專利名稱：：一種耐高壓鑄造銅合金的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于有色金屬材料領域，特別涉及一種耐高壓鑄造銅合金。技術背景錫青銅主要作為鑄造合金，具有高的強度和延伸率，并具有較好的耐磨性和抗腐蝕性能，廣泛應用于軸承、泵體及葉輪、螺旋漿、閥門、密封圈、齒輪、汽車同步器齒環(huán)等部件。錫青銅主要合金元素是錫，其原子半徑大于銅的原子半徑約10%，在銅中的固溶度非常小，常溫下只有約1.3%，但在798'C時可以達到最大固溶度25.5%。在一般的鑄造條件下，錫含量小于7%時錫青銅為單相的a組織，隨著錫含量的提高，其強度提高，塑性較好，可以進行冷加工，但當含量超過7%時，由于硬脆性相S(Cu31Sn8)的析出，室溫度組織為a+共析體(a+S)，強度和硬度更高，但塑性下降，因而只能進行鑄造成形而難以進行冷加工。由于a相和S相的電極電位相近，且錫氧化后能生成致密的Sn02氧化薄膜，所以錫青銅在大氣、淡水、海水及高壓過熱蒸汽中的耐蝕性能比純銅和黃銅更好，但耐酸類腐蝕的能力較差。鉛在銅中的固溶度非常小，如果鉛在銅中的含量超過了0.5%(重量百分比)，則鉛就主要以顆粒狀獨立分布于晶界之間，而不是沿晶界連續(xù)分布，鉛的加入是作為一種內(nèi)在的潤滑劑存在，因此提高了材料的加工性能，降低了材料摩擦系數(shù)，提高了材料的在滑動摩擦條件下的斷裂敏感性能。同時由于低熔點鉛的加入，使鉛在凝固過程中能夠以液態(tài)形式富集于固液界面前沿，從而達到填充最后凝固時形成的縮孔位置，使得鑄件組織更加致密；由于凝固收縮率更小，流動性能好，適合于制造厚薄不均形狀復雜的鑄件。但是，由于鉛的存在，降低了材料的機械性能，特別是降低了材料的延伸率和疲勞強度。鋅的加入可提高錫青銅的鑄造穩(wěn)定性，鋅在銅中的最大固溶度可以達到38%(902'C時)，而在常溫時也可以達到35%。錫青銅合金一般具有較大的固液兩相區(qū)，形成縮孔和縮松的傾向比較大，造成鑄造件耐壓強度不高。提高耐壓強度的措施主要有兩個方面一提高材料的抗拉強度，二是提高材料的鑄造組織致密度，也就是如何最大程度地消除或減小鑄造組織的顯微縮松和縮孔缺陷。目前我國現(xiàn)行標準中所使用的ZCuSn3Zn8Pb6Nil錫青銅(即3-8-6-1錫青銅)，雖然具有收縮率較小，流動性能較好的特點，適合于制造厚薄不均形狀復雜的鑄件，但ZCuSn3Zn8Pb6Nil錫青銅因鑄造組織晶粒粗大(砂型鑄造條件下最大可達到34mm)，同時由于低熔點的鉛存在于晶界，從而造成強度較低(抗拉強度一般在180230MPa，屈服強度125140MPa)，鑄件在高壓條件下使用易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，只適合于制造耐壓不高于5MPa的鑄件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是在原來國標規(guī)定成份范圍的基礎上添加有益元素，并通過特殊的熱處理工藝顯著提高耐高壓鑄造銅合金的抗拉強度方面，從而滿足該種合金在高壓條件下使用的要求。一種耐高壓鑄造銅合金，其特征是在國標GB1176-87鑄造銅合金技術條件所提出ZCuSn3Zn8Pb6Nil化學成份的基礎上添加鐵和鈷，化學成份質(zhì)量百分比為錫2.0-4.0，鋅6.0-9.0，鉛4.0-7.0,鎳0.5-2.5，鐵0.1-7.0，鈷0.5-7.0，余量為銅。