CN117127058B - 一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺，通过优化铜基合金的组成，并配合恰当的配料、压制、烧结等工艺，在较低温度下实现了高镍高锡铜基合金的制备，得到的高强度高硬度铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa，提高了铜基合金在高承载、高强度海洋工程、核电、石油化工等领域(例如核电反应釜用支撑万向轴承)应用的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺。
背景技术
随着工业进程的快速发展，铜基合金应用范围日益广泛，需求量持续攀升，铜合金材料已经成为国民经济和社会发展最重要的基础材料之一。由于海洋工程、核电、石油化工等特殊领域服役环境严苛，要求材料具备优异的力学性能，现有技术中的铜基合金还不能很好满足这些特殊领域应用的需求。为满足海洋工程、核电、石油化工等特殊领域对高承载、长寿命高锡高镍铜基合金管材、棒材和板带材的需求，本发明提供一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 12～18wt％，Sn 10～15wt％，余量为铜和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的优选方案，其中：按重量百分比计，其组成为：Ni 13～17wt％，Sn 11～15wt％，余量为铜和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的优选方案，其中：所述铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的优选方案，其中：所述铜基合金的硬度≥220HB，所述铜基合金的抗拉强度≥710MPa。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的优选方案，其中：所述铜基合金的硬度≥250HB，所述铜基合金的抗拉强度≥850MPa。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的优选方案，其中：所述铜基合金的硬度≥270HB，所述铜基合金的抗拉强度≥920MPa。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用镍粉、铜锡合金粉和铜粉；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结料，烧结温度为1000-1100℃，烧结时间为2～4h，烧结气氛为氨气；
S4.烧结料进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结料进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为920～960℃，回火时间为1.5～3h。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1之前还包括，
步骤S0，铜锡合金粉制备，采用水雾化或者气雾化工艺制备高锡含量的铜锡合金粉。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S1中，镍粉的尺寸为200～400目，铜锡合金粉的尺寸为80～150目，铜粉的尺寸为80～150目。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S2中，一次压制压力为40～60MPa。
作为本发明所述的一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺的优选方案，其中：所述步骤S4中，二次压制压力为一次压制压力的10～15倍。
一种上述的高强度高硬度铜基合金在海洋工程、核电、石油化工等领域的应用。
一种上述的高强度高硬度铜基合金在支撑万向轴承、核电反应釜等领域的应用。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺，通过优化铜基合金的组成，并配合恰当的配料、压制、烧结等工艺，在较低温度下实现了高镍高锡铜基合金的制备，得到的高强度高硬度铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa，提高了铜基合金在高承载、高强度海洋工程、核电、石油化工等领域(例如核电反应釜用支撑万向轴承)应用的可靠性。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种高强度高硬度铜基合金及其制备工艺，可以在较低温度下实现高镍高锡铜基合金的制备，提高了铜基合金在高承载、高强度核电反应釜用支撑万向轴承等领域应用的可靠性。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 12～18wt％，Sn 10～15wt％，余量为铜和不可避免的杂质。
优选的，按重量百分比计，其组成为：Ni 13～17wt％，Sn 11～15wt％，余量为铜和不可避免的杂质。具体的，按重量百分比计，其组成为：Ni含量可以为例如但不限于12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；Sn含量可以为例如但不限于11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa。进一步优选的，所述铜基合金的硬度≥220HB，所述铜基合金的抗拉强度≥710MPa。进一步优选的，所述铜基合金的硬度≥250HB，所述铜基合金的抗拉强度≥850MPa。更进一步优选的，所述铜基合金的硬度≥270HB，所述铜基合金的抗拉强度≥920MPa。
本发明高镍高锡铜基合金以其高强度、高硬度、优良的耐磨耐蚀性和高温性能，能够在关键零部件中发挥重要作用。然而，高镍高锡铜基合金的制备一直是困扰行业的难题，传统Cu-Ni-Sn合金为防止Sn偏析，通常采用真空熔炼法和快速凝固法，然而本发明由于提高了Sn的含量，高锡高镍铜基合金的偏析、缩孔、疏松等问题会更加明显，采用传统真空熔炼法难以满足制备高性能铜合金的要求，快速凝固法只适合制作横截面尺寸较小的线材或带材，而实际应用中往往需要大截面的管材、棒材和厚板。针对所述问题，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用镍粉、铜锡合金粉和铜粉；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1000-1100℃，烧结时间为2～4h，烧结气氛为氨气；
