CN104532055A - 一种高镍含量的变形铝白铜合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高镍含量的变形铝白铜合金材料及其制备方法,合金材料中含有以下含量的各元素,Ni:17.0~19.0%,Al:1.5~2.5%,Fe:0.8~1.2%,Cr:0.4~0.6%,Si:0.4~0.6%,余量为Cu。其方法是:先根据各元素的配比进行配料,然后采用中频电炉对各原料进行熔炼,熔炼过程中,微量元素Cr和Si分别以铬铁和硅铁的中间合金方式加入,最后通过热挤压制得挤压棒材。本发明制得的高镍含量的变形铝白铜合金材料具有较高的强度和优异的塑性,适合制造需要承受重载的铜合金结构件;同时也具有较好的耐磨性能,适合制造对耐磨性要求较高的铜合金结构件。
Description
技术领域
本发明涉及合金新材料技术领域,特别涉及一种高镍含量的变形铝白铜合金材料及其制备方法。
背景技术
白铜是以镍为主要添加元素的铜合金,其突出特点是耐腐蚀性能优异,此外其还具有优良的力学性能、导电性能、耐热性能等,广泛应用于造船、石油、化工、电气仪表、医疗器械等领域中。白铜合金中研究和应用比较多的有B10和B30等简单成分的铜合金,此外针对不同的应用背景还研发有Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Sn和Cu-Ni-Al等复杂白铜合金。
铝白铜合金是一种典型的沉淀强化型合金,经一定工艺处理,Ni3Al相和NiAl相沉淀弥散析出,使合金得到强化。向Cu-Ni-Al合金中添加Fe、Cr、Si等微量合金元素可以形成富Cr相、富铁相、Ni3Si、Ni2Si等强化相,使得合金得到进一步强化。提高Cu-Ni-Al合金中的Ni元素含量,同时添加更多的微量合金元素,能提高合金的固强化溶效果,同时析出更多的沉淀相,是改善铝白铜合金性能的重要途径。热塑性变形也是改善铝白铜性能的一种重要方式,热挤压因其具可实现低塑性材料塑性变形、挤压制品表面质量好、尺寸精度高等优点,成为了铝白铜热塑性变形中非常重要的一种加工方式。
目前国内常见的两种铝白铜是BAl6-1.5和BAl13-3。BAl6-1.5合金的成分为(质量百分比,下同):Ni:5.5~6.5%、Fe:0.5%、Mn:0.2%,合金抗拉强度、硬度典型值分别为650~750MPa、210HB。BAl13-3合金的成分为:Ni:12~15%、Fe:1%、Mn:0.5%,合金抗拉强度、硬度典型值分别为900~950MPa、260HB(刘平,铜合金及其应用,北京,化学工业出版社,2007)。这两种合金的由于镍元素含量低,微量元素较少,合金强化效果有限,导致合金强度和 硬度不高;针对高镍含量的铝白铜,国内开发了一种高强耐磨的铸造Cu-Ni-Al合金(Zhang Weiwen,Xia Wei,Wen Liping,et al.Mechanical properties and tribological behavior of a cast heat-resisting copper based alloy.Journal of Central South University of Technology,2002;9(4);235-240),其Ni元素含量为15~18%,同时还含有多种微量元素,虽然其具有比C95500铝青铜更优异的耐磨性,但这种合金塑性较差,限制了合金的应用;国外MATINEL合金中镍含量达19%,主加元素为Al,微量元素含有Mn、Fe、Nb、Cr、Si等合金元素,合金经过热锻和时效处理后,其抗拉强度为930MPa(Grylls R.J.,Tuck C.D.C.,Loretto M.H.Strengthening of a cupronickel alloy by an ordered L12 phase.Intermetallics,1996,4:567-570)。HIDURON191合金镍含量为16%,此外还含有Al、Fe、Mn、Cr等合金元素,合金经过塑性变形+热处理后其抗拉强度和屈服强度的典型值分别为750MPa和500MPa(High strength cupronickel for marine service.Anti-Corrosion Methods and Materials,1989,36(8):4-12)。这两种合金不足之处在于两种合金的成分复杂,强度有限,主要用于耐蚀场合制造高强度结构件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,该合金材料兼顾高强度、高塑性和优良耐磨性能,特别适合于制造对腐蚀性能要求较高的高强耐磨铜合金零件。
本发明的另一目的在于提供一种上述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法。
本发明的技术方案为:一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,合金材料中含有以下各元素,各元素及其质量百分比具体如下:
Ni:17.0~19.0%,
Al:1.5~2.5%,
Fe:0.8~1.2%,
Cr:0.4~0.6%,