熔煉及澆鑄工藝普通感應爐熔煉升溫之前將電解銅(可以有一定比例的回爐料)先加入爐內(nèi)，鉛和錫隨同加入，加覆蓋劑(如鍛燒木炭、炭黑及石墨粉等)后升溫，升溫到120(TC后加入鐵、鈷、鎳，待升溫到125(TC并保溫半個小時后加入鋅，125(TC保溫10~15分鐘后扒渣澆鑄，澆鑄溫度為120(TC。真空感應爐熔煉升溫之前將電解銅(可以有一定比例的回爐料)先加入爐內(nèi)，鉛和錫隨同加入，熔煉不用覆蓋劑，升溫到120(TC后加入鐵、鈷、鎳，待升溫到1250。C并保溫半個小時后充保護性氣體，如氬氣，真空度達到約0.06MPa，125(TC保溫1015分鐘后澆鑄，澆鑄溫度為120(TC。熱處理工藝對冷卻到室溫的鑄件升溫到800100(TC保溫3~5小時后進行水冷固溶處理。本發(fā)明優(yōu)點①細化晶粒組織與沒有加入鐵和鈷的ZCuSn3Zn8Pb6Nil錫青銅的鑄態(tài)組織相比，本發(fā)明銅合金晶粒析出明顯細化(見圖1)，平均晶粒直徑約2060um。晶粒細化有利于提高材料的強度，同時對于提高材料的塑性也有較好的作用。由圖l可以看出，鉛以單質(zhì)的形式在晶界析出(見圖1中的黑色塊狀物)，并沿晶界呈不連續(xù)分布。②抗拉強度顯著提高，延伸率基本保持不變一方面是因為晶粒得到了較大程度的細化，另一方面則是因為鐵和鈷在晶內(nèi)的彌散析出強化作用(見圖2中黑色點狀物)，從而使得耐高壓鑄造銅合金與ZCuSn3Zn8Pb6Nil錫青銅相比強度得到顯著的提高，抗拉強度達到400460MPa,屈服強度達到200250MPa，而延伸率基本保持不變?yōu)?5~25%。鐵和鈷在銅中的固溶度都較小，鐵在銅中的最大固溶度是在包晶轉(zhuǎn)變溫度1096'C下，約為3.5%(重量百分比)，隨著溫度的下降，固溶度也逐漸減小，達到室溫時則接近于零。隨著溫度的下降，析出的鐵相以球狀或片狀一部分富集在晶界上，形成不同于基體銅的面心立方結構的體心立方結構，另一部分則呈彌散分布于銅基體中。該結構的析出增加了晶核長大的阻力，從而起到細化晶粒的作用，因此適量鐵的加入有利于晶粒細化。同時，加入的鐵能夠和鈷、鎳生成金屬化合物而析出，也有利于耐沖刷腐蝕性能的提高。固溶處理時，隨著固溶溫度的提高，鐵和鈷在銅中的固溶度提高，原來在晶界析出了的鐵和鈷一部分又能溶入到銅基體中，在850-95(TC溫度下保溫13小時后，經(jīng)過水淬固溶處理，一部分鐵和鈷在銅基體中來不及析出而以過飽和固溶狀態(tài)存在于銅基體中，另一部分為鐵、鈷及鎳的金屬間化合物仍呈細小球狀彌散分布于銅基體中，球狀顆粒直徑小于0.5um(見圖2黑色點狀析出物)。對圖2中的黑色點狀析出物進行EDS能譜分析見圖3，分析結果見l?？梢钥闯?，該析出物主要成份為鐵、鈷，并有少量的鎳存在，證明是鐵、鈷及鎳的金屬間化合物。表1耐高壓鑄造銅合金析出相EDS分析結果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>圖1耐高壓鑄造銅合金金相照片圖2耐高壓鑄造銅合金背散射電子照片圖3耐高壓鑄造銅合金析出相EDS能譜分析具體實施方式實施方式一按照前述熔煉及澆鑄工藝中所提的技術要求依表2所示成份進行配料、熔煉和澆鑄，制得泵用葉輪鑄件。表2實施方式一耐高壓鑄造銅合金化學成份(質(zhì)量百分比)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在鑄件上分別取拉伸試驗棒樣和金相及掃描電鏡試樣，拉伸試驗在CMT4105萬能力學實驗機上進行，拉伸速度為2mm/min,每個試樣不少于兩根，拉伸試樣根據(jù)國家標準GB6397-86進行制樣，所測得的力學性能見表，金相及掃描電鏡試樣經(jīng)打磨、拋光后，先在LE01450掃描電子顯微鏡上進行分析，背散射電子照片見圖2，然后試樣經(jīng)4。