專利名稱：一種擠壓成形高錫青銅合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及錫青銅合金技術領域，具體涉及一種擠壓成形高錫青銅合金及其制備方法。
背景技術：
錫青銅合金具有較高的力學性能、良好的耐磨耐腐性、抗磁性和低溫韌性，易于切削加工，主要用于制作蒸汽鍋爐、海船及其他機器設備的彈性元件和耐磨零件。目前對于可以直接進行塑性加工的錫青銅合金其含錫量均低于8%，而對于含錫量較高例如高于8%的錫青銅合金產(chǎn)品來講，錫含量的增高會導致錫青銅合金脆而硬、塑性極差，在塑性變形工藝過程中容易產(chǎn)生裂紋、偏析等缺陷，因此含錫量低于8%的加工錫青銅合金的制備方法并不適用于錫含量大于8%的錫青銅合金的制造。對于錫含量大于8%的錫青銅合金，傳統(tǒng)的制備工藝為配料一熔煉一澆注，但采用這種熔鑄工藝制備出的錫青銅合金的密度< 8. 9g/cm3, 硬度< 75HB，抗拉強度< 238MPa，伸長率< 5%，致密度較低、鑄造缺陷嚴重且偏析嚴重，難以滿足實際產(chǎn)品要求。因此，迫切需要尋求一種錫含量大于8%的擠壓成形高錫青銅合金及其制備工藝，從而滿足高錫錫青銅合金在產(chǎn)品致密度、偏析及缺陷等方面的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種擠壓成形高錫青銅合金。本發(fā)明的目的還在于提供一種擠壓成形高錫青銅合金的制備方法。為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術方案是一種擠壓成形高錫青銅合金，由以下重量百分含量的組分組成Sn 8-12%，Pb 1-4%，Ni 2_5%，雜質(zhì)成分佝、Sb、Al、Zn、P、Si 和Bi的總含量< 0. 28%，余量為Cu。優(yōu)選的，擠壓成形高錫青銅合金由以下重量百分含量的組分組成Sn 10%, Pb 2. 5%, Ni 3. 5%，雜質(zhì)成分佝、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的總含量彡0. 28%，余量為Cu?！N擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，采用壓力下凝固結晶成形工藝，具體步驟如下
(1)準備原材料取電解銅板、純錫錠、純鎳板和純鉛錠，之后經(jīng)裁剪、烘干和表面除油處理，待用；
(2)配料按擠壓成形高錫青銅合金的組成稱取經(jīng)步驟(1)處理后的原材料；
(3)熔煉先向熔煉爐中加入木炭，然后再向熔煉爐中加入電解銅板，加熱使電解銅板熔化，在加熱熔化電解銅板的過程中保證熔融液面被木炭完全覆蓋，通過木炭覆蓋層隔絕大部分空氣來實現(xiàn)電解銅板的熔化過程在微氧化氣氛下進行，溫度為1150 1250°C，持續(xù)時間40 60分鐘；待電解銅板完全熔化后升溫至1500°C 1550°C并加入純鎳板，繼續(xù)在微氧化氣氛下使純鎳板熔化，持續(xù)時間10 15分鐘；待純鎳板熔化后，溫度降至1150 1250°C，再加入純錫錠、純鉛錠進行微氧化氣氛下熔煉，持續(xù)時間1 3分鐘，隨后加入磷銅脫氧劑進行脫氧，熔煉過程中用石墨攪拌棒攪拌，用扒渣棒扒渣；(4)保溫熔煉過程結束后，待熔液表面撥開熔液呈鏡面狀后，將熔液轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi)進行保溫儲存，用于下一步的擠壓步驟，保溫溫度為1100°C 1200°C ；
(5)擠壓先將擠壓模具預熱，預熱溫度為300 400°C，之后將保溫爐內(nèi)的熔液加入到擠壓模具的型腔內(nèi)，開啟壓機下行，進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 200MPa 800MPa，保壓時間為1 2分鐘，然后壓機回程，取出，即得擠壓成形高錫青銅合金廣品。優(yōu)選的，對擠壓成形高錫青銅合金進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 700MPa 800MPa，保壓時間為2分鐘。本發(fā)明提供的擠壓成形高錫青銅合金通過在錫青銅中加入Sn、Pb、Ni元素，制得了高強度、高硬度、且耐磨性良好的擠壓成形高錫青銅合金。其中鉛是改善可切削性和耐磨性的良好材料；在錫青銅中加鎳可以改善錫青銅合金的晶粒，并可減輕鉛的偏析。本發(fā)明在錫青銅中加入了 Sn、Pb、Ni元素，通過Sn、Pb、Ni和Cu的協(xié)同作用，制得了高強度、高硬度、 且耐磨性良好的擠壓成形高錫青銅合金。本發(fā)明提供的擠壓成形高錫青銅合金主要用于交通電力行業(yè)耐磨重載關鍵部件的制造。本發(fā)明提供的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法采用壓力下凝固結晶成形工藝， 既解決了傳統(tǒng)鑄造工藝制備的錫青銅合金致密度低、易產(chǎn)生偏析和鑄態(tài)缺陷的問題，又解決了錫含量> 8%的錫青銅塑性差、難以實現(xiàn)固態(tài)條件下直接塑性變形的問題，制備出了成分均勻、組織致密、性能優(yōu)異、偏析和裂紋得到明顯改善的擠壓成形高錫青銅合金，可滿足實際生產(chǎn)需要，市場應用前景好。本發(fā)明提供的擠壓成形高錫青銅合金具有以下優(yōu)點(1)合金成分均勻，液態(tài)下直接擠壓成形改善了偏析、減少了裂紋等缺陷；(2)合金致密度高，合金密度>9. Og/cm3，合金硬度彡125HB，抗拉強度彡350MPa，延伸率彡15%。


