专利名称：一种挤压成形高锡青铜合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及锡青铜合金技术领域，具体涉及一种挤压成形高锡青铜合金及其制备方法。
背景技术：
锡青铜合金具有较高的力学性能、良好的耐磨耐腐性、抗磁性和低温韧性，易于切削加工，主要用于制作蒸汽锅炉、海船及其他机器设备的弹性元件和耐磨零件。目前对于可以直接进行塑性加工的锡青铜合金其含锡量均低于8%，而对于含锡量较高例如高于8%的锡青铜合金产品来讲，锡含量的增高会导致锡青铜合金脆而硬、塑性极差，在塑性变形工艺过程中容易产生裂纹、偏析等缺陷，因此含锡量低于8%的加工锡青铜合金的制备方法并不适用于锡含量大于8%的锡青铜合金的制造。对于锡含量大于8%的锡青铜合金，传统的制备工艺为配料一熔炼一浇注，但采用这种熔铸工艺制备出的锡青铜合金的密度< 8. 9g/cm3, 硬度< 75HB，抗拉强度< 238MPa，伸长率< 5%，致密度较低、铸造缺陷严重且偏析严重，难以满足实际产品要求。因此，迫切需要寻求一种锡含量大于8%的挤压成形高锡青铜合金及其制备工艺，从而满足高锡锡青铜合金在产品致密度、偏析及缺陷等方面的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种挤压成形高锡青铜合金。本发明的目的还在于提供一种挤压成形高锡青铜合金的制备方法。为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是一种挤压成形高锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成Sn 8-12%，Pb 1-4%，Ni 2_5%，杂质成分佝、Sb、Al、Zn、P、Si 和Bi的总含量< 0. 28%，余量为Cu。优选的，挤压成形高锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成Sn 10%, Pb 2. 5%, Ni 3. 5%，杂质成分佝、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量彡0. 28%，余量为Cu。—种挤压成形高锡青铜合金的制备方法，采用压力下凝固结晶成形工艺，具体步骤如下
(1)准备原材料取电解铜板、纯锡锭、纯镍板和纯铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
(2)配料按挤压成形高锡青铜合金的组成称取经步骤(1)处理后的原材料；
(3)熔炼先向熔炼炉中加入木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中保证熔融液面被木炭完全覆盖，通过木炭覆盖层隔绝大部分空气来实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1150 1250°C，持续时间40 60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500°C 1550°C并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10 15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1150 1250°C，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1 3分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；(4)保温熔炼过程结束后，待熔液表面拨开熔液呈镜面状后，将熔液转移至保温炉内进行保温储存，用于下一步的挤压步骤，保温温度为1100°C 1200°C ；
(5)挤压先将挤压模具预热，预热温度为300 400°C，之后将保温炉内的熔液加入到挤压模具的型腔内，开启压机下行，进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 200MPa 800MPa，保压时间为1 2分钟，然后压机回程，取出，即得挤压成形高锡青铜合金广品。优选的，对挤压成形高锡青铜合金进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 700MPa 800MPa，保压时间为2分钟。本发明提供的挤压成形高锡青铜合金通过在锡青铜中加入Sn、Pb、Ni元素，制得了高强度、高硬度、且耐磨性良好的挤压成形高锡青铜合金。其中铅是改善可切削性和耐磨性的良好材料；在锡青铜中加镍可以改善锡青铜合金的晶粒，并可减轻铅的偏析。本发明在锡青铜中加入了 Sn、Pb、Ni元素，通过Sn、Pb、Ni和Cu的协同作用，制得了高强度、高硬度、 且耐磨性良好的挤压成形高锡青铜合金。本发明提供的挤压成形高锡青铜合金主要用于交通电力行业耐磨重载关键部件的制造。本发明提供的挤压成形高锡青铜合金的制备方法采用压力下凝固结晶成形工艺， 既解决了传统铸造工艺制备的锡青铜合金致密度低、易产生偏析和铸态缺陷的问题，又解决了锡含量> 8%的锡青铜塑性差、难以实现固态条件下直接塑性变形的问题，制备出了成分均勻、组织致密、性能优异、偏析和裂纹得到明显改善的挤压成形高锡青铜合金，可满足实际生产需要，市场应用前景好。本发明提供的挤压成形高锡青铜合金具有以下优点(1)合金成分均勻，液态下直接挤压成形改善了偏析、减少了裂纹等缺陷；(2)合金致密度高，合金密度>9. Og/cm3，合金硬度彡125HB，抗拉强度彡350MPa，延伸率彡15%。
图1为本发明实施例1制得的挤压成形高锡青铜合金产品的微观组织照片；
