续析出相，这种不连续析出相对合金的力学性能和腐蚀性能可能产生不利影响。因此，合金形变热处理工艺的制定也极为重要。通过研究合金的相变行为以及组织性能演变规律，在相变热力学与动力学的指导下，利用形变及热处理工艺对微观结构进行调控，建立生产工艺和合金性能之间的对应关系，开发适宜的形变热处理工艺，可以从实验研究上指导工业化生产，实现大规模、稳定的高性能Cu-15Ni-8Sn合金的工业化生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术所得合金在机械强度和弹性方面的不足之处，提供一种具有高强度、高弹性、高耐磨Cu-Ni-Sn合金和工业化生产制备方法。
本发明技术方案中的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金，包括如下质量百分比的组成成分：Ni：14.0～16.0％、Sn：7.0～9.0％、Cr：0.05～0.6％、Nb：0.05～0.6％、Zr：0.05～0.15％、余量为Cu。
通过添加少量的Cr、Nb、Zr合金元素，提高了合金材料的强度和弹性。这些微量合金元素的添加，不仅细化了晶粒，还能增加时效过程中析出相的种类和数量，进一步增强合金材料的抗拉强度。
进一步地，上述高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金，还包括Mn：0.5～1.0％和Si：0.2～0.8％。少量的Mn元素和Si元素，可以进一步提高合金材料的强度和耐磨性能。
本发明还提供上述高强度高弹性Cu-Ni-Sn合金的制备方法，所述的制备方法包括将合金元素熔炼浇铸成铸锭，并依次经过多级均匀化处理、热轧、一次冷轧、二次冷轧，其中多级均匀化处理的温度为700～930℃。
多级均匀化热处理工艺，消除了Cu-Ni-Sn合金在铸造过程中产生的枝晶和Sn反偏析，使得合金组织更加均匀，同时合理的形变热处理工艺，抑制了Cu-Ni-Sn合金在时效过程中的不连续析出，使得析出相细小弥散的分布在基体中，提高了合金的强度。
进一步地，合金原料熔炼浇铸成铸锭具体为将铜、镍金属置于熔炼炉内熔化，再加入破碎成细小颗粒的铬铌中间合金和铜锆中间合金，用铜皮包裹压入到铜液中，合金原料全部熔化后，采用木炭覆盖保温静置，倒入到水冷模具中冷却，即得到合金铸锭。
进一步地，铬铌中间合金中铬的质量百分比为50％～55％，铜锆中间合金中锆的质量百分比为10％～15％。
进一步地，熔炼中的温度为1250～1280℃，时间为1～2h。
进一步地，多级均匀化处理包括T1、T2、T3和T4四级保温处理，其中T1＜T2＜T3＜T4，T2比T1高20～60℃，T3比T2高40～70℃，T4比T3高20～60℃。
进一步地，多级均匀化处理过程为在700～720℃、740～760℃、800～810℃和840～860℃各保温2～3h。
进一步地，多级均匀化处理过程为在800～810℃、840～860℃、890～900℃和920～930℃各保温2～3h。
进一步地，热轧的温度为800～900℃，保温时间为3～4h。
进一步地，热轧总变形量为70～80％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的35～40％、30～35％、25～30％。
进一步地，一次冷轧总变形量为70～80％，分六个道次，各道次变形量分别为总变形量的25～30％、15～20％、15～20％、10～15％、10～15％、10～15％。
进一步地，一次冷轧之前在盐浴炉内于395～405℃保温30～40min进行预时效处理。
进一步地，二次冷轧总变形量为20～30％，分两个道次，各道次变形量分别为12～18％、8～12％。
进一步地，二次冷轧之前在盐浴炉内于390～420℃保温4～6h进行时效处理。
进一步地，二次冷轧之后在280～320℃保温1～2h进行退火处理。
相比现有技术，本发明的技术方案具有如下有益效果：
(1)通过添加少量的Mn、Si、Cr、Nb、Zr合金元素，结合多级均匀化热处理工艺和形变热处理工艺，提高了Cu-Ni-Sn合金的强度、弹性和耐磨性能；
(2)微合金元素的添加，不仅细化了晶粒，还能增加时效过程中析出相的种类和数量，使合金材料的抗拉强度达到1250Mpa以上，耐磨性能大幅度提高；
(3)多级均匀化热处理工艺，消除了Cu-Ni-Sn合金在铸造过程中产生的枝晶和Sn反偏析，使得合金组织更加均匀；
(4)形变热处理工艺，抑制了Cu-Ni-Sn合金在时效过程中的不连续析出，使得析出相细小弥散的分布在基体中，进一步提高了合金的强度。
附图说明
图1为实施例1所得合金的铸态组织金相；
图2为实施例1所得合金的冷轧态组织金相；
图3为实施例1所得合金的应力应变曲线；
图4为实施例1所得合金组织的透射电镜图；
图5为实施例6所得合金的铸态组织金相；
图6为实施例6所得合金的冷轧态组织金相；
图7为实施例6所得合金的应力应变曲线；
图8为实施例6所得合金组织的透射电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例高强度高弹性Cu-Ni-Sn合金的制备方法如下：
