铜合金耐磨材料及其制备方法.pdf

本发明的铜合金耐磨材料及其制备方法，涉及金属耐磨材料领域，旨在解决传统铜合金耐磨材料生产领域中存在的贵重金属含量高、制造成本高、造价高和生产方式对铜合金耐磨材料的耐磨性影响显著等技术问题。本发明的铜合金耐磨材料，含有如下重量比的成分：Cu 54％-57％、Al 3％-5％、Mn 3.5％-5.5％、Si 0.5％-1.3％、Fe 0.7％-1.5％、杂质不大于1％、Zn余量。本发明适用于合金耐磨材料生产制备领域。

1.  一种铜合金耐磨材料，其特征于含有如下重量比的成分：
Cu                  54％-57％
Al                  3％-5.0％
Mn                  3.5％-5.5％
Si                  0.5％-1.3％
Fe                  0.7％-1.5％
Zn                  余量。

2.  如权利要求1所述的铜合金耐磨材料的制备方法，其特征在于由如下步骤构成：
(1)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内，在1300-1350℃温度下彻底熔化：
Cu                 70％
Si                 100％
Fe                 100％
Mn                 25％
(2)按重量比加入Cu 30％，搅拌降温至1030℃-1050℃；
(3)按重量比加入Al 100％、Zn100％，搅拌捞渣。
(4)按重量比加入Mn75％，搅拌升温，至1050℃-1100℃。

3.  如权利要求2所述的铜合金耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)熔炼过程中，熔体表面用木炭严密覆盖。

4.  如权利要求1所述的铜合金耐磨材料的制备方法，其特征在于由如下步骤构成：
(1)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内：
Cu                70％
Si                100％
Fe               100％
Mn               25％
(2)将与步骤(1)同重的铜合金耐磨材料成品加入熔炼炉内，连续加料，并使其彻底熔化；
(3)按重量比加入Al 100％、Zn100％；
(4)将上述熔炼液温度升至1030-1050℃，高温捞渣，并加入重量比为75％的Mn；
(5)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内进行精炼
Na₃AlF₆(氟氯酸钠)        50％
Na₂CO₃(苏打)             20％
SiO₂(硅微粉)             10％
NaCl(氯化钠)             15％
KCl(氯化钾)              5％
(6)将上述精炼后的铜水在1050-1100℃的静止状态下保持5-10分钟；
(7)出料。

5.  如权利要求4所述的铜合金耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)或(5)中，熔体表面用木炭严密覆盖。

6.  如权利要求2或4所述的铜合金耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述的Cu为Cu-2电解铜，Cu含量不低于99.95％；Zn为Zn-4，Zn含量不低于99.5％；Al为Al特二级，AL含量不低于99.60％；Mn为电解金属锰，Mn含量不低于99.5％；Si为Si-二级硅，Si含量不低于98.0％；Fe为低碳薄钢片，其中S含量低于0.03％、P含量低于0.03％、Si含量低于0.03％。

