一种高性能铜镍锡钼合金的成分设计及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种高性能铜镍锡钼合金的成分设计及其制备方法和应用。


背景技术：

2.cu-ni-sn系合金是一类较新型的铜合金，具有高强度、高弹性、耐磨和耐腐蚀等优点，在航空航天、轨道交通、重载机械及海洋工程等领域的应用前景十分广阔，我国对此类合金的需求也与日俱增。cu-15ni-8sn合金是一种典型的以调幅分解强化为基础的高性能cu-ni-sn系合金，具有很好的力学性能、优异的耐摩擦性能、抗应力松弛性能和耐腐蚀性能，常用作制造汽车同步器齿环、轴承、轴瓦和轴套等高强度耐磨零件。cu-15ni-8sn合金主要存在的问题是合金熔炼时的成分不均匀性导致的偏析/反偏析以及时效处理过程中不连续沉淀γ相的大量生成，这对合金的硬度会产生严重的不利影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种高性能铜镍锡钼合金的成分设计及其制备方法和应用，本发明提供的高性能铜镍锡钼合金具有较高的硬度。
4.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
5.本发明提供了一种高性能铜镍锡钼合金，以质量百分数计，包括ni 15％，sn 8％，mo 0.3～1.5％，余量为cu。
6.优选地，所述mo的质量百分数为0.9。
7.本发明提供了上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的制备方法，包括以下步骤：
8.按照上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的化学成分进行配料，得到合金原料；
9.将所述合金原料依次进行熔炼和浇注，得到合金铸锭；
10.将所述合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态合金；
11.将所述固溶态合金进行时效处理，得到高性能铜镍锡钼合金。
12.优选地，所述合金原料包括电解铜、镍、锡和钼。
13.优选地，所述熔炼的温度为1250～1450℃。
14.优选地，所述浇注的温度为1300～1350℃。
15.优选地，所述固溶处理的温度为850～900℃；保温时间为4h。
16.优选地，所述时效处理的温度为400℃；保温时间为4～8h。
17.本发明还提供了上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高性能铜镍锡钼合金在制造汽车同步器齿环、轴承、轴瓦或轴套中的应用。
18.本发明提供了一种高性能铜镍锡钼合金，以质量百分数计，包括ni 15％，sn 8％，
mo 0.3～1.5％，余量为cu。本发明在cu-15ni-8sn合金中添加0.3～1.5％mo元素，能够提高合金组织均匀性，进而提高合金的硬度。
19.本发明提供了上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的制备方法，本发明将合金原料按元素组成熔炼得到合金铸锭后，进行固溶处理，将mo元素充分固溶到合金基体中，产生固溶强化效应，有效抑制后续时效处理过程中不连续沉淀相的产生和生长，得到高硬度的铜镍锡钼合金。
20.另外，本发明提供的制备方法简便易操作，制备得到的高性能铜镍锡钼合金具有较高的硬度。
附图说明
21.图1-1为对比例10中cu-15ni-8sn合金的伪二元相图；
22.图1-2为实施例1中cu-15ni-8sn-0.3mo合金的伪二元相图；
23.图1-3为实施例2中cu-15ni-8sn-0.9mo合金的伪二元相图；
24.图1-4为实施例3中cu-15ni-8sn-1.5mo合金的伪二元相图；
25.图2为添加0.3wt％、0.9wt％、1.5wt％mo元素的高性能铜镍锡钼合金的铸态金相图；
26.图3为添加0.3wt％、0.9wt％、1.5wt％mo元素的高性能铜镍锡钼合金的固溶态金相图；
27.图4为固溶态的cu-15ni-8sn-0.3mo合金的sem图和eds图；
28.图5为不同时效处理时间和不同mo含量的高性能铜镍锡钼合金的硬度图。
具体实施方式
29.本发明提供了一种高性能铜镍锡钼合金，以质量百分数计，包括ni 15％，sn 8％，mo 0.3～1.5％，余量为cu。在本发明的具体实施例中，所述mo的质量百分数为0.3％、0.9％或1.5％。
30.本发明提供了上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的制备方法，包括以下步骤：
31.按照上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的化学成分进行配料，得到合金原料；
32.将所述合金原料依次进行熔炼和浇注，得到合金铸锭；
33.将所述合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态合金；
34.将所述固溶态合金进行时效处理，得到高性能铜镍锡钼合金。
35.本发明按照上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金的化学成分进行配料，得到合金原料。在本发明中，所述合金原料优选包括电解铜、镍、锡和钼。在本发明中，所述电解铜的纯度优选为99.97wt％；所述镍的纯度优选为99.8wt％；所述锡的纯度优选为99.9wt％；所述钼的纯度优选为99.99wt％。