圖1為本發(fā)明實施例1制得的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片；
圖2為與本發(fā)明實施例1的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的組成成分相同，但采用配料 —熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片； 圖3為本發(fā)明實施例2制得的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片； 圖4為與本發(fā)明實施例2的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的組成成分相同，但采用配料 —熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片； 圖5為本發(fā)明實施例3制得的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片； 圖6為與本發(fā)明實施例3的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品的組成成分相同，但采用配料 —熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的高錫青銅合金產(chǎn)品的微觀組織照片。
具體實施例方式實施例1
本實施例的擠壓成形高錫青銅合金，由以下重量百分含量的組分組成Sn 12%, Pb 1%， Ni 2%，雜質(zhì)成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的總含量為0. 28%，余量為Cu。本實施例的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，具體步驟為(1)準備原材料取純度為99.95%的1#電解銅板、純度為99. 90%的1#錫錠、純度為 99. 99%的1#鎳板、純度為99. 994%的1#鉛錠，之后經(jīng)裁剪、烘干和表面除油處理，待用；
(2)配料按擠壓成形高錫青銅合金的組成稱取經(jīng)步驟(1)處理后的原材料；
(3)熔煉先向熔煉爐中加入約20cm厚的木炭，然后再向熔煉爐中加入電解銅板，迅速加熱使電解銅板熔化，在加熱熔化電解銅板的過程中可以補加木炭，以保證液面被木炭完全覆蓋，這樣可以起到保溫、防止吸氣和脫氧作用，以實現(xiàn)電解銅板的熔化過程在微氧化氣氛下進行，溫度為1150°C，持續(xù)時間60分鐘；待電解銅板完全熔化后升溫至1500°C并加入純鎳板，繼續(xù)在微氧化氣氛下使純鎳板熔化，持續(xù)時間15分鐘；待純鎳板熔化后，溫度降至 1150°C，再加入純錫錠、純鉛錠進行微氧化氣氛下熔煉，持續(xù)時間3分鐘，隨后加入磷銅脫氧劑進行脫氧，熔煉過程中用石墨攪拌棒攪拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保溫熔煉過程結束后，此時熔液表面撥開熔液呈鏡面狀，將熔液轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi)進行保溫儲存，用于下一步的擠壓步驟，保溫溫度為1100°C ；
(5)擠壓先將擠壓模具預熱，預熱溫度為350°C，之后用定量澆勺將保溫爐內(nèi)的熔液轉(zhuǎn)移到擠壓模具的型腔內(nèi)，開啟壓機下行，進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 200MPa，保壓時間為1分鐘，然后壓機回程，取出，即得擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品。得到的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品直接用于機加工。使用的擠壓模具為常用的擠壓模具，含凹模和凸模。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的密度為9. 0027g/cm3，硬度達到139HB，抗拉強度和延伸率分別為376ΜΙ^和19. 2%，且偏析得到明顯改善。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的微觀組織照片見圖1所示。在組成成分與本實施例擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品相同的條件下，采用配料一熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的合金密度為8. 8789g/cm3，硬度為112HB，抗拉強度為227MPa，伸長率為4. 8%，且偏析嚴重，其微觀組織照片見圖2所示。圖2中可以看出有大量樹枝晶存在，枝晶偏析明顯；圖1中基本沒有樹枝晶存在， 枝晶偏析得到明顯改善，這是因為采用在壓力作用下對熔融態(tài)合金液直接進行壓力加工， 由于在瞬間壓力下合金來不及充分凝固結晶，以及已結晶部分在隨后的壓力下組織發(fā)生改變，從而造成了合金微觀組織中樹枝晶在壓力下發(fā)生折斷、擠壓而變得細小，因此明顯改善了制得的擠壓成形高錫青銅合金的枝晶偏析現(xiàn)象。實施例2
