CN118127365B - 一种高强度耐磨铜合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度耐磨铜合金，其制备方法包括以下步骤：步骤1、合成硼化铁锰粉末：称取九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵充分混合，置于陶瓷坩埚内，经过微波处理后，粉碎过筛，得到硼化铁锰粉末；步骤2、湿法研磨处理；步骤3、成型处理；步骤4、高温烧结；步骤5、后处理：将合金生坯料经过退火和冷却处理后，得到高强度耐磨铜合金。本发明以现有的含铝Cu‑Ni系白铜合金作为基础，对其原料以及制备过程进行了改进，从而制备得到了一种更高强度更耐磨的白铜合金，此外还提升了白铜合金的抗高温热裂性能。
Description
技术领域
本发明涉及合金领域，具体涉及一种高强度耐磨铜合金。
背景技术
高性能铜合金是国民经济的重要材料。纯铜具有优良的导电性，但是它的抗拉强度，通常最高只能达到350MPa，不能满足高速发展的采矿设备、航空航天、电子工业、交通运输、国防工业等部门的需求。因此，需要研究开发高性能铜合金材料，满足不断发展的国民经济新需求。铜合金是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金，具有良好的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。高性能铜合金材料的研究主要集中在高强耐磨铜合金、高纯化铜和铜基复合材料等方面，发展方向是研发高强、高导、耐磨、耐蚀、低成本的高性能铜合金。
常用的铜合金包括黄铜、青铜、白铜。其中，白铜合金是指以铜镍合金为基加入铝形成的合金，铝白铜合金中Ni的质量分数为5.5～15.0％，Al的质量分数为1.2～3.0％。含铝Cu-Ni系白铜合金(Cu-6Ni-1.5Al、Cu-13Ni-3Al)，即铝白铜合金不仅仅具有优良的抗海洋生物附着能力和耐海水腐蚀性，还具有较高的强度和换热系数，常用于造船、电力、化工等工业部门中各种高强耐蚀件。这些铜合金由于铝和镍含量较高，其强度、耐磨性及抗高温热裂性能较差，大大的降低了部件使用寿命。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高强度耐磨铜合金。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种高强度耐磨铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、合成硼化铁锰粉末：
称取九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵充分混合，置于陶瓷坩埚内，经过微波处理后，粉碎过筛，得到硼化铁锰粉末；
步骤2、湿法研磨处理：
称取铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末作为金属混合物混合在湿式球磨机内，加入羧甲基纤维素的水溶液作为研磨介质，充分研磨后，干燥，得到金属球磨混合料；
步骤3、成型处理：
将金属球磨混合料加入至模具内，经过加压后成型，得到金属生坯料；
步骤4、高温烧结：
将金属生坯料置于高温炉内，烧结处理后，随炉自然冷却后，得到合金生坯料；
步骤5、后处理：
将合金生坯料经过退火和冷却处理后，得到高强度耐磨铜合金。
优选地，所述步骤1中，九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.24-0.48:0.13-0.26:1.12-2.24:0.06-0.12。
优选地，所述步骤1中，微波处理的条件为：微波功率为500-1000W，微波处理时间是1.5-3.5min。
优选地，所述步骤1中，粉碎过筛的目数为200-300目。
优选地，所述步骤2中，铜粉、铝粉、镍粉均为纯度高于99.9%的高纯金属粉末，粒径均为100-150目。
优选地，所述步骤2中，铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末的质量比例是80.3-93.4:5.2-8.5:1.6-2.2:0.74-1.18。
优选地，所述步骤2中，羧甲基纤维素的水溶液的质量分数是1.5%-3.5%。
优选地，所述步骤2中，金属混合物与羧甲基纤维素的水溶液的质量比是1:0.3-0.7。
优选地，所述步骤2中，球磨是在钢球的作用下进行的，钢球的直径为20-30mm，钢球与金属混合物的质量比例是2-3:1。
优选地，所述步骤2中，球磨过程中使用惰性气体作为保护气，球磨的时间是8-12h，球磨速度是300-400r/min。
优选地，所述步骤2中，干燥是喷雾干燥。
优选地，所述步骤3中，模具提前预热至60-80℃，加压的压力为200-300MPa，加压的时间为1.5-2.5min。
优选地，所述步骤4中，烧结处理是在惰性气体的保护下进行的，烧结过程具体包括：先以5-6℃/min的速度升温至950-980℃，保温0.5-1h，再以3-4℃/min的速度升温至1080-1120℃，保温1-1.5h。
优选地，所述步骤5中，退火的温度是850-950℃，退火保温的时间是1-2h，退火结束后随炉自然冷却，降温至250℃后浸油冷却，油温是20-25℃。
第二方面，本发明提供一种高强度耐磨铜合金，采用上述制备方法制备得到。
第三方面，本发明提供一种高强度耐磨铜合金应用于掘锚机设备。
本发明的有益效果为：