36.得到合金原料后，本发明将所述合金原料依次进行熔炼和浇注，得到合金铸锭。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1250～1450℃，更优选为1300～1350℃。在本发明中，所述熔炼优选为中频感应熔炼。在本发明中，所述熔炼优选包括：将电解铜、镍和锡装入中频
感应炉的石墨坩埚中进行熔化，待熔体温度达到所述熔炼的温度后加入钼，保温10min，得到合金熔体。
37.在本发明中，所述浇注的温度优选为1300～1350℃。在本发明中，所述浇注采用的模具优选为钢模。本发明优选先将模具预热，然后向预热后的模具中浇注合金熔体，冷却后脱模，得到合金铸锭。在本发明中，所述模具的预热温度优选为300℃。
38.得到合金铸锭后，本发明将所述合金铸锭进行固溶处理，得到固溶态合金。在本发明中，所述固溶处理的温度优选为850～900℃；保温时间优选为4h。本发明优选在所述固溶处理前，将所述合金铸锭进行表面切割。本发明通过表面切割去除缩孔和氧化皮。
39.得到固溶态合金后，本发明将所述固溶态合金进行时效处理，得到高性能铜镍锡钼合金。在本发明中，所述时效处理的温度优选为400℃；保温时间优选为4～8h。
40.本发明优选通过模拟计算和实验表征相结合的方法，进行cu-15ni-8sn合金的成分设计并制备高性能铜镍锡钼合金(cu-15ni-8sn-(0.3-1.5)mo)。在本发明的具体实施例中，采用专业的热力学和动力学计算软件pandat进行cu-15ni-8sn-(0.3-1.5)mo合金的模拟相图计算，根据计算结果预测合金的物相组成；利用中频感应炉进行cu-15ni-8sn-(0.3-1.5)mo合金的制备，并通过om、sem、eds及xrd等实验表征手段对cu-15ni-8sn-(0.3-1.5)mo合金的组织进行分析，确定合金的物相组成。
41.本发明还提供了上述技术方案所述高性能铜镍锡钼合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的高性能铜镍锡钼合金在制造汽车同步器齿环、轴承、轴瓦或轴套中的应用。
42.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.实施例1
44.采用pandat软件进行cu-15ni-8sn-xmo(质量百分数)合金的模拟相图计算，根据计算结果预测合金的物相组成，模拟结果如图1所示。分别将纯度为99.97wt％的电解铜、99.8wt％的镍和99.9wt％的锡装入中频感应炉的石墨坩埚中进行熔化，待熔体温度为1350℃时加入0.3wt％纯度为99.99wt％的钼，并在此温度保温10min；待原料完全熔化熔体温度保持在1250℃时进行浇注，浇注模具为预热到300℃的钢模，完全冷却后脱模，得到cu-15ni-8sn-0.3mo合金铸锭，详见图2的(a)和(b)；对所述合金铸锭进行表面切割，然后在900℃的条件下进行固溶处理，固溶处理时间为4h，得到固溶态的cu-15ni-8sn-0.3mo合金，详见图3的(a)和(b)及图4；对所述固溶态的cu-15ni-8sn-0.3mo合金进行时效处理，温度为400℃，时间为4h，得到高性能cu-15ni-8sn-0.3mo合金。采用维氏硬度计对制备的合金样品进行硬度测试，每个试样测不少于15个点并取平均值，测得硬度数据如图5和表1所示。
45.实施例2
46.采用pandat软件进行cu-15ni-8sn-xmo(质量百分数)合金的模拟相图计算，根据计算结果预测合金的物相组成，模拟结果如图1所示。分别将纯度为99.97wt％的电解铜、99.8wt％的镍和99.9wt％的锡装入中频感应炉的石墨坩埚中进行熔化，待熔体温度为1350℃时加入0.9wt％纯度为99.99wt％的钼，并在此温度保温10min；待原料完全熔化熔体温度
保持在1250℃时进行浇注，浇注模具为预热到300℃的钢模，完全冷却后脱模，得到cu-15ni-8sn-0.9mo合金铸锭，详见图2的(c)和(d)；对所述合金铸锭进行表面切割，然后在900℃的条件下进行固溶处理，固溶处理时间为4h，得到固溶态的cu-15ni-8sn-0.9mo合金，详见图3的(c)和(d)；对所述固溶态的cu-15ni-8sn-0.9mo合金进行时效处理，温度为400℃，时间为4h，得到高性能cu-15ni-8sn-0.9mo合金。采用维氏硬度计对制备的合金样品进行硬度测试，每个试样测不少于15个点并取平均值，测得硬度数据如图5和表1所示。
47.实施例3
48.采用pandat软件进行cu-15ni-8sn-xmo(质量百分数)合金的模拟相图计算，根据计算结果预测合金的物相组成，模拟结果如图1所示。分别将纯度为99.97wt％的电解铜、99.8wt％的镍和99.9wt％的锡装入中频感应炉的石墨坩埚中进行熔化，待熔体温度为1400℃时加入1.5wt％纯度为99.99wt％的钼，并在此温度保温10min；待原料完全熔化熔体温度保持在1250℃时进行浇注，浇注模具为预热到300℃的钢模，完全冷却后脱模，得到cu-15ni-8sn-1.5mo合金铸锭，详见图2的(e)和(f)；对所述合金铸锭进行表面切割，然后在900℃的条件下进行固溶处理，固溶处理时间为4h，得到固溶态的cu-15ni-8sn-1.5mo合金，详见图3的(e)和(f)；对所述固溶态的cu-15ni-8sn-1.5mo合金进行时效处理，温度为400℃，时间为4h，得到高性能cu-15ni-8sn-1.5mo合金。采用维氏硬度计对制备的合金样品进行硬度测试，每个试样测不少于15个点并取平均值，测得硬度数据如图5和表1所示。