图2为与本发明实施例1的挤压成形高锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用配料 —熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的高锡青铜合金产品的微观组织照片； 图3为本发明实施例2制得的挤压成形高锡青铜合金产品的微观组织照片； 图4为与本发明实施例2的挤压成形高锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用配料 —熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的高锡青铜合金产品的微观组织照片； 图5为本发明实施例3制得的挤压成形高锡青铜合金产品的微观组织照片； 图6为与本发明实施例3的挤压成形高锡青铜合金产品的组成成分相同，但采用配料 —熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的高锡青铜合金产品的微观组织照片。
具体实施例方式实施例1
本实施例的挤压成形高锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成Sn 12%, Pb 1%， Ni 2%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0. 28%，余量为Cu。本实施例的挤压成形高锡青铜合金的制备方法，具体步骤为(1)准备原材料取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99. 90%的1#锡锭、纯度为 99. 99%的1#镍板、纯度为99. 994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
(2)配料按挤压成形高锡青铜合金的组成称取经步骤(1)处理后的原材料；
(3)熔炼先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1150°C，持续时间60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500°C并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至 1150°C，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间3分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保温熔炼过程结束后，此时熔液表面拨开熔液呈镜面状，将熔液转移至保温炉内进行保温储存，用于下一步的挤压步骤，保温温度为1100°C ；
(5)挤压先将挤压模具预热，预热温度为350°C，之后用定量浇勺将保温炉内的熔液转移到挤压模具的型腔内，开启压机下行，进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 200MPa，保压时间为1分钟，然后压机回程，取出，即得挤压成形高锡青铜合金产品。得到的挤压成形高锡青铜合金产品直接用于机加工。使用的挤压模具为常用的挤压模具，含凹模和凸模。本实施例挤压成形高锡青铜合金的密度为9. 0027g/cm3，硬度达到139HB，抗拉强度和延伸率分别为376ΜΙ^和19. 2%，且偏析得到明显改善。本实施例挤压成形高锡青铜合金的微观组织照片见图1所示。在组成成分与本实施例挤压成形高锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料一熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的合金密度为8. 8789g/cm3，硬度为112HB，抗拉强度为227MPa，伸长率为4. 8%，且偏析严重，其微观组织照片见图2所示。图2中可以看出有大量树枝晶存在，枝晶偏析明显；图1中基本没有树枝晶存在， 枝晶偏析得到明显改善，这是因为采用在压力作用下对熔融态合金液直接进行压力加工， 由于在瞬间压力下合金来不及充分凝固结晶，以及已结晶部分在随后的压力下组织发生改变，从而造成了合金微观组织中树枝晶在压力下发生折断、挤压而变得细小，因此明显改善了制得的挤压成形高锡青铜合金的枝晶偏析现象。实施例2
本实施例的挤压成形高锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成Sn 10%, Pb 2. 5%, Ni 3. 5%,杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0. 25%,余量为Cu。本实施例的挤压成形高锡青铜合金的制备方法，具体步骤为
(1)准备原材料取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99. 90%的1#锡锭、纯度为 99. 99%的1#镍板、纯度为99. 994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
(2)配料按挤压成形高锡青铜合金的组成称取经步骤(1)处理后的原材料；
(3)熔炼先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1250°C，持续时间40分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1550°C并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10分钟；待纯镍板熔化后，温度降至 1250°C，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保温熔炼过程结束后，此时熔液表面拨开熔液呈镜面状，将熔液转移至保温炉内进行保温储存，用于下一步的挤压步骤，保温温度为1150°C ；
(5)挤压先将挤压模具预热，预热温度为300°C，之后用定量浇勺将保温炉内的熔液转移到挤压模具的型腔内，开启压机下行，进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 SOOMPa,保压时间为2分钟，然后压机回程，取出，即得挤压成形高锡青铜合金产品。得到的挤压成形高锡青铜合金产品直接用于机加工。使用的挤压模具为常用的挤压模具，含凹模和凸模。本实施例挤压成形高锡青铜合金的密度为9. 1911 g/cm3,硬度达到145HB，抗拉强度和延伸率分别为417MPa和21. 5%，且偏析得到明显改善。本实施例挤压成形高锡青铜合金的微观组织照片见图3所示。在组成成分与本实施例挤压成形高锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料一熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的合金密度为8. 8893g/cm3，硬度为116HB，抗拉强度为239MPa，伸长率为5. 1%，且偏析严重，其微观组织照片见图4所示。实施例3