1、本发明以现有的含铝Cu-Ni系白铜合金作为基础，对其原料以及制备过程进行了改进，从而制备得到了一种更高强度更耐磨的白铜合金，此外还提升了白铜合金的抗高温热裂性能。
2、本发明制备的白铜合金还是以铜、铝、镍作为主料，而将传统合金中的辅料铁和锰以合成的硼化铁锰替换。传统的白铜合金中由于铝和镍含量较高，硬度和强度会略显不足，而加入少量的锰和铁元素，能够一定程度提升其硬度和强度，但是会影响到铜合金的抗高温热裂性。而本发明将锰元素和铁元素经过混合硼化处理，作为硼化锰铁加入至铜合金内，这样不仅能够进一步细化晶粒，使得铜合金的强度和硬度进一步提升，而且还解决了抗高温热裂性不足的缺陷。
3、本发明在铜合金内加入的硼化铁锰，采用的是较为方便的微波合成法，即以铁盐和锰盐按照一定的比例混合，然后与硼源和铵源混合，在微波的作用下合成硼化铁锰。此外，本发明经过实验检测发现，相比较于硼化锰或硼化铁，本发明所制备的硼化铁锰在铜合金内具有更好的表现，特别是抗高温热裂性的表现。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的技术方案。应理解，本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
为了更好的理解上述技术方案，下面更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种高强度耐磨铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、合成硼化铁锰粉末：
称取九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、四水合硝酸锰（Mn(NO3)2·4H2O）、硼氢化钠（NaBH4）和碳酸铵（(NH4)2CO3）充分混合，平摊置于陶瓷坩埚内，九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.36:0.2:1.68:0.09，然后置于微波炉内，设置微波功率为800W，微波处理2.5min，待处理完之后，自然冷却至室温，水洗多次后干燥，然后在粉碎机器内粉碎并过300目筛，得到硼化铁锰粉末；
步骤2、湿法研磨处理：
称取纯度高于99.9%且粒径为150目的铜粉、铝粉、镍粉，以及步骤1得到的硼化铁锰粉末作为金属混合物，其中，铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末的质量比例是86.8:7.3:1.8:0.92，将金属混合物混合在MQS系列湿式球磨机内，并加入质量分数2.5%羧甲基纤维素的水溶液作为研磨介质，金属混合物与羧甲基纤维素的水溶液的质量比是1:0.5，然后在氩气的保护下运行球磨机，在Φ25mm钢球的作用下充分研磨，球磨的时间是10h，球磨速度是350r/min，钢球与金属混合物的质量比例是2.5:1，球磨结束后，收集球磨产物并喷雾干燥，得到金属球磨混合料；
步骤3、成型处理：
将金属球磨混合料加入至预热至60-80℃的模具内，经过250MPa加压处理2min，恢复常压后，成型脱模，得到金属生坯料；
步骤4、高温烧结：
将金属生坯料置于氩气保护的高温炉内烧结处理，先以5℃/min的速度升温至960℃，保温0.6h，再以3℃/min的速度升温至1100℃，保温1h，随炉自然冷却后，得到合金生坯料；
步骤5、后处理：
将合金生坯料在900℃的温度下退火1.5h，退火结束后随炉自然冷却，降温至250℃后浸入25℃的油内冷却，然后清洗表面并干燥，得到高强度耐磨铜合金。
实施例2
一种高强度耐磨铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、合成硼化铁锰粉末：
称取九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、四水合硝酸锰（Mn(NO3)2·4H2O）、硼氢化钠（NaBH4）和碳酸铵（(NH4)2CO3）充分混合，平摊置于陶瓷坩埚内，九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.24:0.13:1.12:0.06，然后置于微波炉内，设置微波功率为500W，微波处理3.5min，待处理完之后，自然冷却至室温，水洗多次后干燥，然后在粉碎机器内粉碎并过200目筛，得到硼化铁锰粉末；
步骤2、湿法研磨处理：
称取纯度高于99.9%且粒径为100目的铜粉、铝粉、镍粉，以及步骤1得到的硼化铁锰粉末作为金属混合物，其中，铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末的质量比例是80.3:5.2:1.6:0.74，将金属混合物混合在MQS系列湿式球磨机内，并加入质量分数1.5%羧甲基纤维素的水溶液作为研磨介质，金属混合物与羧甲基纤维素的水溶液的质量比是1:0.3，然后在氩气的保护下运行球磨机，在Φ20mm钢球的作用下充分研磨，球磨的时间是8h，球磨速度是300r/min，钢球与金属混合物的质量比例是2:1，球磨结束后，收集球磨产物并喷雾干燥，得到金属球磨混合料；
步骤3、成型处理：
将金属球磨混合料加入至预热至60℃的模具内，经过200MPa加压处理2.5min，恢复常压后，成型脱模，得到金属生坯料；
步骤4、高温烧结：
将金属生坯料置于氩气保护的高温炉内烧结处理，先以5℃/min的速度升温至950℃，保温1h，再以3℃/min的速度升温至1080℃，保温1.5h，随炉自然冷却后，得到合金生坯料；