49.实施例4
50.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“6h”。
51.实施例5
52.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“8h”。
53.对比例1
54.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，不进行时效处理。
55.对比例2
56.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“1h”。
57.对比例3
58.与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“2h”。
59.实施例6
60.与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“6h”。
61.实施例7
62.与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“8h”。
63.对比例4
64.与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，不进行时效处理。
65.对比例5
66.与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“1h”。
67.对比例6
68.与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“2h”。
69.实施例8
70.与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“6h”。
71.实施例9
72.与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“8h”。
73.对比例7
74.与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，不进行时效处理。
75.对比例8
76.与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“1h”。
77.对比例9
78.与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述时效处理的时间由“4h”调整为“2h”。
79.对比例10
80.cu-15ni-8sn合金(质量百分数)。
81.表征及性能测试结果：
82.cu-15ni-8sn-xmo合金的成分设计利用pandat软件进行，模拟相图如图1-1～图1-4所示。图1-1为对比例10中cu-15ni-8sn合金的伪二元相图，图1-2为实施例1中cu-15ni-8sn-0.3mo合金的伪二元相图，图1-3为实施例2中cu-15ni-8sn-0.9mo合金的伪二元相图，图1-4为实施例3中cu-15ni-8sn-1.5mo合金的伪二元相图。由图1-1～图1-4可以看出，当0.3wt％、0.9wt％和1.5wt％的mo添加到cu-15ni-8sn合金中时，对比纯cu-15ni-8sn合金，在添加mo元素后合金的相图变得非常复杂，且合金凝固过程中会有bcc相产生。
83.由图1还可以看出，固溶处理的温度高于950℃时，cu-15ni-8sn合金会出现重熔。从相图中可以看出，高于420℃的固相区中都存在cu-sn_γ相，也就是说时效处理时，如果温度高于420℃会产生大量的不连续沉淀相，导致合金的力学性能显著下降。
84.通过添加不同含量的mo元素，对合金铸态组织影响较大。
85.经过固溶处理之后，合金表面出现了细小且呈弥散分布的相，如图3所示。图4为固溶态的cu-15ni-8sn-0.3mo合金的sem图和eds图，图4的(a)、(c)指的是固溶态合金的sem图，(b)、(d)指的是(a)、(c)所对应区域的eds图。由图4可见组织中出现了大量的圆形颗粒相，通过eds分析可知为富镍相。
86.由于初生相和析出相的共同作用，合金的力学性能得到显著提升，经过时效处理之后，相比较于三元的cu-15ni-8sn合金，cu-15ni-8sn-xmo(x＝0.3,0.9,1.5)合金的硬度
获得了提高，如图5和表1所示。图5的(a)指的是cu-15ni-8sn-xmo(x＝0.3,0.9,1.5)合金随着时效时间变化的硬度图，(b)指的是cu-15ni-8sn-xmo(x＝0.3,0.9,1.5)合金随着mo含量变化的硬度图。
87.表1实施例1～9和对比例1～10的合金硬度结果
[0088][0089][0090]
由图5和表1可以看出，本发明通过模拟计算和实验表征相结合的手段，进行了cu-15ni-8sn-xmo合金的成分设计，并通过组织调控在合金中引入了初生相和析出相，得到了力学性能优异的cu-15ni-8sn-xmo合金。
[0091]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。