(1)熔炼：根据Ni：15.3％、Sn：8.1％、Cr：0.40％、Nb：0.40％、Zr：0.13％、余量为Cu的各金属质量百分比，将铜、镍金属置于熔炼炉内熔化，再加入铝、锌以及破碎成细小颗粒的铬铌中间合金和铜锆中间合金，并用铜皮包裹压入到铜液中，降低烧损率，合金元素全部熔化后，采用木炭覆盖在1250℃静置2h，对铜液进行扒渣成分测试后，使其温度保持在1230℃，成分合格后，倒入到水冷模具中冷却，得到合金铸锭，并对其去头去尾，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：依次分别在700℃、740℃、800℃和840℃保温3h对合金铸锭进行均匀化处理，处理完成后采用水冷冷却；
(3)热轧：将均匀化处理后的合金铸锭800℃下保温4h后热轧，热轧变形量为70％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的40％、30％、30％，热轧完后水冷冷却，得到合金板材；
(4)一次冷轧：将合金板材去除边部缺陷后在盐浴炉内进行预时效，395℃保温40min，水冷冷却后进行一次冷轧，总变形量为70％，分六个道次，各道次变形量分别为总变形量的30％、20％、20％、15％、15％、10％；
(5)二次冷轧：一次冷轧后的合金板材在盐浴炉内进行时效处理，390℃保温6h，水冷冷却后进行二次冷轧，二次冷轧总变形量为20％，分两个道次，各道次变形量分别为总变形量的12％、8％，在280℃保温2h进行去应力退火后得到高强度高弹性Cu-Ni-Sn合金。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(2)均匀化处理过程为依次分别在710℃、750℃、800℃和850℃各保温2.5h。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(3)热轧为将均匀化处理后的合金铸锭850℃下保温4h后热轧，热轧变形量为75％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的35％、35％、30％，热轧完后水冷冷却，得到合金板材。
实施例4
本实施例与实施例1的区别仅在于步骤(4)一次冷轧为将合金板材去除边部缺陷后在盐浴炉内进行预时效，400℃保温40min，水冷冷却后进行一次冷轧，总变形量为75％，分六个道次，各道次变形量分别为总变形量的25％、20％、20％、15％、10％、10％。
实施例5
本实施例高强度高弹性Cu-Ni-Sn合金的制备方法如下：
(1)熔炼：根据Ni：15.3％、Sn：8.1％、Cr：0.40％、Nb：0.40％、Zr：0.13％、余量为Cu的各金属质量百分比，将铜、镍金属置于熔炼炉内熔化，再加入铝、锌以及破碎成细小颗粒的铬铌中间合金和铜锆中间合金，并用铜皮包裹压入到铜液中，降低烧损率，合金元素全部熔化后，采用木炭覆盖在1250℃静置2h，对铜液进行扒渣成分测试后，使其温度保持在1230℃，成分合格后，倒入到水冷模具中冷却，得到合金铸锭，并对其去头去尾，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：依次分别在700℃、740℃、800℃和840℃保温3h对合金铸锭进行均匀化处理，处理完成后采用水冷冷却；
(3)热轧：将均匀化处理后的合金铸锭800℃下保温4h后热轧，热轧变形量为70％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的40％、30％、30％，热轧完后水冷冷却，得到合金板材；
(4)冷轧：将合金板材在盐浴炉内进行时效处理，390℃保温6h，水冷冷却后进行冷轧，冷轧总变形量为20％，分两个道次，各道次变形量分别为总变形量的12％、8％，在280℃保温2h进行去应力退火后得到高强度高弹性Cu-Ni-Sn合金。
实施例6
本实施例高强度高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法如下：
(1)熔炼：根据质量百分比Ni：16.1％、Sn：8.1％、Mn：0.8％、Si：0.6％、Cr：0.40％、Nb：0.40％、Zr：0.12％、余量为Cu，将铜、镍金属置于熔炼炉内熔化，再加入铝、锌以及破碎成细小颗粒的铬铌中间合金和铜锆中间合金，并用铜皮包裹压入到铜液中，降低烧损率，合金元素全部熔化后，采用木炭覆盖在1250℃静置2h，对铜液进行扒渣成分测试后，使其温度保持在1230℃，成分合格后，倒入到水冷模具中冷却，得到合金铸锭，对其去头去尾，去除表面缺陷；
(2)均匀化处理：依次分别在800℃、850℃、900℃和920℃保温3h对合金铸锭进行均匀化处理，处理完成后采用水冷冷却；
(3)热轧：将均匀化处理后的合金铸锭900℃下保温4h后热轧，热轧变形量为70％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的40％、30％、30％，热轧完后水冷冷却，得到合金板材；
(4)一次冷轧：将合金板材去除边部缺陷后在盐浴炉内进行预时效，395℃保温40min，水冷冷却后进行一次冷轧，总变形量为70％，分六个道次，各道次变形量分别为总变形量的30％、20％、20％、15％、15％、10％；