本實施例的擠壓成形高錫青銅合金，由以下重量百分含量的組分組成Sn 10%, Pb 2. 5%, Ni 3. 5%,雜質(zhì)成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的總含量為0. 25%,余量為Cu。本實施例的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，具體步驟為
(1)準備原材料取純度為99.95%的1#電解銅板、純度為99. 90%的1#錫錠、純度為 99. 99%的1#鎳板、純度為99. 994%的1#鉛錠，之后經(jīng)裁剪、烘干和表面除油處理，待用；
(2)配料按擠壓成形高錫青銅合金的組成稱取經(jīng)步驟(1)處理后的原材料；
(3)熔煉先向熔煉爐中加入約20cm厚的木炭，然后再向熔煉爐中加入電解銅板，迅速加熱使電解銅板熔化，在加熱熔化電解銅板的過程中可以補加木炭，以保證液面被木炭完全覆蓋，這樣可以起到保溫、防止吸氣和脫氧作用，以實現(xiàn)電解銅板的熔化過程在微氧化氣氛下進行，溫度為1250°C，持續(xù)時間40分鐘；待電解銅板完全熔化后升溫至1550°C并加入純鎳板，繼續(xù)在微氧化氣氛下使純鎳板熔化，持續(xù)時間10分鐘；待純鎳板熔化后，溫度降至 1250°C，再加入純錫錠、純鉛錠進行微氧化氣氛下熔煉，持續(xù)時間1分鐘，隨后加入磷銅脫氧劑進行脫氧，熔煉過程中用石墨攪拌棒攪拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保溫熔煉過程結束后，此時熔液表面撥開熔液呈鏡面狀，將熔液轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi)進行保溫儲存，用于下一步的擠壓步驟，保溫溫度為1150°C ；
(5)擠壓先將擠壓模具預熱，預熱溫度為300°C，之后用定量澆勺將保溫爐內(nèi)的熔液轉(zhuǎn)移到擠壓模具的型腔內(nèi)，開啟壓機下行，進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 SOOMPa,保壓時間為2分鐘，然后壓機回程，取出，即得擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品。得到的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品直接用于機加工。使用的擠壓模具為常用的擠壓模具，含凹模和凸模。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的密度為9. 1911 g/cm3,硬度達到145HB，抗拉強度和延伸率分別為417MPa和21. 5%，且偏析得到明顯改善。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的微觀組織照片見圖3所示。在組成成分與本實施例擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品相同的條件下，采用配料一熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的合金密度為8. 8893g/cm3，硬度為116HB，抗拉強度為239MPa，伸長率為5. 1%，且偏析嚴重，其微觀組織照片見圖4所示。實施例3
本實施例的擠壓成形高錫青銅合金，由以下重量百分含量的組分組成Sn 8%, Pb 4%， Ni 5%，雜質(zhì)成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的總含量為0. 23%，余量為Cu。本實施例的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，具體步驟為
(1)準備原材料取純度為99.95%的1#電解銅板、純度為99. 90%的1#錫錠、純度為 99. 99%的1#鎳板、純度為99. 994%的1#鉛錠，之后經(jīng)裁剪、烘干和表面除油處理，待用；
(2)配料按擠壓成形高錫青銅合金的組成稱取經(jīng)步驟(1)處理后的原材料；
(3)熔煉先向熔煉爐中加入約20cm厚的木炭，然后再向熔煉爐中加入電解銅板，迅速加熱使電解銅板熔化，在加熱熔化電解銅板的過程中可以補加木炭，以保證液面被木炭完全覆蓋，這樣可以起到保溫、防止吸氣和脫氧作用，以實現(xiàn)電解銅板的熔化過程在微氧化氣氛下進行，溫度為1200°C，持續(xù)時間50分鐘；待電解銅板完全熔化后升溫至1500°C并加入純鎳板，繼續(xù)在微氧化氣氛下使純鎳板熔化，持續(xù)時間15分鐘；待純鎳板熔化后，溫度降至 1200°C，再加入純錫錠、純鉛錠進行微氧化氣氛下熔煉，持續(xù)時間2分鐘，隨后加入磷銅脫氧劑進行脫氧，熔煉過程中用石墨攪拌棒攪拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保溫熔煉過程結束后，此時熔液表面撥開熔液呈鏡面狀，將熔液轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi)進行保溫儲存，用于下一步的擠壓步驟，保溫溫度為1200°C ；
