含锰黄铜合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含锰黄铜合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。 技术背景
[0002] 涡轮增压器是汽车发动机的一个重要组件，可以提高发动机进气量，从而提高发 动机的功率和扭矩，让车子动力更足。一台发动机装上涡轮增压器后，其最大功率与未装增 压器的时候相比可以增加40%及以上。浮动轴承及止推片是涡轮增压器中的核心组件，正 常工作时，轴承转速在6万-12万转/分钟以上，对材料的耐磨性能和稳定性能有严苛的要 求，由于铜钢组成的摩擦副在该工况下能形成良好的油膜，因此涡轮增压器的浮动轴承和 止推片广泛选用铜合金材料，常见的有铅锡青铜、锰黄铜等。由于涡轮增压器的工作转速极 高，其润滑介质温度一般在200°C以上，而零件的温度极限达到350°C，因此要求材料具有 非常好的热稳定性能以保证在长时间高温工况下的运转。而目前常用的铅锡青铜在高温下 性能不稳定，其强度会出现明显的下降，会造成材料的磨损加剧等问题，缩短涡轮增压器的 使用寿命。
[0003] 除此之外欧盟ELV指令对汽车用铜合金无铅化指令豁免条款即将到期，用于汽车 零部件的铜合金包括涡轮增压器浮动轴承及止推片用铜合金的无铅化需求越来越迫切。目 前用的铅锡青铜如C93200,该合金具有较好的耐磨性能及自润滑性能，但其含有近7%的 铅含量，并且抗拉强度仅有250MPa，无法完全满足涡轮增压器的工况及环保要求。而常用的 低铅合金锰黄铜如CW713R，由于其也含有近0. 8 %的铅，不能满足ELV指令的铅含量控制要 求。
[0004] 但而随着我国汽车工业的急速发展与人均汽车占有量的快速提升以及政府对环 境保护越来越重视，汽车涡轮增压将是一个非常明显的发展趋势。作为涡轮增压器中核心 组件浮动轴承和止推片原材料对高温稳定性和无铅化的需求是亟需解决的问题，目前国内 尚未有相关的技术提出以上问题的解决方案。因此开发一款在高温条件下具有较好耐磨性 能的无铅铜合金材料迫在眉睫。
【发明内容】
[0005] 本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种具有优异的力学 性能的同时具有良好的切削性能和较好的热稳定性的含锰黄铜合金。
[0006] 本发明的上述目的通过如下技术方案实现，一种含锰黄铜合金，该合金的成分包 括铜、锰、铝、硅、锌，所述的含锰黄铜合金经成品前热处理后的微观组织包括（按体积百分 比计）1-15%的a相，1-6%的MnSi化合物相，大于80%的0相。
[0007] 经成品前热处理后，a相、MnSi相均匀的分布在0相组织之中，使材料组织分布 均匀，在后续高温稳定性能测试时，在200°C的条件下仍能保持长时间的热稳定性能。另外 析出的a相在合金中起到提升材料的塑性及韧性的作用，满足浮动轴承及止推片材料在 涡轮增压器中的应用，避免由于塑性及韧性较差，在涡轮增压器运转过程中出现异常状况， 同时由于a相较软，在高速摩擦过程中起冲击缓冲作用，防止MnSi相脱落在高速摩擦中划 伤零件的表面，降低零件的使用寿命。由于0相比a相更硬更脆，因此在零件机加工的过 程中就容易形成断肩，从而解决了材料在机加工过程中容易出现的缠刀的问题，使得材料 在无铅的条件下仍能快速的加工。再配合成品前热处理使相组织的分布更加均匀，也进一 步提升了材料的机加工性能，同时保护了机加工过程中由于组织不均而导致刀具受损的问 题，节约了成本。因此，与现有技术相比，本发明含锰黄铜合金具有更佳的高温稳定性能、耐 磨损性能和较低的摩擦系数，组织分布均匀，切削性能好，满足了制造业原材料无铅化的需 求。
[0008] 在上述的含锰黄铜合金中，所述含锰黄铜合金的成分按重量百分比计包括：铜 56-60%、锰0? 5-3. 0%、铝0? 5-3. 0%、硅0? 05-2%、铅〈0? 1%，余量为锌及不可避免的杂 质。
