一種青銅合金棒材的半固態(tài)擠壓制備方法
【專利摘要】本發(fā)明通過調(diào)整各合金元素的配比，在較大錫含量的同時(shí)，加入較大含量的鉍以取代鉛，并適量添加了Zn、Fe、Ni等微量的合金元素，通過控制熔煉工藝、熔體攪拌速度以及通過流量、擠出溫度、擠出速度和擠壓比等參數(shù)，再輔以相配的熱處理工藝，獲得了性能優(yōu)異的青銅合金棒材。
【專利說明】一種青銅合金棒材的半固態(tài)擠壓制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及合金的【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種青銅合金的制備方法，尤其是一種青銅合金棒材的半固態(tài)擠壓制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]錫青銅合金具有較高的力學(xué)性能、良好的耐磨耐腐蝕性和低溫韌性，易于切削加工，特別是含磷錫青銅，具有很高的硬度、彈性和耐磨性，在大氣、海水中均具有較高的耐腐蝕性，且易于焊接，被廣泛用于服役于各種環(huán)境中的機(jī)械設(shè)備的彈性部件和耐磨部件。
[0003]然而錫青銅存在的主要問題在于較高的錫含量會(huì)導(dǎo)致錫青銅合金變得硬而脆，塑性很差，在塑性變形的加工過程中往往產(chǎn)生裂紋、偏析等缺陷。同時(shí)，傳統(tǒng)的錫青銅合金在鑄造的過程中也容易產(chǎn)生縮孔和偏析等鑄造缺陷，并且由于其高熔點(diǎn)和通常施加的鑄造壓力，對(duì)于鑄型的破壞也非常嚴(yán)重。
[0004]半固態(tài)金屬技術(shù)是20世紀(jì)70年代提出的一種介于液態(tài)、固態(tài)成形的技術(shù)，它由于具有充型平穩(wěn)、制件致密性高、對(duì)模具的熱沖擊力小、力學(xué)性能高、成型壓力低等優(yōu)勢，被廣泛用于金屬成型制造。將半固態(tài)金屬技術(shù)用于銅合金的制備無疑能夠解決傳統(tǒng)的鑄造和加工缺陷問題。
[0005]而半固態(tài)漿料的質(zhì)量和隨后的加工成型工藝都是決定青銅材料性能的關(guān)鍵。由于青銅合金本身熔體流動(dòng)性差，造成其低溫鑄造性能不佳，如何通過控制青銅合金的成分、半固態(tài)漿料攪拌強(qiáng)度，以及后續(xù)塑性加工工藝等獲得具有優(yōu)異性能的青銅材料，仍然是亟待研究和探索的技術(shù)問題。例如專利文獻(xiàn)CN101384386即提供了一種用于半固態(tài)金屬鑄造的原料磷青銅合金，然而其僅僅局限于提供合金原料，而對(duì)于后續(xù)的工藝并不涉及，并且其組成中含有大量的有害合金元素Pb，故而也對(duì)半固態(tài)漿料的控制要求較低。專利文獻(xiàn)JP6-234049也提供了一種青銅合金的半固態(tài)鑄造方法，然而其考慮到過高Sn含量帶來的鑄造劣化等問題，嚴(yán)格將Sn的含量限制在9%以下，且并沒有給出合適的半固態(tài)鑄造的溫度，也未涉及到半固態(tài)鑄造的后續(xù)塑性加工處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的即在于提供一種青銅合金棒材的半固態(tài)擠出成型制備方法。
[0007]本發(fā)明的制備方法具有如下的制備步驟:
[0008]一、配料:按合金目標(biāo)重量百分比為 10-12Sn、6-6.5B1、0.20-0.23P、0.1-0.15Zr、
0.05-0.09Zn、0.01-0.02Fe、0.01-0.02N1、余量為Cu和不可避免的雜質(zhì)稱取原料，Zn+Fe+Ni的總含量小于0.1，所述原料為純度為99.99%無氧銅和純度為99.9%的各合金元素的粉末；
[0009]二、熔煉:將配好的原料在大氣氣氛下于高頻爐中進(jìn)行熔煉，加熱熔化過程中確保熔體液面被木炭完全覆蓋，當(dāng)溫度升至1400-145(TC后添加鎳粉和鐵粉，保溫2-3分鐘后，繼續(xù)升溫至1580-1650后添加鋯粉，保溫5-10分鐘，隨后降溫至1320_1350°C后添加鉍粉，保溫5-10分鐘，繼續(xù)降溫至1280-1300°C后添加錫粉，保溫15-20分鐘，最后降溫至1200-1250°C添加磷粉，并保溫5-10分鐘，經(jīng)檢驗(yàn)并微調(diào)熔體成分合格后完成熔煉；