S4.烧结坯进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为920～960℃，回火时间为1.5～3h。
为了获得高强度高硬度铜基合金，本发明提高了合金中的镍、锡含量，但是要实现高镍高锡铜基合金的烧结，直接采用锡粉是无法实现的，由于锡熔点低，以锡粉形式加入生坯烧结时会发生偏析和氧化，无法生产获得高强度高硬度铜基合金，本发明采用铜锡合金粉的形式引入锡元素，解决了以锡粉形式加入生坯烧结时带来的缺陷。优选的，所述步骤S1之前还包括，
步骤S0，铜锡合金粉制备，以充分均匀混合的高锡含量铜锡合金熔体为原料，采用水雾化或者气雾化工艺制备高锡含量的铜锡合金粉。为防止锡氧化，上述高锡含量铜锡合金熔体采用冰晶石作为除渣剂除渣。
优选的，所述步骤S1中，镍粉的尺寸为200～400目，铜锡合金粉的尺寸为80～150目，铜粉的尺寸为80～150目。由于镍的熔点高，为了在较低温度下实现高镍高锡铜基合金的烧结，本发明采用相比于铜锡合金粉和铜粉的尺寸更小的镍粉，在烧结时，更小尺寸的镍粉可促进镍和铜的互溶，增加Cu-Ni-Sn合金组织和成分的均匀性，同时降低烧结温度，控制氧含量，提高Cu-Ni-Sn合金的烧结质量，进而提高合金强度和硬度。具体的，镍粉的尺寸可以为例如但不限于200目、230目、270目、325目、400目中的任意两者之间的范围；铜锡合金粉的尺寸可以为例如但不限于80目、100目、120目、150目中的任意两者之间的范围；铜粉的尺寸可以为例如但不限于80目、100目、120目、150目中的任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S2中，一次压制压力为40～60MPa；具体的，一次压制压力可以为例如但不限于40MPa、45MPa、50MPa、55MPa、60MPa中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述步骤S3中，烧结温度可以为例如但不限于1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1050℃、1060℃、1070℃、1080℃、1090℃、1100℃中的任意一者或任意两者之间的范围，烧结时间可以为例如但不限于2h、2.25h、2.5h、2.75h、3h、3.25h、3.5h、3.75h、4h中的任意一者或任意两者之间的范围；烧结气氛采用氨气，氨气分解成氮气和氢气，提供良好的还原烧结环境，避免氧化。
优选的，所述步骤S4中，二次压制压力为一次压制压力的10～15倍。根据使用性能需求，采用一次压制压力的10～15倍的高压进行二次压制，可显著提高合金致密度，改善显微组织，使强度和硬度得到大幅度提升。二次压制的压力可以根据铜基合金的应用领域进行调整，具体的，二次压制压力例如可以为一次压制压力的包括但不限于10倍、11倍、12倍、13倍、14倍、15倍中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述步骤S5中，采用回火工艺可以进一步减小合金成分偏析程度，并且可有效消除内应力；进一步优选的，回火温度可以为例如但不限于920℃、930℃、940℃、950℃、960℃中的任意一者或任意两者之间的范围，回火时间可以为例如但不限于1.5h、1.75h、2h、2.25h、2.5h、2.75h、3h中的任意一者或任意两者之间的范围。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，所述高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 15wt％，Sn 12wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的高强度高硬度铜基合金的硬度为273HB，所述铜基合金的抗拉强度为927MPa。
实施例2
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，所述高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 12wt％，Sn 15wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1000℃，烧结时间为2h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经500MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为920℃，回火时间为3h，制备得到的高强度高硬度铜基合金的硬度为265HB，所述铜基合金的抗拉强度为874MPa。
实施例3
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，所述高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 18wt％，Sn 10wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经40MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1100℃，烧结时间为4h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为960℃，回火时间为1.5h，制备得到的高强度高硬度铜基合金的硬度为269HB，所述铜基合金的抗拉强度为901MPa。
实施例4
