一種高強耐磨黃銅管材的製備方法
2023-05-29 09:51:11
專利名稱：一種高強耐磨黃銅管材的製備方法
技術領域：
本發明涉及有色金屬加工技術領域，特別是一種高強耐磨黃銅管材的製備方法。
背景技術：
黃銅是銅合金中最重要的合金品種，以其成本低，性能好而被廣泛用於國民經濟的各個領域。
目前，在汽車的同步變速齒環及齒環管材料的選用是以α相和α+β相為基的單相或雙相黃銅合金，其生產方法採用離心鑄造或水平連鑄或鍛造為主，其生產出的黃銅合金管材，用於製造汽車的同步變速齒環時，其最高換檔壽命不超過7～8萬次；究其原因採用離心鑄造或水平連鑄或鍛造為主的鑄造產品，由於鑄造中凝固結晶過程產生的不均勻性造成鑄造組織中各耐磨相的分布不均勻，因而導致材料的不均勻性磨損，從而降低了該材料製造的產品的耐磨性差，直接影響到汽車的同步變速齒環的使用壽命。
目前，我們國內汽車產銷規模早已突破400萬輛大關，汽車同步器齒環管材的總體市場規模在萬噸以上，高強耐磨黃銅作為汽車同步變速齒環專用合金，目前尚無其它經濟新材料可以替代。
申請號為02119486的《多組元耐磨黃銅合金及其管材成形方法》是一種採用立式連續鑄造的方法拉鑄，其仍然是採用鑄造方法，沒有克服由於鑄造中凝固結晶過程產生的不均勻性造成鑄造組織中各耐磨相的分布不均勻的問題。
發明內容
為了克服由於鑄造中凝固結晶過程產生的不均勻性造成鑄造組織中各耐磨相的分布不均勻的問題，本發明的目的是提供一種高強耐磨黃銅管材的製備方法，特別是應用於重載、高速液壓轉子、滑履、自潤滑軸承、精密鍛件，例如汽車的同步變速齒環及齒環管的黃銅合金材料，以適應快速發展的汽車工業需要，提高產品質量。
本發明採用如下技術方案，實現上述發明目的所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，基於一種以β相為基的單相高強耐磨黃銅管材的基體材料，以Cu-Zn合金為基，通過能形成耐磨相的合金元素如Fe0.5-1.3、Ni2.5-4.0、Mn0.5-0.8、Co1.5-2.0、Si0.5-1.5、AI3.5-4.5、Cr0.1～0.25、Zn27-32，餘量為Cu的多元少量合金元素，構成複雜的5～9元合金體系；再以熱加工為主的熱擠制變形工藝，變形程度最大可達95％以上的熱擠制加工，生產高強耐磨黃銅管材。
所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，首先按配比稱重合金材料，分別先後投入具有熔體攪拌功能強、功率因數高的工頻有芯感應電爐進行熔煉；鑄造採用1300～1400℃的非直接水冷的紅錠鑄造；引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3秒停4秒的工藝步驟；並採用烤紅菸灰作為潤滑劑；鑄造速度1.5～4.5m/h，水壓0.02～0.1MPa，結晶器規格為Φ245×300～450mm採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱；採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針的預熱溫度200-350℃，合金擠制溫度500～800℃，合金的相變溫度550～700℃，擠制流變速度0.5～2.2m/s，擠制後的冷卻制度可根據合金相變溫度的高低來決定採用強冷卻水環，增加冷卻強度可以減少合金冷卻時在相變溫度以下的停留時間，達到提高合金性能的保障；其中強冷卻水環的冷卻水壓控制在0.02～0.06MPa，達到亞淬火狀態的冷卻速度；矯直是採用擠制後趁熱立即對擠制的管材進行熱矯直；採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度300～350℃，回火時間1-2小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；採用帶鋸或慢速鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。
所述的高強耐磨黃銅管的製備方法，擠制後的冷卻工藝可根據合金相變溫度的高低來決定採用風冷方式，風冷採用吹風對擠制管材進行強冷卻。
本發明由於採用如上技術方案，其具有如下優越性該高強耐磨黃銅管材的製備方法，是以Cu-Zn合金為基，通過能形成耐磨相的多元少量合金元素，構成複雜的5～9元合金體系。根據這些具有強烈化合作用的合金元素，在高溫下幾乎不與基體合金元素Cu、Zn起反應，但它們之間卻存在強烈的化合傾向，可以分別形成FeAI3、Mn5Si3、Ni2Si、Co2Si、Cr-Si、Fe3Si、Ni-Ti高硬度金屬化合物特點，能在基體上形成成分複雜、硬度極高的耐磨相。在所有變形方法中熱擠制的變形程度最大，可達95％以上，大加工率可以改善合金組織中耐磨相分布。採用熱擠制加工工藝方法來達到提高汽車同步變速齒環的耐磨性能。
該高強耐磨黃銅管材的製備方法，工藝流程短、附加值高、幾何形狀及表面質量好的熱擠制加工。高強耐磨黃銅不但對合金基體的強度、韌性有較高的要求，而且要求在基體上必須均勻、穩定地分布有硬度極高的耐磨相；在硬度極高的耐磨相和硬度相對較低的基體間形成良好的耐磨機制，同時也有利於在摩擦時建立穩定的潤滑層，使材料在高速、重載的惡劣條件下能有效抵抗載荷的衝擊和劇烈的磨損作用，具有良好的高強、耐磨性能。例如主要用於汽車同步變速齒環的高強耐磨黃銅管材經過擠制加工，可大大超過標準規定的10萬次的換檔壽命。