[0010]三、半固態(tài)漿料的制備:將青銅合金熔體通過由攪拌器和冷卻器組成的弧形通道，以得到半固態(tài)漿料，其中所述攪拌器為帶有齒狀凸起、直徑為180-200毫米的圓周面，而所述冷卻器具有與所述攪拌器的外圓周面同心間隙設(shè)置的冷卻圓弧面，所述圓弧面為1/6圓周，齒狀凸起的高度為3-4毫米、齒間距為4-5毫米，所述間隙的距離為8-9毫米，所述攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度為180-200rpm ；
[0011]四、擠出成型加工:將半固態(tài)漿料注入經(jīng)過預(yù)熱到830-850°C的擠壓模具中，維持半固態(tài)漿料的溫度在850-880°C，以35-40mm/s的擠壓速度、10-15的擠壓比進(jìn)行擠出成型加工，得到青銅合金棒材；
[0012]五、退火:將擠出的棒材以20_25°C /s的速度冷卻至420_450°C，保溫2.5_3h后，
出爐空冷至室溫，得到青銅合金棒材產(chǎn)品。
[0013]作為優(yōu)選的，所述合金目標(biāo)重量百分比為llSn、6.2B1、0.21P、0.13Zr、0.07Zn、0.02Fe、0.02N1、余量為Cu和不可避免的雜質(zhì)稱取原料。
[0014]作為優(yōu)選的，所述間隙的距離為9毫米。
[0015]作為優(yōu)選的，所述攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度為190rpm。
[0016]作為優(yōu)選的，擠出成型加工維持半固態(tài)漿料的溫度在860°C。
[0017]作為優(yōu)選的，擠出成型加工的擠壓速度為38mm/s，擠壓比為12。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:調(diào)整了各合金元素的配比，在較大錫含量的同時(shí)，加入較大含量的鉍以取代鉛，并適量添加了 Zn、Fe、Ni等微量的合金元素，通過控制熔煉工藝、熔體攪拌速度以及通過流量、擠出溫度、擠出速度和擠壓比等參數(shù)，再輔以相配的熱處理工藝，獲得了性能優(yōu)異的青銅合金棒材。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明半固態(tài)漿料制備裝置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]實(shí)施例1-3，以及對(duì)比例1#-11#:
[0021]一、配料:以表1所示的合金目標(biāo)重量百分比稱取原料，所述原料為純度為99.99%無氧銅和純度為99.9%的各合金元素的粉末；
[0022]二、熔煉:將配好的原料在大氣氣氛下于高頻爐中進(jìn)行熔煉，加熱熔化過程中確保熔體液面被木炭完全覆蓋，當(dāng)溫度升至1430°C后添加鎳粉和鐵粉，保溫2分鐘后，繼續(xù)升溫至1600后添加鋯粉，保溫10分鐘，隨后降溫至1340°C后添加鉍粉，保溫10分鐘，繼續(xù)降溫至1280°C后添加錫粉，保溫18分鐘，最后降溫至1220°C添加磷粉，并保溫5分鐘，經(jīng)檢驗(yàn)并微調(diào)熔體成分合格后完成熔煉；
[0023]三、半固態(tài)漿料的制備:將青銅合金熔體通過由攪拌器和冷卻器組成的弧形通道3，以得到半固態(tài)漿料，其中所述攪拌器I為帶有齒狀凸起、直徑為180毫米的圓周面，而所述冷卻器2具有與所述攪拌器的外圓周面同心間隙設(shè)置的冷卻圓弧面，所述圓弧面為1/6圓周，所述齒狀凸起的高度為4毫米、齒間距為4毫米，所述間隙的距離為8毫米，所述攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度為180rpm ；
[0024]四、擠出成型加工:將半固態(tài)漿料注入經(jīng)過預(yù)熱到830°C的擠壓模具中，維持半固態(tài)漿料的溫度在850°C，以35mm/s的擠壓速度、10的擠壓比進(jìn)行擠出成型加工，得到青銅合金棒材；
[0025]五、退火:將擠出的棒材以22°C /s的速度冷卻至440°C，保溫2.5h后，出爐空冷至室溫，得到青銅合金棒材產(chǎn)品。
[0026]通過表1的結(jié)果可推知以下結(jié)論:
[0027]Sn的含量應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在10-12%之間，過高的Sn含量會(huì)影響合金的擠出成型加工性能，從而惡化最終棒材的強(qiáng)度和拉伸性能，但過低的Sn含量將嚴(yán)重影響半固態(tài)漿料的流動(dòng)性能，從而導(dǎo)致棒材的擠出性能惡化，也使得其強(qiáng)度嚴(yán)重不足。