Si:0.4~0.6%,
余量为Cu。
所述合金材料的原料包括电解铜、电解镍、纯铝、铁钉、铬铁和硅铁;
其中,电解铜含有Cu元素,电解镍含有Ni元素,纯铝含有Al元素,铁钉含有Fe元素,铬铁含有Fe元素和Cr元素,硅铁含有Fe元素和Si元素。
本发明一种用于高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)配料:根据合金材料中各元素的配比,选择并称取相应的原料;
(2)熔炼:采用中频电炉对各原料进行熔炼;熔炼过程中,微量元素Cr和Si分别以铬铁和硅铁的中间合金方式加入;熔炼完成后,得到铸锭;
(3)热挤压:得到的铸锭先加工成挤压锭,然后进行热挤压成型;在进行热挤压前,挤压锭预先在1000~1050℃的温度下进行保温,挤压筒预先在450~500℃的温度下进行保温;热挤压后,形成挤压棒材。
所述步骤(2)中,熔炼过程具体为:先加入电解铜、电解镍和铁钉,并用木炭覆盖;待全部熔解后,再加入铬铁和硅铁;熔化后加入铝;
铝熔化后采用氩气除气,精炼除渣后在1250~1280℃的温度下浇注,最后得到铸锭。
所述步骤(2)中,得到铸锭后,对铸锭进行成分分析,成分分析采用X射线荧光分析的方法;若成分分析合格,进入步骤(3),若成分分析不合格,返回步骤(1)。
所述成分分析是否合格的判断依据是各元素的含量是否在其相应的质量百分比范围内,即Ni:17.0~19.0%,Al:1.5~2.5%,Fe:0.8~1.2%,Cr:0.4~0.6%,Si:0.4~0.6%范围内。
所述步骤(3)中,挤压锭为圆柱形结构,其直径为50mm,高50mm;热挤压前,挤压锭的保温时间为1小时。
所述步骤(3)中,进行热挤压时,挤压筒在450~500℃的温度下保温2小时,挤压嘴在350~450℃的温度下保温1小时,挤压比为17。
本发明相对于现有技术,具有以下有益效果:
1、本高镍含量的变形铝白铜合金材料同时具有较高的强度和优异的塑性, 适合制造需要承受重载的铜合金结构件。与现有的铜合金材料BAl13-3相比较,本高镍含量的变形铝白铜合金材料的抗拉强度和延伸率比BAl13-3合金分别提高了12%左右和196.2%左右。
2、本高镍含量的变形铝白铜合金材料也具有较好的耐磨性能,适合制造对耐磨性要求较高的铜合金结构件。与现有的铜合金材料BAl13-3相比较,本高镍含量的变形铝白铜合金材料的耐磨性比BAl13-3合金提高了10%左右。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,通过以下方法制得:
第一步、配料:配比成分为Cu-17Ni-2.5Al-1.2Fe-0.4Cr-0.4Si的合金(质量百分比),所采用的原料具体如表1所示,
表1
成份 | 规格 | 质量百分比用量 |
电解铜 | Cu99.8 | 77.52% |
电解镍 | Ni99.99 | 17% |
纯铝 | Al99.8 | 2.5% |
铁钉 | 0.76% | |
铬铁 | Fe-59Cr | 0.69% |
硅铁 | Fe-75Si | 0.53% |
第二步、熔炼:在中频感应电炉熔炼。先加入电解铜、电解镍、铁钉,并用木炭覆盖,待全部熔解后加入铬铁、硅铁,熔化后加入铝,采用氩气除气,精炼除渣后在1250~1280℃范围浇注,得到合金铸锭,进行成分分析。
第三步、热挤压:成分分析合格后,将得到的铸锭加工成Φ50mm×50mm的挤压锭,挤压锭在1050℃的温度下保温1小时,挤压筒在450℃的温度下保温2小时,挤压嘴在350℃的温度下保温1小时,设定挤压比为17,进行热挤压成形,形成挤压棒材。
将得到的挤压棒材加工成测试试样后,进行机械性能(包括抗拉强度、延伸率、硬度和磨损体积)测试和耐磨性能测试,耐磨性能测试的条件为:在SRV磨损试验机上采用往复式磨损方式,干摩擦条件下,加载载荷为150N,磨损时间为30min。测试结果如表4所示。
实施例2
本实施例一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,通过以下方法制得:
第一步、配料:配比成分为Cu-18Ni-2Al-1Fe-0.5Cr-0.5Si的合金(质量百分比),所采用的原料具体如表2所示,
表2
成份 | 规格 | 质量百分比用量 |
电解铜 | Cu99.8 | 77.51% |
电解镍 | Ni99.99 | 18% |
纯铝 | Al99.8 | 2% |
铁钉 | 0.97% | |
铬铁 | Fe-59Cr | 0.85% |
硅铁 | Fe-75Si | 0.67% |
第二步、熔炼:在中频感应电炉熔炼。先加入电解铜、电解镍、铁钉,并用木炭覆盖,待全部熔解后加入铬铁、硅铁,熔化后加入铝,采用氩气除气,精炼除渣后在1250~1280℃范围浇注,得到合金铸锭,进行成分分析。
第三步、热挤压:成分分析合格后,将得到的铸锭加工成Φ50mm×50mm的挤压锭,挤压锭在1025℃的温度下保温1小时,挤压筒在475℃的温度下保 温2小时,挤压嘴在400℃的温度下保温1小时,设定挤压比为17,进行热挤压成形,形成挤压棒材。