铜合金耐磨材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属耐磨材料领域，特别一种铜合金耐磨材料及其制备方法。
背景技术
上世纪七十年代以前，耐磨材料大多采用青铜材料，青铜价格昂贵，且因热成型性能的局限性，使用领域受到限制。七十年代以后，世界各国均投入精力对多元黄铜进行研究，先后形成了多种复杂耐磨黄铜牌号。
在目前的常见的铜合金耐磨材料中，主要存在如下技术问题：
1.贵重金属含量高，制造成本高，使用成本高，使材料应用范围与领域受到限制；
2.生产方式对铜合金耐磨材料的耐磨性影响显著，严重制约了普及和生产。
发明内容
本发明旨在解决上述传统铜合金耐磨材料生产领域中存在的贵重金属含量高、制造成本高、造价高和生产方式对铜合金耐磨材料的耐磨性影响显著等技术问题，以提供一种制造成本低、成品耐磨性与生产方式相关性极微的铜合金耐磨材料及其生产制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的铜合金耐磨材料，含有如下重量比的成分：
Cu         54％-57％
Al         3％-5％
Mn         3.5％-5.5％
Si         0.5％-1.3％
Fe         0.7％-1.5％
杂质       不大于1％
Zn         余量
前述的铜合金耐磨材料的制备方法，由如下步骤构成：
(1)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内，在1300-1350℃温度下彻底熔化：
Cu           70％
Si           100％
Fe           100％
Mn           25％
(2)按重量比加入Cu 30％，搅拌降温至1030℃-1050℃；
(3)按重量比加入Al 100％、Zn100％，搅拌捞渣。
(4)按重量比加入Mn75％，搅拌升温，至1050℃-1100℃。
前述的铜合金耐磨材料的制备方法，所述步骤(1)熔炼过程中，熔体表面用木炭严密覆盖。
前述的铜合金耐磨材料的制备方法，由如下步骤构成：
(1)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内：
Cu           70％
Si           100％
Fe           100％
Mn           25％
(2)将与步骤(1)同重的铜合金耐磨材料成品加入熔炼炉内，连续加料，并使其彻底熔化；
(3)按重量比加入Al 100％、Zn100％；
(4)将上述熔炼液温度升至1030-1050℃，高温捞渣，并加入重量比为75％的Mn；
(5)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内进行精炼
Na₃AlF₆(氟氯酸钠)       50％
Na₂CO₃(苏打)             20％
SiO₂(硅微粉)             10％
NaCl(氯化钠)             15％
KCl(氯化钾)              5％
(6)将上述精炼后的铜水在1050-1100℃的静止状态下保持5-10分钟；
(7)出料
前述的铜合金耐磨材料的制备方法，步骤(2)或(5)中，熔体表面用木炭严密覆盖。
前述的铜合金耐磨材料的制备方法，所述的Cu为Cu-2电解铜，Cu含量不低于99.95％；Zn为Zn-4，Zn含量不低于99.5％；Al为Al特二级，AL含量不低于99.60％；Mn为电解金属锰，Mn含量不低于99.5％；Si为Si-二级硅，Si含量不低于98.0％；Fe为低碳薄钢片，其中S含量低于0.03％、P含量低于0.03％、Si含量低于0.03％。
本发明的铜合金耐磨材料及其制备方法的有益效果：
1.贵重金属含量低、制造成本低、造价低；
2.生产方式基本不影响铜合金耐磨材料的耐磨性；
3.可根据不同的设备条件采用不同的生产方法使材料成为需要的形状和尺寸；
4.不同生产方法生产的制品，其微观组织区别甚微，均有高强度、高硬度的基体和均匀分布于基体之上的化合物组成，且动态摩擦系数均不大于0.1；
