一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法

摘要

本发明公开了一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法，属于材料制备技术领域；该方法为按Sn：8～15％，Fe：1～8％，P：0.8～1.2％，余量为Cu的比例配好原料，将原料置于中频感应加热炉内加热熔炼，然后采用快速冷却方法处理熔体，通过控制熔体冷却速率和过冷度，调控初生相内的纳米级富铁相与晶间微米级富铁相的比例，利用纳米级富铁相强化合金的强塑性和晶间微米级富铁相提高合金耐磨性，通过控制纳米级和微米级富铁相的比例，获得具有高强高塑高耐磨的铜锡合金。该合金成分简单，制备工艺流程短，成本低，铸件性能优良，适用于高铁、重卡、航空航天等领域，具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）按Sn：8 15%，Fe：1 8%，P：0.8 1.2%，余量为Cu的比例称取原料，将原料置于中频感~ ~ ~

应加热炉内加热熔炼得到熔体；

（2）然后采用快速冷却方法处理熔体，通过控制熔体冷却速率和过冷度，调控初生相内纳米级富铁相与晶间微米级富铁相的比例；

步骤（2）中熔体快速冷却的冷却速率200 2000℃/s，熔体过冷度20 150℃；

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所述纳米富铁相在显微组织中所占面积比为：0.6 5%；微米级富铁相在显微组织中所~

占面积比为：0.4 4%。

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2.根据权利要求1所述同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法，其特征在于：步骤（1）所述中频感应加热炉内加热熔炼的条件为：在1300 1400℃范围内保温2 20min，待温度~ ~

降到液相线以上20 100℃时进行精炼、除渣并静置0 5min。

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说明书

一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

[0002] 铸造锡青铜具有高强、低摩擦系数、耐磨耐蚀性好等优点，常用来制造滚动磨损工况下使用的衬套、轴套等零部件，但这些零部件需承受重载、高速并受强烈摩擦，导致零部
件工作时易断裂，如何提高其强塑性和耐磨性一直是研究和应用热点。然而，随着高铁、船
舶等领域技术的快速发展，传统锡青铜无法满足日益苛刻的工况要求，元素偏析引起零部
件易发生表面疲劳失效或断裂导致服役寿命不高。因此，为满足高铁、船舶等高速重载工况
下衬套、轴套等零部件需求，改善元素偏析并揭示强韧化机制，开发高强韧、耐磨的铸造锡
青铜具有很高的科学研究和工业应用价值。

[0003] 铜锡合金是典型的凝固偏析合金之一，在凝固过程中极易产生晶间偏析和逆偏析，其偏析现象广泛出现于含4.7～15％(wt％)锡的系列锡青铜连铸坯和铸锭中。随着锡含
量增加，晶间偏析和逆偏析的偏析程度也逐渐递增。在铜锡合金凝固过程中，由于锡原子的
扩散速度明显快于铜原子，且随着温度的降低，锡元素在初生α‑Cu相中的溶解度逐渐降低，
其从初生α‑Cu相中向液相扩散，造成液相中锡元素富集，室温时形成锡含量较髙的低熔点δ
相，δ相的理论含锡量为32.6％(wt％)，而室温时的初生α‑Cu相中锡含量平均值在1～3％
(wt％)之间，因此形成了严重的晶间偏析。由于铸件壁内外温度差较大，在凝固收缩时对心
部液相产生静压力，且在表面壳层内晶间细小孔隙产生的毛细管吸力的共同作用下，富锡
液相沿枝晶间通道向铸坯表层移动产生逆偏析。

[0004] 晶间偏析、缩孔缩松及粗大枝晶等原因导致铜锡合金抗拉强度、塑性及耐磨性差，砂型铸造、金属型铸造CuSn10P1合金的抗拉强度、塑性及延伸率分别只有220MPa和310MPa、
3％和2％、80HBW和90HBW。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种同时提高铜锡合金强度塑性和耐磨性的方法，该合金成分简单，制备工艺流程短，成本低，铸件性能优良，适用于高铁、重卡、航空航天等领域，具
有良好的应用前景，具体包括以下步骤：

[0006] (1)按Sn：8～15％，Fe：1～8％，P：0.8～1.2％，余量为Cu的比例称取原料(原料的选择满足上述质量百分比即可，例如纯铜、铜锡中间合金、铜铁中间合金或纯铁、铜磷中间
合金，且添加烧损含量)，将原料置于中频感应加热炉内加热熔炼，在1300～1400℃范围内
保温2～20min，待温度降到液相线以上20～100℃时进行精炼、除渣并静置0～5min。

[0007] (2)然后采用快速冷却方法(如冷却板处理、搅拌处理、超声处理、气体激冷等)处理熔体，通过控制熔体冷却速率和过冷度，调控初生相内纳米级富铁相与晶间微米级富铁
相的比例，利用纳米级富铁相强化合金的强塑性和晶间微米级富铁相提高合金耐磨性，通
过控制纳米级和微米级富铁相的比例，获得具有高强高塑高耐磨的铜锡合金。

[0008] 优选的，本发明步骤(2)中熔体快速冷却的冷却速率200～2000℃/s，熔体过冷度20～150℃。

[0009] 优选的，本发明所述的纳米富铁相富集在初生相内部，起到强化合金的强塑性作用，纳米富铁相在显微组织中所占面积比为：0.6～5％；微米级富铁相主要分布在晶间，起
到提高合金耐磨性的作用，微米级富铁相在显微组织中所占面积比为：0.4～4％。