将得到的挤压棒材加工成测试试样后,进行机械性能(包括抗拉强度、延伸率、硬度和磨损体积)测试和耐磨性能测试,耐磨性能测试的条件为:在SRV磨损试验机上采用往复式磨损方式,干摩擦条件下,加载载荷为150N,磨损时间为30min。测试结果如表4所示。
实施例3
本实施例一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,通过以下方法制得:
第一步、配料:配比成分为Cu-19Ni-1.5Al-0.8Fe-0.6Cr-0.6Si的合金(质量百分比),所采用的原料具体如表3所示,
表3
成份 | 规格 | 质量百分比用量 |
电解铜 | Cu99.8 | 76.94% |
电解镍 | Ni99.99 | 19% |
纯铝 | Al99.8 | 1.5% |
铁钉 | 0.76% | |
铬铁 | Fe-59Cr | 1% |
硅铁 | Fe-75Si | 0.8% |
第二步、熔炼:在中频感应电炉熔炼。先加入电解铜、电解镍、铁钉,并用木炭覆盖,待全部熔解后加入铬铁、硅铁,熔化后加入铝,采用氩气除气,精炼除渣后在1250~1280℃范围浇注,得到合金铸锭,进行成分分析。
第三步、热挤压:成分分析合格后,将得到的铸锭加工成Φ50mm×50mm的挤压锭,挤压锭在1000℃的温度下保温1小时,挤压筒在500℃的温度下保温2小时,挤压嘴在450℃的温度下保温1小时,设定挤压比为17,进行热挤压成形,形成挤压棒材。
将得到的挤压棒材加工成测试试样后,进行机械性能(包括抗拉强度、延伸率、硬度和磨损体积)测试和耐磨性能测试,耐磨性能测试的条件为:在SRV磨损试验机上采用往复式磨损方式,干摩擦条件下,加载载荷为150N,磨损时间为30min。测试结果如表4所示。
对比例
本对比例中,采用与实施例2相同的制备方法制备现有的BAl13-3合金,并对BAl13-3合金进行机械性能和耐磨性能测试。测试结果如表4所示。
表4
如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非用来限定本发明的实施范围;即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰,都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (8)
1.一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,其特征在于,合金材料中含有以下各元素,各元素及其质量百分比具体如下:
Ni:17.0~19.0%,
Al:1.5~2.5%,
Fe:0.8~1.2%,
Cr:0.4~0.6%,
Si:0.4~0.6%,
余量为Cu。
2.根据权利要求1所述一种高镍含量的变形铝白铜合金材料,其特征在于,所述合金材料的原料包括电解铜、电解镍、纯铝、铁钉、铬铁和硅铁;
其中,电解铜含有Cu元素,电解镍含有Ni元素,纯铝含有Al元素,铁钉含有Fe元素,铬铁含有Fe元素和Cr元素,硅铁含有Fe元素和Si元素。
3.用于权利要求2所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)配料:根据合金材料中各元素的配比,选择并称取相应的原料;
(2)熔炼:采用中频电炉对各原料进行熔炼;熔炼过程中,微量元素Cr和Si分别以铬铁和硅铁的中间合金方式加入;熔炼完成后,得到铸锭;
(3)热挤压:得到的铸锭先加工成挤压锭,然后进行热挤压成型;在进行热挤压前,挤压锭预先在1000~1050℃的温度下进行保温,挤压筒预先在450~500℃的温度下进行保温;热挤压后,形成挤压棒材。
4.根据权利要求3所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,熔炼过程具体为:先加入电解铜、电解镍和铁钉,并用木炭覆盖;待全部熔解后,再加入铬铁和硅铁;熔化后加入铝;
铝熔化后采用氩气除气,精炼除渣后在1250~1280℃的温度下浇注,最后得到铸锭。
5.根据权利要求3所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中,得到铸锭后,对铸锭进行成分分析,成分分析采用X射线荧光分析的方法;若成分分析合格,进入步骤(3),若成分分析不合格,返回步骤(1)。
6.根据权利要求5所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述成分分析是否合格的判断依据是各元素的含量是否在其相应的质量百分比范围内。
7.根据权利要求3所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,挤压锭为圆柱形结构,其直径为50mm,高50mm;热挤压前,挤压锭的保温时间为1小时。
8.根据权利要求3所述高镍含量的变形铝白铜合金材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中,进行热挤压时,挤压筒在450~500℃的温度下保温2小时,挤压嘴在350~450℃的温度下保温1小时,挤压比为17。
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