[0009] 作为优选，所述含锰黄铜合金的成分按重量百分比计包括：铜56. 3-59. 4%、锰 0. 8-2. 68%、铝0. 8-3. 0%、硅0. 1-2%、铅〈0. 1%，余量为锌及不可避免的杂质。
[0010] 在无铅黄铜合金中，锰元素大量固溶于铜锌基体，起到固溶强化的作用，并与硅、 铝元素相互作用形成化合物，在一定的组分范围内提高了耐磨性能，并且提高了合金的热 稳定性、抗烧着磨损性及合金材料的强度。在本发明含锰黄铜合金中但若Mn的含量小于 0. 5 %，则无法形成足量的锰硅化合物，无法有效提高材料的抗磨性能，同样，若Mn的含量 超过了 3. 0%，则材料的脆性会大大提升。
[0011] Si元素的添加不仅可以提高铸造的流动性，与锰或镍元素形成了金属间化合物， 提高了材料的耐磨损性能，还能减少a相的生成，保证了材料的切削加工性能。但是过量 的Si会增大合金的脆性，造成合金的应力开裂现象。因此，本申请黄铜合金中Si的含量应 控制在 0. 05-2. 0%。
[0012]同时在本发明无铅黄铜合金中0.5-3.0% Mn和0.05-2.0% Si可以形成高硬度化 合物，摩擦过程中可起到支撑的作用，减少摩擦副之间的接触面，降低摩擦系数，同时由于 MnSi化合物具有的高硬度的特点能显著提高合金的耐磨性能，从而提升零部件的使用寿 命。再配合热处理作用，将这些杂乱分布在合金相组织间的硬质点进行均匀分布，可进一步 提升合金的使用寿命，避免由于局部硬质点的缺陷而造成材料出现局部的破损而造成不必 要的损失。
[0013] A1元素可与Cu固溶使晶粒细化，与Mn形成了Mn-Al化合物，并且与Fe形成了细 小的Fe3Al颗粒，提高了材料的强度与塑性，并且A1在合金表面形成坚固的氧化膜，提高 了材料对气体、液体的耐腐蚀性能，进一步提高了材料的强度及硬度。而过量的A1会使合 金的塑性急剧降低，恶化了合金的冷加工性能，因此，本发明黄铜合金中A1的含量控制在 0? 5-3. 0%〇
[0014]作为优选，所述的含锰黄铜合金还包括选自铁、锡、镍、磷、镧中的一种或多种成 分，所述成分的总含量按重量百分比计小于2%。
[0015]在本发明黄铜合金中Ni的主要作用为使组织细化，提高冲击韧性，特别是配合 0. 05-2%的Si加入，可形成NiSi耐磨质点，提高材料的耐磨损性能，同时镍能在一定范围 内扩大a相区，增加a相比例，对耐磨质点起到保护作用，防止耐磨质点在摩擦过程中大 量脱落的现象，但过高的镍含量会造成a相过多，导致材料的机械性能下降，因此在本发 明黄铜合金中加入镍，其含量小于2%。Fe的作用为细化晶粒，提高材料的力学性能，并形 成铁质点，在Fe质点周围形成少量的疏松，形成"空穴效应"，可以适当的提高材料的切削 性能。加入Sn的作用是抗"脱锌"，生成的Sn02保护膜具有抗腐蚀的能力。P和La的作用 在于脱氧及细化晶粒，使热处理后的组织分布更加均匀。但是过量的Ni、Fe、Sn、P、La会对 合金的热加工性能造成影响。
[0016] 进一步优选，所述的含锰黄铜合金还包括选自钴、硼、铋、锑、碲、硒中的一种或多 种成分，所述成分的总含量按重量百分比总计小于2%。
[0017] 在本发明黄铜合金中加入Co可与Si形成Co2Si化合物，具有沉淀强化的作用， 可进一步提高材料的强度、硬度以及耐磨性能，并且能强化固化析出的化合物，但过量的Co 会造成成本的增加并且对合金的加工性能影响。加入B可使合金晶粒细化，同时还能与热 处理后相组织的含量及分布协同起到进一步提升合金高温性能的作用，过量的B会对合金 的冷加工造成影响。加入Bi、Sb、Te、Se均改善材料的切削性能，但是过量的元素会影响材 料的冷加工及热加工。
[0018] 作为优选，所述含锰黄铜合金经热处理后的微观组织还包括AlFe化合物相、NiSi 化合物相中的一种或两种。
[0019] 作为优选，所述含锰黄铜合金的晶粒度为10ym-50ym。进一步优选，所述含锰黄 铜合金的晶粒度为15ym-40ym。合金等组织的晶粒度大小分布均勾，更进一步保证合金等 的热稳定性能，避免由于部分组织偏大，导致零件在运转过程中出现破损。
[0020] 作为优选，所述含锰黄铜合金的抗拉强度大于