[0010] 本发明采用快速冷却方法(如冷却板处理、离心铸造等)处理熔体，通过控制熔体冷却速率和过冷度，调控初生相内的纳米级富铁相与晶间微米级富铁相的比例，利用纳米
级富铁相强化合金的强塑性和晶间微米级富铁相提高合金耐磨性，通过控制纳米级和微米
级富铁相的比例，获得具有高强高塑高耐磨的铜锡合金。

[0011] 本发明的有益效果：

[0012] (1)本发明的方法可以有效细化合金显微组织，有利于提高合金的强度和塑性。

[0013] (2)本发明的方法可以获得富集在初生相内部的纳米富铁相和分布在显微组织晶间的微米级富铁相，分别起到强化合金的强塑性和提高耐磨性的作用。

[0014] (3)本发明的合金和方法成分简单，制备工艺流程短，成本低，铸件性能优良，适用于高铁、重卡、航空航天等领域，具有良好的应用前景。

附图说明

[0015] 图1是本发明提高铜锡合金强塑性和耐磨性的组织调控示意图。

[0016] 图2是本发明实施例所述快速冷却处理的熔体约束流动诱导形核装置示意图。

[0017] 图3是实施例1中CuSn10P1和CuSn10Fe2P1合金的处理后的显微组织。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

[0019] 实施例1

[0020] 本实施例所述材料成分为CuSn10Fe2P1(wt.％)，具体制备方法如下：

[0021] (1)称取纯铜、铜锡中间合金、铜铁中间合金、铜磷中间合金约5kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1350℃保温10min，然后空冷至1080℃(液相线1028℃)进行除气
除渣并静置3min，使合金熔体内部温度场均匀化。

[0022] (2)将熔体约束流动诱导形核装置的角度调整为60°，熔体约束通道长度400mm，上下循环冷却水流量为500L/h，收集坩埚预热至990℃，熔体处理中熔体冷却速率约400℃/s
和获得过冷度约20℃。

[0023] (3)将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件。作为比对试样，将CuSn10P1合金按照
相同步骤处理并浇入楔形金属模获得铸件。

[0024] 本实施例所述方法制备得到的纳米富铁相在显微组织中所占面积约为1.2％，微米级富铁相在显微组织中所占面积比约为0.8％的高强韧铜锡合金，如图3所示。纳米级富
铁相有助于改善锡元素的偏析和晶粒细化，从而有助于提高合金的强塑性；微米级富铁相
作为硬质相在晶间分布，提高合金的硬度和耐磨性。

[0025] 本实施例所述方法制备得到铸件，力学性能如表1所示，由表1可以看出，本实施例制备得到的CuSn10Fe2P1强度和塑性以及硬度都明显提高。

[0026] 表1

[0027]  抗拉强度/Mpa 延伸率/％ 硬度/HBW
CuSn10P1 396 9.53 106
CuSn10Fe2P1 458 12.68 132

[0028] 实施例2

[0029] 本实施例所述材料成分为CuSn8Fe1P0.8(wt.％)，具体制备方法如下：

[0030] (1)称取纯铜、铜锡中间合金、铜铁中间合金、铜磷中间合金约6kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1380℃保温20min，然后空冷至1100℃(液相线1028℃)进行除气
除渣并静置5min，使合金熔体内部温度场均匀化。

[0031] (2)将熔体约束流动诱导形核装置角度调整为45°，熔体约束通道长度300mm，上下循环冷却水流量为600L/h，收集坩埚预热至980℃，熔体处理中熔体冷却速率约2000℃/s和
过冷度约50℃。

[0032] (3)将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件。作为比对试样，将CuSn8P0.8合金按
照相同步骤处理并浇入楔形金属模获得铸件。获得纳米级富铁相与微米级富铁相协同调控
性能的高强韧铜锡合金。

[0033] 本实施例所述方法制备得到铸件，力学性能如表2所示，由表2可以看出，本实施例制备得到的CuSn8Fe1P0.8强度和塑性以及硬度都明显提高。

[0034] 表2

[0035] 抗拉强度/Mpa延伸率/％硬度/HBW

[0036] CuSn8P0.83686.8108

[0037] CuSn8Fe1P0.842910.5126

[0038] 实施例3

[0039] 本实施例所述材料成分为CuSn14Fe6P1.2(wt.％)，具体实施步骤如下：

[0040] (1)称取纯铜、铜锡中间合金、铜铁中间合金、铜磷中间合金约8kg，采用中频感应加热炉将合金快速加热至1300℃保温3min，然后空冷至1050℃(液相线1028℃)进行除气除
渣并静置1min，使合金熔体内部温度场均匀化；

[0041] (2)将熔体约束流动诱导形核装置的角度调整为50°，熔体约束通道长度350mm，上下循环冷却水流量为550L/h，收集坩埚预热至970℃，熔体处理中熔体冷却速率约800℃/s
和获得过冷度约100℃。

[0042] (3)将温度场均匀化的熔体浇入约束冷却通道进行处理，处理得到的半固态浆料被收集坩埚收纳，然后快速浇入楔形金属模获得铸件。作为比对试样，将CuSn14P1.2合金按
照相同步骤处理获得离心铸造件。

[0043] 本实施例所述方法制备得到铸件，力学性能如表3所示，由表3可以看出，本实施例制备得到的CuSn14Fe6P1.2强度和塑性以及硬度都明显提高。

[0044] 表3

[0045]   抗拉强度/Mpa 延伸率/％ 硬度/HBWCuSn14P1.2 394 8.5 117
CuSn14Fe6P1.2 482 13.8 153