(5)二次冷轧：一次冷轧后的合金板材在盐浴炉内进行时效处理，390℃保温6h，水冷冷却后进行二次冷轧，二次冷轧总变形量为20％，分两个道次，各道次变形量分别为总变形量的12％、8％，在300℃保温2h进行去应力退火后得到高强度高耐磨Cu-Ni-Sn合金。
实施例7-10
实施例7-10与实施例1的区别仅在于合金中各金属元素质量百分比不同，具体如表1所示。
实施例11-16
实施例11-16与实施例6的区别仅在于合金中各金属元素质量百分比不同，具体如表1所示。
对比例1-3
对比例1-3与实施例1的区别仅在于合金中各金属元素质量百分比不同，具体如表1所示。
对比例4
对比例4与实施例1的区别仅在于合金中各金属元素质量百分比为Ni：15.8％、Sn：8.0％、Al：0.8％、Zn：0.4％、Cr：0.40％、Nb：0.40％、Zr：0.11％、余量为Cu。
表1 对比例和实施例合金成分表
对以上实施例及对比例所得合金进行力学性能测试，结果如下表。
表2 对比例和实施例合金性能对比
根据表1合金的力学性能数据对比可知，合金的抗拉强度和维氏硬度随着Mn、Si、Nb、Cr元素含量的增加而增大。当Nb、Cr元素含量达到0.4％，Mn、Si元素含量分别为0.8％和0.6％时，强化效果最好，此时抗拉强度为1281Mpa，维氏硬度为446HV。当Mn、Si、Nb、Cr元素含量进一步增加时，强度增大效果不明显，伸长率开始下降。合金的磨损量随着Mn、Si、Nb、Cr元素的增加而逐渐降低，说明添加合金元素后耐磨性能得到大幅度提升，从0.61g降低至0.25g。合金元素种类和含量不同，耐磨性能存在较大的差异，通过对合金的综合性能对比，Nb、Cr元素最佳添加量为0.4％，Mn、Si元素最佳添加量为0.8％和0.6％。最优的合金成分为Cu-16Ni-8Sn-0.8Mn-0.6Si-0.4Nb-0.4Cr-0.1Zr。
从图1和图5可知合金的铸态金相中存在大量的枝晶结构，主要是由于合金液在冷却过程中，过冷度不一致，导致金属元素产生偏析而形成的。从图2和图6可知合金经过两次冷轧后，晶粒沿着变形方向被拉长，呈现出纤维状，在部分区域能观察到明显的形变带。从图3和图7可知，所得合金材料具有优异的拉伸性能。从图4和图8可知合金经过时效处理后，组织中存在大量的位错胞状组织等亚结构组态以及弥散细小的第二相，这些组织具有较强的强化作用，可以提高合金的强度，改善合金的组织结构。
最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组成成分：Ni：14.0～16.0％、Sn：7.0～9.0％、Cr：0.05～0.6％、Nb：0.05～0.6％、Zr：0.05～0.15％、余量为Cu。
2.根据权利要求1所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金，其特征在于，所述的合金还包括还包括Mn：0.5～1.0％和Si：0.2～0.8％。
3.一种如权利要求1所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括将合金原料熔炼浇铸成铸锭，并依次经过多级均匀化处理、热轧、一次冷轧、二次冷轧，其中多级均匀化处理的温度为700～930℃。
4.根据权利要求3所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，多级均匀化处理包括T1、T2、T3和T4四级保温处理，其中T1＜T2＜T3＜T4，T2比T1高20～60℃，T3比T2高40～70℃，T4比T3高20～60℃。
5.根据权利要求3或4所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，多级均匀化处理过程为在700～720℃、740～760℃、800～810℃和840～860℃各保温2～3h。
6.根据权利要求3或4所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，多级均匀化处理过程为在800～810℃、840～860℃、890～900℃和920～930℃各保温2～3h。
7.根据权利要求3所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，热轧总变形量为70～80％，分三道次轧制，变形量分别为总变形量的35～40％、30～35％、25～30％。
8.根据权利要求3所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，一次冷轧总变形量为70～80％，分六个道次，各道次变形量分别为总变形量的25～30％、15～20％、15～20％、10～15％、10～15％、10～15％。
9.根据权利要求3所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，二次冷轧总变形量为20～30％，分两个道次，各道次变形量分别为12～18％、8～12％。
10.根据权利要求3或9所述的高强度高弹性高耐磨Cu-Ni-Sn合金的制备方法，其特征在于，二次冷轧之后在280～320℃保温1～2h进行退火处理。
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