本实施例的挤压成形高锡青铜合金，由以下重量百分含量的组分组成Sn 8%, Pb 4%， Ni 5%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量为0. 23%，余量为Cu。本实施例的挤压成形高锡青铜合金的制备方法，具体步骤为
(1)准备原材料取纯度为99.95%的1#电解铜板、纯度为99. 90%的1#锡锭、纯度为 99. 99%的1#镍板、纯度为99. 994%的1#铅锭，之后经裁剪、烘干和表面除油处理，待用；
(2)配料按挤压成形高锡青铜合金的组成称取经步骤(1)处理后的原材料；
(3)熔炼先向熔炼炉中加入约20cm厚的木炭，然后再向熔炼炉中加入电解铜板，迅速加热使电解铜板熔化，在加热熔化电解铜板的过程中可以补加木炭，以保证液面被木炭完全覆盖，这样可以起到保温、防止吸气和脱氧作用，以实现电解铜板的熔化过程在微氧化气氛下进行，温度为1200°C，持续时间50分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500°C并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至 1200°C，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间2分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中用石墨搅拌棒搅拌，用扒渣棒扒渣；
(4)保温熔炼过程结束后，此时熔液表面拨开熔液呈镜面状，将熔液转移至保温炉内进行保温储存，用于下一步的挤压步骤，保温温度为1200°C ；
(5)挤压先将挤压模具预热，预热温度为400°C，之后用定量浇勺将保温炉内的熔液转移到挤压模具的型腔内，开启压机下行，进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 500MPa，保压时间为1.5分钟，然后压机回程，取出，即得挤压成形高锡青铜合金产品。得到的挤压成形高锡青铜合金产品直接用于机加工。使用的挤压模具为常用的挤压模具，含凹模和凸模。本实施例挤压成形高锡青铜合金的密度为9. 0409g/cm3,硬度达到141HB，抗拉强度和延伸率分别为401MPa和20. 7%，且偏析得到明显改善。本实施例挤压成形高锡青铜合金的微观组织照片见图5所示。 在组成成分与本实施例挤压成形高锡青铜合金产品相同的条件下，采用配料一熔炼一浇注的现有常规制备工艺制备出的合金密度为8. 8703g/cm3，硬度为106HB，抗拉强度为213MPa，伸长率为4. 3%，且偏析严重，其微观组织照片见图6所示。
权利要求
1.一种挤压成形高锡青铜合金，其特征在于，由以下重量百分含量的组分组成Sn 8-12%, Pb 1-4%, Ni 2_5%，杂质成分 Fe、Sb、Al、Zn、P、Si 和 Bi 的总含量彡 0. 28%，余量为 Cu。
2.根据权利要求1所述的挤压成形高锡青铜合金，其特征在于，该挤压成形高锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成Sn 10%, Pb 2.5%，Ni 3. 5%，杂质成分狗、Sb、Al、Zn、 P、Si和Bi的总含量彡0. 28%，余量为Cu。
3.—种权利要求1或2所述的挤压成形高锡青铜合金的制备方法，其特征在于，采用压力下凝固结晶成形工艺，包括以下步骤配料步骤按挤压成形高锡青铜合金的组成称取原材料，所述原材料为电解铜板、纯锡锭、纯镍板和纯铅锭；熔炼步骤在微氧化气氛下加热熔化电解铜板，温度为1150 1250°C，持续时间40 60分钟；待电解铜板完全熔化后升温至1500°C 1550°C并加入纯镍板，继续在微氧化气氛下使纯镍板熔化，持续时间10 15分钟；待纯镍板熔化后，温度降至1150 1250°C，再加入纯锡锭、纯铅锭进行微氧化气氛下熔炼，持续时间1 3分钟，随后加入磷铜脱氧剂进行脱氧，熔炼过程中搅拌，扒渣；保温步骤熔炼过程结束后，将熔液转移至保温炉内进行保温储存，用于下一步的挤压步骤，保温温度为1100°C 1200°C ；挤压步骤先将挤压模具预热，预热温度为300 400°C，之后将保温炉内的熔液加入到挤压模具的型腔内，开启压机下行，进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为 200MPa 800MPa，保压时间为1 2分钟，然后压机回程，取出，即得挤压成形高锡青铜合金广品。
4.根据权利要求3所述的挤压成形高锡青铜合金的制备方法，其特征在于，挤压步骤中，对挤压成形高锡青铜合金进行液态下直接挤压成形，单位挤压力控制为700MI^ 800MPa，保压时间为2分钟。
全文摘要
本发明公开了一种挤压成形高锡青铜合金及其制备方法，该挤压成形高锡青铜合金由以下重量百分含量的组分组成Sn8-12%，Pb1-4%，Ni2-5%，杂质成分Fe、Sb、Al、Zn、P、Si和Bi的总含量≤0.28%，余量为Cu。挤压成形高锡青铜合金采用压力下凝固结晶成形工艺制备。本发明提供的挤压成形高锡青铜合金具有以下优点(1)合金成分均匀，液态下直接挤压成形改善了偏析、减少了裂纹等缺陷；(2)合金致密度高，合金密度≥9.0g/cm3，合金硬度≥125HB，抗拉强度≥350MPa，延伸率≥15%。
文档编号C22C9/02GK102321826SQ20111024871
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者刘亚民, 周延军, 国秀花, 宋克兴, 张彦敏, 李红霞, 杨国义, 白宁, 翟冠峰, 蔡元京, 贾淑果, 赵保建, 赵培峰, 郜建新, 魏军 申请人:河南江河机械有限责任公司, 河南科技大学