步骤5、后处理：
将合金生坯料在850℃的温度下退火2h，退火结束后随炉自然冷却，降温至250℃后浸入20℃的油内冷却，然后清洗表面并干燥，得到高强度耐磨铜合金。
实施例3
一种高强度耐磨铜合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、合成硼化铁锰粉末：
称取九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、四水合硝酸锰（Mn(NO3)2·4H2O）、硼氢化钠（NaBH4）和碳酸铵（(NH4)2CO3）充分混合，平摊置于陶瓷坩埚内，九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.48:0.26:2.24:0.12，然后置于微波炉内，设置微波功率为1000W，微波处理1.5min，待处理完之后，自然冷却至室温，水洗多次后干燥，然后在粉碎机器内粉碎并过200-300目筛，得到硼化铁锰粉末；
步骤2、湿法研磨处理：
称取纯度高于99.9%且粒径为100-150目的铜粉、铝粉、镍粉，以及步骤1得到的硼化铁锰粉末作为金属混合物，其中，铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末的质量比例是93.4:8.5:2.2:1.18，将金属混合物混合在MQS系列湿式球磨机内，并加入质量分数3.5%羧甲基纤维素的水溶液作为研磨介质，金属混合物与羧甲基纤维素的水溶液的质量比是1:0.7，然后在氩气的保护下运行球磨机，在Φ30mm钢球的作用下充分研磨，球磨的时间是12h，球磨速度是400r/min，钢球与金属混合物的质量比例是3:1，球磨结束后，收集球磨产物并喷雾干燥，得到金属球磨混合料；
步骤3、成型处理：
将金属球磨混合料加入至预热至80℃的模具内，经过300MPa加压处理1.5min，恢复常压后，成型脱模，得到金属生坯料；
步骤4、高温烧结：
将金属生坯料置于氩气保护的高温炉内烧结处理，先以6℃/min的速度升温至980℃，保温0.5h，再以4℃/min的速度升温至1120℃，保温1h，随炉自然冷却后，得到合金生坯料；
步骤5、后处理：
将合金生坯料在950℃的温度下退火1h，退火结束后随炉自然冷却，降温至250℃后浸入25℃的油内冷却，然后清洗表面并干燥，得到高强度耐磨铜合金。
对比例1
一种铜合金的制备方法，与实施例1的区别仅在于，制备过程中以铁粉和锰粉的混合物替代硼化铁锰粉末，铜粉、铝粉、镍粉、铁粉和锰粉的质量比例是86.8:7.3:1.8:0.59:0.33。
对比例2
一种铜合金的制备方法，与实施例1的区别仅在于，制备过程中以硼化铁粉末替代硼化铁锰粉末；硼化铁粉末的制备过程包括：
称取九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、硼氢化钠（NaBH4）和碳酸铵（(NH4)2CO3）充分混合，平摊置于陶瓷坩埚内，九水合硝酸铁、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.56:1.68:0.09，然后置于微波炉内，设置微波功率为800W，微波处理2.5min，待处理完之后，自然冷却至室温，水洗多次后干燥，然后在粉碎机器内粉碎并过300目筛，得到硼化铁粉末。
对比例3
一种铜合金的制备方法，与实施例1的区别仅在于，制备过程中以硼化锰粉末替代硼化铁锰粉末；硼化锰粉末的制备过程包括：
称取四水合硝酸锰（Mn(NO3)2·4H2O）、硼氢化钠（NaBH4）和碳酸铵（(NH4)2CO3）充分混合，平摊置于陶瓷坩埚内，四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.56:1.68:0.09，然后置于微波炉内，设置微波功率为800W，微波处理2.5min，待处理完之后，自然冷却至室温，水洗多次后干燥，然后在粉碎机器内粉碎并过300目筛，得到硼化锰粉末。
将实施例1-3、对比例1-3制备得到的铜合金进行了性能的检测比较，其中，抗拉强度和延伸率按照标准GB/T 228.1-2010进行检测；布氏硬度参考标准GB/T 231.1-2018；腐蚀速率取三次平均值，参考GB/T19746-2005的方法进行检测；耐磨性使用磨损量来表示，在磨损机上采用GB/T12444-2006的方法进行检测；抗高温热裂性能通过热循环的裂纹深度来表示，参考GB/T 6398-2017的方法，在25-400℃之间进行热循环5000次后，检测裂纹深度。
检测结果如表1所示：
表1 不同铜合金的性能表现
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | |
| 抗拉强度（MPa） | 586 | 585 | 589 | 574 | 582 | 579 |
| 布氏硬度（HB） | 129 | 127 | 130 | 118 | 121 | 125 |
| 延伸率（%） | 22.1 | 22.5 | 21.9 | 22.7 | 21.6 | 22.4 |
| 腐蚀速率（mm/a） | 0.021 | 0.028 | 0.023 | 0.078 | 0.041 | 0.035 |
| 磨损量（mm3） | 0.125 | 0.131 | 0.122 | 0.205 | 0.149 | 0.137 |