5.具有一定形状和尺寸的耐磨件可通过进一步的热加工继续成型。
附图说明
图1为本发明水平连铸管材金相照片400X
图2为本发明水平连铸管材热锻压后的齿环金相照片400X
图3为本发明离心浇铸管材金相照片400X
图4为本发明离心浇铸管材热锻压后的齿环金相照片400X
图5为本发明立式半连铸铸锭挤压管材金相照片400X
图6为本发明立式半连铸铸锭挤压管材热锻压后齿环金相照片400X
具体实施方式
本发明详细结构、应用原理、作用与功效，通过如下实施方式予以说明。
实施例一：铜合金耐磨材料的制备
本发明的铜合金耐磨材料的制备方法，由如下步骤构成：
(1)将如下各组分按重量比加入熔炼炉内，在1300-1350℃温度下彻底熔化，熔炼过
程中，熔体表面用木炭严密覆盖：
Cu            70％
Si            100％
Fe            100％
Mn            25％
(2)按重量比加入Cu 30％，搅拌降温至1030℃-1050℃；
(3)按重量比加入Al 100％、Zn100％；加料过程应连续逐块加入。加料过程炉内铜水温度不得高于1050℃。加料结束后升温至1130-1150℃。
(4)按重量比加入Mn75％。加Mn前应彻底搅拌铜液，捞去铜液表面浮渣。Mn应与助熔剂Na₃AlF₆一起加入。
(5)彻底搅拌铜水，取样，加盖木炭，升温，当温度达到1050℃-1100℃时保温，静止精炼5-10分钟。
(6)当取样成分达到本发明权利所要求书中的各化学成分范围时即可出料。
以下以ф80 x ф65耐磨管材的不同生产方法和热锻压后齿环为例，参照附图1-6，通过如下实施方式对本发明铜合金耐磨材料的的制备予以进一步说明：
实施例二：配合成品铜合金耐磨材料的制备水平连铸管材
1.连铸设备：2台300kg中频熔炼炉，1台500kg保温炉。熔炼炉每炉配置合金400kg。
2.配料：
a)新旧料比例1：1。旧料指本合金旧料，指的是合金材料在熔炼、铸造、车削加工、锻压过程中所产生的几何残料(以下均简称：旧料)。旧料可以是全新成品的几何残料，也可以是生产过程循环使用的几何残料。成分均在本发明材料规定的化学成分范围内(以下均简称：旧料)；
b)200kg新料中各元素的配料比是：Cu56％、Mn5％、Al4％、Si0.7％、Fe1％、Zn33.3％.共需Cu112kg，Mn10kg，A18kg，Si1.4kg，Fe2kg，Zn74.6kg。Zn的组成有三项：新料应配入量66.6kg，新料熔炼Zn的损耗4kg，200kg旧料重熔Zn的损耗4kg。Zn的熔损以炉料重量进行计算。
3.熔炼工序：
a)在熔炉内加入前述重量的Cu、Si、Fe和前述1/4重量的Mn，在1300-1350℃温度下熔炼25-30分钟，熔炼过程木炭层覆盖厚度5-10mm；
b)连续加入旧料，并搅拌熔化；
c)旧料全部熔化后，不需要升温和保温过程，及时加入前述重量的Zn和Al；
d)温度升至1130-1150℃，高温捞渣，加入前述重量的Mn；
e)加入炉料重量0.5％的精炼剂进行精炼。精炼剂组分：Na3AlF6(氟氯酸钠)50％、Na2CO3(苏打)20％、SiO2(硅微粉)10％、NaCl(氯化钠)15％、KCl(氯化钾)5％；
f)精炼后使铜水在静止状态下保持5-10分钟，以使熔渣和气体上浮。为了得到优质的合金化熔体，高熔点金属的熔化温度应保持在1300-1350℃，铜水静止精炼温度1050-1100℃。高熔点金属熔化和静止精炼过程熔体表面用木炭严密覆盖，以防止吸气和氧化；
g)当熔炼炉化学成分满足权利要求书中权利要求一所列举的各元素的百分比时，转铜水进入保温炉。
4.铸造工序：
a)铜水转入保温炉后再次取样进行化学分析，确定成分合格且达到浇铸温度980-1030℃后开始拉铸；
b)拉铸采取拉-停工艺：拉铸频率25-30次/分钟，振幅7-12mm.连铸过程每20分钟向保温炉中补锌0.5kg。连铸管材内外径经车削加工后，随机抽取一筒料送制样车间加工拉力试棒；按要求切取的锻压前的圈料随机抽取进行金相观察。
5.成品水平连铸管材各项性能指标：抗拉强度：723-735Mpa，延伸率3.5-4％，硬度92-95HRB。摩擦系数0.092。金相结构参见附图1。