/。FeC13乙醇溶液浸蝕后在光學顯微鏡下觀察金相組織，得到金相照片見圖1。表3實施方式一耐高壓鑄造銅合金力學性能抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%42022025.36實施方式二按照前述熔煉及澆鑄工藝中所提的技術要求依表4所示成份進行配料、熔煉和澆鑄，制得泵蓋鑄件。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>在鑄件上分別取拉伸試驗棒樣和金相及掃描電鏡試樣，拉伸試驗在CMT4105萬能力學實驗機上進行，拉伸速度為2mm/min，每個試樣不少于兩根，拉伸試樣根據(jù)國家標準GB6397-86進行制樣，所測得的力學性能見5，金相及掃描電鏡試樣經(jīng)打磨、拋光后，先在LE01450掃描電子顯微鏡上進行分析，背散射電子照片見圖2，然后試樣經(jīng)4%FeC13乙醇溶液浸蝕后在光學顯微鏡下觀察金相組織，得到金相照片見圖1。表5實施方式二耐高壓鑄造銅合金力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權利要求1.一種耐高壓鑄造銅合金，其特征是在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化學成份的基礎上添加鐵和鈷，化學成份質(zhì)量百分比為錫2.0-4.0，鋅6.0-9.0，鉛4.0-7.0，鎳0.5-2.5，鐵0.1-7.0，鈷0.5-7.0，余量為銅。2.如權利要求1所述一種耐高壓鑄造銅合金，其特征是工藝步驟為(1)熔煉及澆鑄工藝普通感應爐熔煉-升溫之前將電解銅或回爐料先加入爐內(nèi)，鉛和錫隨同加入，加覆蓋劑后升溫，升溫到120CTC后加入鐵、鈷、鎳，待升溫到125(TC并保溫半個小時后加入鋅，1250'C保溫10~15分鐘后扒渣澆鑄，澆鑄溫度為1200°C;真空感應爐熔煉-升溫之前將電解銅或回爐料先加入爐內(nèi)，鉛和錫隨同加入，熔煉不用覆蓋劑，升溫到1200'C后加入鐵、鈷、鎳，待升溫到125(TC并保溫半個小時后充保護性氣體，真空度達到0.06MPa，1250。C保溫10~15分鐘后澆鑄，澆鑄溫度為1200。C;(2)熱處理工藝對冷卻到室溫的鑄件升溫到8001000'C保溫3~5小時后進行水冷固溶處理。全文摘要一種耐高壓鑄造銅合金，屬于有色金屬材料領域。其特征是在ZCuSn3Zn8Pb6Ni1化學成分的基礎上添加鐵和鈷，化學成分質(zhì)量百分比為錫2.0-4.0，鋅6.0-9.0，鉛4.0-7.0，鎳0.5-2.5，鐵0.1-7.0，鈷0.5-7.0，余量為銅。熔煉及澆鑄工藝為升溫之前將電解銅或回爐料先加入爐內(nèi)，鉛和錫隨同加入，加覆蓋劑后(真空感應爐熔煉不加覆蓋劑充保護性氣體，真空度達到0.06MPa)升溫，升溫到1200℃后加入鐵、鈷、鎳，待升溫到1250℃并保溫半個小時后加入鋅，1250℃保溫10～15分鐘后扒渣澆鑄，澆鑄溫度為1200℃。對冷卻到室溫的鑄件升溫到800～1000℃保溫3～5小時后進行水冷固溶處理。得到的鑄造銅合金細化了晶粒組織，在延伸率基本保持不變的前提下抗拉強度顯著提高。文檔編號C22C9/00GK101148714SQ20071017646公開日2008年3月26日申請日期2007年10月29日優(yōu)先權日2007年10月29日發(fā)明者宋卓斐,鴻張,王強松,王自東,王艷林,明范,謝建新申請人:北京科技大學