[0028]Bi的含量應(yīng)當(dāng)控制在6-6.5%的范圍，過高的Bi含量會(huì)因?yàn)锽i的凝固膨脹等問題而造成擠出性能的惡化，但Bi含量太低則不利于材料的耐磨損等性能，起不到代替有害元素鉛的作用。
[0029]P是錫青銅重要的添加元素，在本發(fā)明的合金體系中，P的含量不應(yīng)超過0.23%，否則將導(dǎo)致拉伸性能的嚴(yán)重不足，但P的含量應(yīng)當(dāng)至少超過0.2%，因?yàn)樾枰ㄟ^P來提高合金的流動(dòng)性以獲得半固態(tài)漿料的鑄造、成型等加工性能。[0030]Zr既可與P協(xié)同促進(jìn)合金體系熔融流動(dòng)性能，也在一定程度上對(duì)合金起到沉淀強(qiáng)化的作用，其含量過低起不到提高流動(dòng)性的作用而導(dǎo)致半固態(tài)漿料擠出成型性能的不足，過高則會(huì)導(dǎo)致成型塑性的嚴(yán)重不足。
[0031]微量合金元素Zn、Fe、Ni的添加能夠明顯改善合金體系的強(qiáng)度，但考慮到過量的添加可能導(dǎo)致材料的加工成型性能惡化，因此應(yīng)當(dāng)控制其總含量小于0.035%。
[0032]表1
【權(quán)利要求】
1.一種青銅合金棒材的半固態(tài)擠出成型制備方法，其特征在于包括以下步驟: 一、配料:按合金目標(biāo)重量百分比為10-12Sn、6-6.5B1、0.20-0.23P、0.1-0.15Zr、0.05-0.09Zn、0.01-0.02Fe、0.01-0.02N1、余量為Cu和不可避免的雜質(zhì)稱取原料，Zn+Fe+Ni的總含量小于0.1，所述原料為純度為99.99%無氧銅和純度為99.9%的各合金元素的粉末； 二、熔煉:將配好的原料在大氣氣氛下于高頻爐中進(jìn)行熔煉，加熱熔化過程中確保熔體液面被木炭完全覆蓋，當(dāng)溫度升至1400-145(TC后添加鎳粉和鐵粉，保溫2-3分鐘后，繼續(xù)升溫至1580-1650后添加鋯粉，保溫5-10分鐘，隨后降溫至1320_1350°C后添加鉍粉，保溫5-10分鐘，繼續(xù)降溫至1280-1300°C后添加錫粉，保溫15-20分鐘，最后降溫至1200_1250°C添加磷粉，并保溫5-10分鐘，經(jīng)檢驗(yàn)并微調(diào)熔體成分合格后完成熔煉； 三、半固態(tài)漿料的制備:將青銅合金熔體通過由攪拌器和冷卻器組成的弧形通道，以得到半固態(tài)漿料，其中所述攪拌器為帶有齒狀凸起、直徑為180-200毫米的圓周面，而所述冷卻器具有與所述攪拌器的外圓周面同心間隙設(shè)置的冷卻圓弧面，所述圓弧面為1/6圓周，所述齒狀凸起的高度為3-4毫米、齒間距為4-5毫米，所述間隙的距離為8-9毫米，所述攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度為180-200rpm ； 四、擠出成型加工:將半固態(tài)漿料注入經(jīng)過預(yù)熱到830-850°C的擠壓模具中，維持半固態(tài)漿料的溫度在850-880°C， 以35-40mm/s的擠壓速度、10-15的擠壓比進(jìn)行擠出成型加工，得到青銅合金棒材； 五、退火:將擠出的棒材以20-25°C/s的速度冷卻至420-450°C，保溫2.5_3h后，出爐空冷至室溫，得到青銅合金棒材產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述合金目標(biāo)重量百分比為llSn、6.2B1、0.21P、0.13Zr、0.07Ζη、0.02Fe、0.02N1、余量為Cu和不可避免的雜質(zhì)稱取原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述間隙的距離為9毫米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度為190rpm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:擠出成型加工的擠壓速度為38mm/s，擠壓比為12。
【文檔編號(hào)】C22F1/08GK103740972SQ201310632001
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】吳文淵 申請人:余姚市宏駿銅業(yè)有限公司