| 热循环5000次后裂纹深度（mm） | 0.6 | 0.8 | 0.7 | 4.3 | 1.5 | 1.2 |
从表1能够看出，相比较于传统的铜合金对比例1，本发明实施例1-3制备的铜合金的强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性以及抗高温热裂性都表现更好，综合性能表现更佳。而对比例2和对比例3均为本发明单一替代的对比实验，其虽然在强度上与实施例1并未拉开较大差距，但是在耐磨性、耐腐蚀性以及抗高温热裂性的表现上远不如实施例1，说明使用本发明实施例1所制备的铜合金不仅具备高强度，而且还具备更好的耐磨性、耐腐蚀性以及耐高温热裂性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种高强度耐磨铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、合成硼化铁锰粉末：
称取九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵充分混合，置于陶瓷坩埚内，经过微波处理后，粉碎过筛，得到硼化铁锰粉末；
步骤2、湿法研磨处理：
称取铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末作为金属混合物混合在湿式球磨机内，加入羧甲基纤维素的水溶液作为研磨介质，充分研磨后，干燥，得到金属球磨混合料；
步骤3、成型处理：
将金属球磨混合料加入至模具内，经过加压后成型，得到金属生坯料；
步骤4、高温烧结：
将金属生坯料置于高温炉内，烧结处理后，随炉自然冷却后，得到合金生坯料；
步骤5、后处理：
将合金生坯料经过退火和冷却处理后，得到高强度耐磨铜合金；
所述步骤1中，九水合硝酸铁、四水合硝酸锰、硼氢化钠和碳酸铵的质量比例是0.24-0.48:0.13-0.26:1.12-2.24:0.06-0.12；
铜粉、铝粉、镍粉均为纯度高于99.9%的高纯金属粉末，粒径均为100-150目；铜粉、铝粉、镍粉和硼化铁锰粉末的质量比例是80.3-93.4:5.2-8.5:1.6-2.2:0.74-1.18；
所述步骤4中，烧结处理是在惰性气体的保护下进行的，烧结过程具体包括：先以5-6℃/min的速度升温至950-980℃，保温0.5-1h，再以3-4℃/min的速度升温至1080-1120℃，保温1-1.5h；
所述步骤5中，退火的温度是850-950℃，退火保温的时间是1-2h，退火结束后随炉自然冷却，降温至250℃后浸油冷却，油温是20-25℃。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，羧甲基纤维素的水溶液的质量分数是1.5%-3.5%；金属混合物与羧甲基纤维素的水溶液的质量比是1:0.3-0.7。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，球磨是在钢球的作用下进行的，钢球的直径为20-30mm，钢球与金属混合物的质量比例是2-3:1；球磨过程中使用惰性气体作为保护气，球磨的时间是8-12h，球磨速度是300-400r/min。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铜合金的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，模具提前预热至60-80℃，加压的压力为200-300MPa，加压的时间为1.5-2.5min。
5.一种高强度耐磨铜合金，其特征在于，采用权利要求1所述的制备方法制备得到。
6.一种高强度耐磨铜合金的应用，其特征在于，权利要求5所述的高强度耐磨铜合金应用于掘锚机设备的制造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410574305.7A CN118127365B (zh) | 2024-05-10 | 一种高强度耐磨铜合金 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN118127365A CN118127365A (zh) | 2024-06-04 |
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ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101016603A (zh) * | 2006-12-22 | 2007-08-15 | 西安交通大学 | 一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及其制备方法 |
| CN101260499A (zh) * | 2008-04-25 | 2008-09-10 | 北京工业大学 | 含硼铸造模具钢及其制备方法 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101016603A (zh) * | 2006-12-22 | 2007-08-15 | 西安交通大学 | 一种含颗粒状硼化物的高硼铸钢及其制备方法 |
| CN101260499A (zh) * | 2008-04-25 | 2008-09-10 | 北京工业大学 | 含硼铸造模具钢及其制备方法 |
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