(5)擠壓先將擠壓模具預熱，預熱溫度為400°C，之后用定量澆勺將保溫爐內(nèi)的熔液轉(zhuǎn)移到擠壓模具的型腔內(nèi)，開啟壓機下行，進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 500MPa，保壓時間為1.5分鐘，然后壓機回程，取出，即得擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品。得到的擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品直接用于機加工。使用的擠壓模具為常用的擠壓模具，含凹模和凸模。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的密度為9. 0409g/cm3,硬度達到141HB，抗拉強度和延伸率分別為401MPa和20. 7%，且偏析得到明顯改善。本實施例擠壓成形高錫青銅合金的微觀組織照片見圖5所示。 在組成成分與本實施例擠壓成形高錫青銅合金產(chǎn)品相同的條件下，采用配料一熔煉一澆注的現(xiàn)有常規(guī)制備工藝制備出的合金密度為8. 8703g/cm3，硬度為106HB，抗拉強度為213MPa，伸長率為4. 3%，且偏析嚴重，其微觀組織照片見圖6所示。
權利要求
1.一種擠壓成形高錫青銅合金，其特征在于，由以下重量百分含量的組分組成Sn 8-12%, Pb 1-4%, Ni 2_5%，雜質(zhì)成分 Fe、Sb、Al、Zn、P、Si 和 Bi 的總含量彡 0. 28%，余量為 Cu。
2.根據(jù)權利要求1所述的擠壓成形高錫青銅合金，其特征在于，該擠壓成形高錫青銅合金由以下重量百分含量的組分組成Sn 10%, Pb 2.5%，Ni 3. 5%，雜質(zhì)成分狗、Sb、Al、Zn、 P、Si和Bi的總含量彡0. 28%，余量為Cu。
3.—種權利要求1或2所述的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，其特征在于，采用壓力下凝固結晶成形工藝，包括以下步驟配料步驟按擠壓成形高錫青銅合金的組成稱取原材料，所述原材料為電解銅板、純錫錠、純鎳板和純鉛錠；熔煉步驟在微氧化氣氛下加熱熔化電解銅板，溫度為1150 1250°C，持續(xù)時間40 60分鐘；待電解銅板完全熔化后升溫至1500°C 1550°C并加入純鎳板，繼續(xù)在微氧化氣氛下使純鎳板熔化，持續(xù)時間10 15分鐘；待純鎳板熔化后，溫度降至1150 1250°C，再加入純錫錠、純鉛錠進行微氧化氣氛下熔煉，持續(xù)時間1 3分鐘，隨后加入磷銅脫氧劑進行脫氧，熔煉過程中攪拌，扒渣；保溫步驟熔煉過程結束后，將熔液轉(zhuǎn)移至保溫爐內(nèi)進行保溫儲存，用于下一步的擠壓步驟，保溫溫度為1100°C 1200°C ；擠壓步驟先將擠壓模具預熱，預熱溫度為300 400°C，之后將保溫爐內(nèi)的熔液加入到擠壓模具的型腔內(nèi)，開啟壓機下行，進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為 200MPa 800MPa，保壓時間為1 2分鐘，然后壓機回程，取出，即得擠壓成形高錫青銅合金廣品。
4.根據(jù)權利要求3所述的擠壓成形高錫青銅合金的制備方法，其特征在于，擠壓步驟中，對擠壓成形高錫青銅合金進行液態(tài)下直接擠壓成形，單位擠壓力控制為700MI^ 800MPa，保壓時間為2分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種擠壓成形高錫青銅合金及其制備方法，該擠壓成形高錫青銅合金由以下重量百分含量的組分組成Sn8-12%，Pb1-4%，Ni2-5%，雜質(zhì)成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的總含量≤0.28%，余量為Cu。擠壓成形高錫青銅合金采用壓力下凝固結晶成形工藝制備。本發(fā)明提供的擠壓成形高錫青銅合金具有以下優(yōu)點(1)合金成分均勻，液態(tài)下直接擠壓成形改善了偏析、減少了裂紋等缺陷；(2)合金致密度高，合金密度≥9.0g/cm3，合金硬度≥125HB，抗拉強度≥350MPa，延伸率≥15%。
文檔編號C22C9/02GK102321826SQ20111024871
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權日2011年8月26日
發(fā)明者劉亞民, 周延軍, 國秀花, 宋克興, 張彥敏, 李紅霞, 楊國義, 白寧, 翟冠峰, 蔡元京, 賈淑果, 趙保建, 趙培峰, 郜建新, 魏軍 申請人:河南江河機械有限責任公司, 河南科技大學