实施例三：配合成品铜合金耐磨材料的制备离心浇铸管材
1.连铸设备：中频熔炼炉300kg，每炉配料400kg。浇铸机型号：J514，可调速。
2.配料同实施例二。
3.熔炼工序同实施例二。
4.铸造工序：
a)浇铸前，清理模具，统一尺寸，均匀涂上涂料，预热60-80度；浇铸过程模具温度不得高于130度；
b)铜水升温至1030-1080℃后试浇2-4件；
c)按照试浇件确定的铜水量开始浇铸，保证尺寸基本一致，控制浇铸机转速1250r/min(1∶1.5)(电机：轴)，浇铸机旋转时间1-1.5min；
d)浇铸开始后每隔10分钟向炉内补锌0.5kg；
e)浇铸完毕，待铸件基本冷却后，用锉刀去掉铸件内外圆毛刺，确保浇铸件表面无裂纹、毛刺；
f)离心浇铸管材内外径经车削加工后，随机抽取一筒料送制样车间加工拉力试棒；按要求切取的锻压前的圈料随机抽取进行金相观察。
5.离心浇铸管材各项性能指标：抗拉强度：735-748Mpa，延伸率3-4％，硬度95-101HRB，擦系数0.089。金相结构参见附图3。
实施例四：采用立式半连续铸造方式配合成品铜合金耐磨材料的制备挤压管材
1.连铸设备：750kg中频感应熔炼炉，每炉配料1200kg；立式半连续铸造牵引机。
2.配料：
a)新旧料比例1：1；
b)新料中各元素的配料比是：Cu56％、Mn5％、Al4％、Si0.7％、Fe1％、Zn33.3％.600kg共需各元素的量：Cu336kg，Mn30kg，Al24kg，Si4.2kg，Fe6kg，Zn223.88kg。Zn的组成有三项：新料应配入量199.86kg，新料熔炼Zn的损耗12kg，600kg旧料重熔Zn的损耗12kg，Zn的熔损以炉料重量进行计算。
3.熔炼工序同实施例二。
4.铸造工序：
a)浇铸方式：炉头箱+中间包+结晶器；
b)浇铸温度：1030-1070℃；
c)浇铸速度：3.5-5m/h，采用拉-停工艺。拉3停3或4秒；
d)冷却强度：0.03-0.05Mpa；
e)浇铸过程结晶器内液面要保持平稳；
f)中间包用烤红的整块稻草灰覆盖，结晶器液面用烤红烟灰严密覆盖，不能使铜水暴露在空气中；
g)浇铸过程应随时观察铸锭表面质量，及时调整浇铸工艺参数；
h)浇铸过程每20分钟向炉内补锌0.5kg；
i)管材挤压：浇铸后的铸锭切除浇口和打底部分，铸锭中间部分切片进行低倍检查，铸锭表面缺陷手工修理后锯切成供挤压机挤压的锭坯。锭坯在工频加热炉中加热，加热温度650-700℃。加热后的锭坯在2000吨带穿孔系统的双动挤压机上挤制成规定尺寸的管材，挤压速度25-30mm/s，挤压后采用风冷。挤压后的管材不需要车内外表面，随机切取要求长度的管筒送制样车间做拉力试棒，按要求切取的锻压前的圈料随机抽取进行金相观察。
5.挤压管材各项性能指标：抗拉强度：740-750Mpa，延伸率4-4.5％，硬度94-100HRB，动态摩擦系数0.09。金相结构如图5。
对比附图1-6的金相结构照片，包括：水平连铸管材金相照片400X、水平连铸管材热锻压后的齿环金相照片400X、离心浇铸管材金相照片400X、离心浇铸管材热锻压后的齿环金相照片400X、立式半连铸铸锭挤压管材金相照片400X、立式半连铸铸锭挤压管材热锻压后齿环金相照片400X，说明不同设备条件生产的铜合金耐磨材料产品，其微观金相组织差异甚微。
本发明在冶炼过程通过对Cu、AL、Mn、Si、Fe、Zn五元素的高度合金化，再通过水平连续铸造，或离心铸造、或立式半连续铸造铸锭挤压法得到管材、棒材，或不同几何尺寸的材料。这些材料既可通过简单的机加工过程直接成为耐磨件，也可以通过热加工继续成型。经实验验证，不同设备条件生产的产品对微观组织影响甚微。材料延伸率3-5％，抗拉强度≮700Mpa，硬度≮90HRB，动态摩擦系数不大于0.1。
从上所述，本发明的铜合金耐磨材料及其制备方法，具有如下优点：贵重金属含量低、制造成本低廉；生产方式基本不影响铜合金耐磨材料的耐磨性；不同生产方法生产的制品，其微观组织区别甚微，均有高强度、高硬度的基体和均匀分布于基体之上的化合物组成，且动态摩擦系数均不大于0.1；耐磨件可通过进一步的热加工继续成型；可根据不同的设备条件采用不同的生产方法使材料成为需要的形状和尺寸。