一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，所述高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 16wt％，Sn 13wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用水雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经60MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为2h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经700MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的高强度高硬度铜基合金的硬度为278HB，所述铜基合金的抗拉强度为932MPa。
对比例1
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni15wt％，Sn 12wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、Sn粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，Sn粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为76HB，所述铜基合金的抗拉强度为203MPa。
对比例2
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni10wt％，Sn 12wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为153HB，所述铜基合金的抗拉强度为495MPa。
对比例3
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni15wt％，Sn 8wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为146HB，所述铜基合金的抗拉强度为479MPa。
对比例4
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni10wt％，Sn 8wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为114HB，所述铜基合金的抗拉强度为356MPa。
对比例5
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni15wt％，Sn 12wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为80～100目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯经600MPa压力进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为161HB，所述铜基合金的抗拉强度为504MPa。
对比例6
一种铜基合金的制备工艺，所述铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni15wt％，Sn 12wt％，余量为铜和不可避免的杂质。包括如下步骤：
S1.按照上述铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用Ni粉、CuSn12合金粉和Cu粉；Ni粉的尺寸为200～400目，CuSn12合金粉尺寸为80～150目，Cu粉的尺寸为80～150目；CuSn12合金粉采用气雾化工艺制备得到；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后经50MPa压力进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结坯，烧结温度为1050℃，烧结时间为3h，烧结气氛采用氨气；
S4.烧结坯进行回火得铜基合金，回火温度为950℃，回火时间为2h，制备得到的铜基合金的硬度为147HB，所述铜基合金的抗拉强度为482MPa。
本发明通过优化铜基合金的组成，并配合恰当的配料、压制、烧结等工艺，在较低温度下实现了高镍高锡铜基合金的制备，得到的高强度高硬度铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa，提高了铜基合金在高承载、高强度海洋工程、核电、石油化工等领域(例如核电反应釜用支撑万向轴承)应用的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1.高强度高硬度铜基合金，按重量百分比计，其组成为：Ni 12~18wt%，Sn 10~15wt%，余量为铜和不可避免的杂质；按照所述的铜基合金的组成进行配料得混合粉末，配料采用镍粉、铜锡合金粉和铜粉；
S2.配料后的混合粉末混合均匀后进行压制成型得生坯；
S3.生坯进行烧结得烧结料，烧结温度为1000~1100℃，烧结时间为2~4h，烧结气氛为氨气；
S4.烧结料进行二次压制；
S5.二次压制完成后的烧结料进行回火得高强度高硬度铜基合金，回火温度为920~960℃，回火时间为1.5~3h。
2.根据权利要求1所述的高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤S1之前还包括，
步骤S0，铜锡合金粉制备，采用水雾化或者气雾化工艺制备高锡含量的铜锡合金粉。
3.根据权利要求1所述的高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤S1中，镍粉的尺寸为200~400目，铜锡合金粉的尺寸为80~150目，铜粉的尺寸为80~150目。
4.根据权利要求1所述的高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤S2中，一次压制压力为40~60MPa。
5.根据权利要求1所述的高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，所述步骤S4中，二次压制压力为一次压制压力的10~15倍。
6.根据权利要求1所述的高强度高硬度铜基合金的制备工艺，其特征在于，所述铜基合金的硬度≥200HB，所述铜基合金的抗拉强度≥650MPa。
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