本发明涉及合金棒材领域，具体涉及一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒及其制备方法。
背景技术：
锡青铜是铸造收缩率最小的有色金属合金，通常用来生产形状复杂、轮廓清晰、气密性要求不高的铸件。锡青铜在大气、海水、淡水和蒸汽中十分耐蚀，广泛应用于各类耐磨轴瓦、轴套、法兰及齿轮等方面，尤其用于高速铁路装备。
为了提升高锡青铜合金棒的易切削性能，往往在棒料中添加铅元素，加铅后的高锡青铜合金棒具有高的耐磨性并易切削加工，被广泛使用。然而，含铅高锡青铜合金棒会对环境造成影响，随着人们环保意识的不断提高，含铅元素的青铜合金棒已不能满足国内外高端市场的要求，尤其不能满足我国快速发展的高速机车专用齿轮的要求。另外，随着工业的发展，锡青铜的合金硬度需进一步提高。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明，提供一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒，其特征在于，由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)0.5-1.5％，锡(Sn)6-7.5％，锑(Sb)2-3％，镧(La)和铈(Ce)0.1-0.5％，余量为铜。
根据本发明的一个实施例，一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)0.5％，锡(Sn)6％，锑(Sb)2％，镧(La)和铈(Ce)0.1％，余量为铜。
根据本发明的一个实施例，一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)1.5％，锡(Sn)7.5％，锑(Sb)3％，镧(La)和铈(Ce)0.5％，余量为铜。
根据本发明的一个实施例，一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)1.0％，锡(Sn)6.4％，锑(Sb)2.3％，镧(La)和铈(Ce)0.3％，余量为铜。
根据本发明的一个实施例，所述碳化硅粒径为100μm-200μm。
根据本发明，提供一种如上所述的用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照如上所述的配比重量将锡，锑，铜置于坩埚内进行熔炼，加热到1100-1150℃，加热完成后保温至1080℃，形成母合金；
2)按照如上所述的配比重量将碳化硅、镧(La)和铈(Ce)置于坩埚内进行搅拌；
3)将步骤2)中搅拌均匀的碳化硅、镧(La)和铈(Ce)混合粉末添加到步骤1)的母合金中，同时开启机械臂进行搅拌；
4)搅拌结束后，对从坩埚内取出的样品进行成分检验，取样次数为3-6次，以确定其合金成分在合格的范围之内；
5)将成分合格的合金溶液转移至铸造保温电炉当中，并开启铸造震动装置，采用水平连铸方法铸制成规定直径和长度的圆形合金棒。
根据本发明的一个实施例，所述步骤1)中，加热时间60-90min，保温时间为20min。
根据本发明的一个实施例，所述步骤3)中，搅拌速度为400转/分钟，搅拌时间为15-20min。
根据本发明的一个实施例，所述步骤5)中，震动频率为10次/秒。
本发明的有益效果是：
1.本发明将碳化硅均匀分布在熔融合金液体中，利用碳化硅高硬度，高耐磨性和良好的自润滑及高温强度大的性能，结合适当的温度而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜合金棒，不仅去除了对环境有害的铅，而且最终碳化硅增强无铅锡铜合金棒的机械性能也有很大的提高。
2.本发明通过特定的熔炼、搅拌、铸造工艺，将非金属材料(碳化硅)与金属材料(铜、锑、锡)进行融合，从而制成复合材料，该复合材料的硬度(硬度可达到130-150HBW)和耐磨性能(摩擦系数μ为0.1～0.12)均优越于传统的添加铅元素的锡青铜合金(硬度70-80HBW)和耐磨性能(摩擦系数μ为0.15～0.20)。从而进一步满足高速机车专用齿轮的要求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒，由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)0.5％，锡(Sn)6％，锑(Sb)2％，镧(La)和铈(Ce)0.1％，余量为铜；碳化硅粒径为100μm-200μm。
在本实施例中用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒由以下步骤制得：
1)按照配比重量将锡、锑、铜置于容量为500kg的坩埚内进行熔炼，加热到1100-1150℃，加热时间60-90分钟，加热完成后保温至1080℃，保温时间为20min，形成母合金；
2)按照配比重量将碳化硅、镧(La)和铈(Ce)置于容量为500kg的坩埚内进行搅拌，搅拌时间为5min；
3)将步骤2)中搅拌均匀的碳化硅、镧(La)和铈(Ce)混合粉末添加到步骤1)的母合金中，保温状态下同时开启机械臂进行搅拌，搅拌速度为400转/分钟，搅拌时间为15-20min；
4)搅拌结束后，对从坩埚内取出的样品进行成分检验，取样次数为3-6次，以确定其合金成分在合格的范围之内；
5)将成分合格的合金溶液转移至容量为800-1000kg的铸造保温电炉当中，并开启铸造震动装置，震动频率为10次/秒，采用水平连铸方法铸制成规定直径和长度的圆形合金棒。
实施例2
一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒，由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)1.5％，锡(Sn)7.5％，锑(Sb)3％，镧(La)和铈(Ce)0.5％，余量为铜；碳化硅粒径为100μm-200μm。
上述用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒通过与实施例1相同的方法得到。
实施例3
一种用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒，由以下重量百分数的组分组成：碳化硅(SiC)1.0％，锡(Sn)6.4％，锑(Sb)2.3％，镧(La)和铈(Ce)0.3％，余量为铜；碳化硅粒径为100μm-200μm。
上述用于高速机车齿轮的碳化硅增强锑锡铜合金棒通过与实施例1相同的方法得到。
比较例1
在比较例中，传统的铅锡铜合金棒由以下重量百分数的组分组成：锌6％，锡5％，铅3％，余量为铜。
通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铅锡铜合金材料。
比较例2
在比较例中，传统的铅锡铜合金棒由以下重量百分数的组分组成：锌5％，锡4％，铅6％，余量为铜。
通过传统的热处理工艺，即反复退火、回火及蘸火等热处理工艺，制备得到上述铅锡铜合金材料。
本发明的实施例1-3和对比例1-2所得的合金棒材的力学性能具体结果如下表1所示：
表1
根据上述表1的数据可以看出，本发明通过特定的熔炼、搅拌、铸造工艺，将非金属材料(碳化硅)与金属材料(铜、锑、锡)进行融合，从而制成复合材料，该复合材料的硬度(硬度可达到130-150HBW)和耐磨性能(摩擦系数μ为0.1～0.12)均优越于传统的添加铅元素的锡青铜合金(硬度70-80HBW)和耐磨性能(摩擦系数μ为0.15～0.20)。从而进一步满足高速机车专用齿轮的要求。
关于以上所述的仪器及操作步骤和参数，应理解的是，其为描述性而非限定性的，可通过等价置换的方式在以上说明书及权利要求所述的范围内做出修改。即，本发明的范围应参照所附权利要求的全部范围而确定，而不是参照上面的说明而确定。总之，应理解的是本发明能够进行多种修正和变化。