該高強耐磨黃銅管材的製備方法，能夠使汽車同步變速齒環的管材性能達到Rp0.2≥470MPa、A≥4～12％、Rm≥539～635、導熱率W/Kcm 20～100℃ 0.484～0.84、偏心率≤7％、彎曲度＜5mm/M、管材內外徑尺寸偏差為標稱直徑的±0.5％。
圖面說明
圖1高強耐磨黃銅管的製備工藝流程圖。
具體實施例方式
一以製作LW6801同步變速齒環管材Φ68×8.5mm為例外徑偏差±0.5mm，內徑偏差±0.4mm，偏心度＜7％。
按材料成分配比分別稱重Fe0.5、Ni3.0、Mn0.6、Co1.5、Si0.8、AI3.5、Zn27，餘量為Cu的多元少量合金元素，將金屬先後投入工頻有芯感應電爐進行熔煉，鑄造採用1300℃的非直接水冷的紅錠鑄造，引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3秒停4秒的工藝步驟，並採用烤紅菸灰作為潤滑劑，鑄造速度1.5m/h，水壓0.02MPa，結晶器規格為Φ245×300mm。鑄錠加熱採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱。擠制採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針的預熱溫度200℃，合金熱擠制溫度500℃，合金的相變溫度550℃，擠制流變速度0.5m/s，擠制後的冷卻制度根據其合金相變溫度低的特性採用風冷進行；矯直矯直是採用擠制後趁熱對擠制的管材立即進行熱矯直；回火採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度300℃，回火時間1小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；鋸切採用帶鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。經檢測材料性能達到Rp0.2≥470MPa、Rm≥635MPa、A≥4％、導熱率W/Kcm(20～100℃)0.84、HB2.5/62.5≥197，外徑及內徑偏差和偏心率均達到合同要求。
具體實施例方式二以製作LW6701同步變速齒環管材Φ73.5×8.75mm，外徑偏差±0.5mm，內徑偏差±0.4mm，偏心度＜7％。
首先按材料成分分別稱重Cu 60、Mn 2.5、AI 2.0、Si 0.8、Cr 0.2、Ni0.3，餘量為Zn，將金屬先後投入工頻有芯感應電爐進行熔煉，鑄造採用1400℃的非直接水冷的紅錠鑄造，引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3(秒)停4(秒)的工藝制度，並採用烤紅菸灰作為潤滑劑，鑄造速度4.5m/h，水壓0.1MPa，結晶器規格為Φ245×450mm。鑄錠加熱採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱。擠制採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針的預熱溫度，350℃，合金熱擠制溫度800℃，合金的相變溫度700℃，擠制流變速度2.2m/s，擠制管材後根據其合金相變溫度高的特性採用前強冷卻水環進行，其中冷卻水壓為0.1MPa，達到亞淬火狀態的冷卻速度；矯直矯直採用擠制後趁熱立即對擠制的管材進行熱矯直；回火採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度350℃，回火時間2小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；鋸切採用慢速鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。經檢測材料性能達到Rp0.2≥470MPa、Rm≥537MPa、A≥12％、導熱率W/Kcm(20～100℃)0.484、RHB≥85，外徑及內徑偏差和偏心率均達到合同要求。
權利要求
1.一種高強耐磨黃銅管材的製備方法，基於一種以β相為基的單相新型高強耐磨黃銅基體材料，其特徵在於所述的黃銅管材的製備方法，以Cu-Zn合金為基，通過能形成耐磨相的合金元素Fe、Ni、Mn、Co、Si、AI、Cr、Zn，餘量為Cu的多元少量合金元素，構成複雜的5～9元合金體系；採用以熱加工為主的熱擠制變形工藝，變形程度最大可達95％以上的熱擠制加工，生產黃銅管材。
2.如權利要求1所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，其特徵在於所述的黃銅管的製備方法，首先按配比稱重合金材料，分別先後投入具有熔體攪拌功能強、功率因數高的工頻有芯感應電爐進行熔煉；鑄造採用1300～1400℃的非直接水冷的紅錠鑄造；引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3秒停4秒的工藝步驟；並採用烤紅菸灰作為潤滑劑；鑄造速度1.5～4.5m/h，水壓0.02～0.1MPa，結晶器規格為Φ245×300～450mm；採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱；採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針預熱溫度200-350℃；合金擠制溫度500～800℃，合金的相變溫度550～700℃，擠制流變速度0.5～2.2m/s，擠制後的冷卻制度可根據合金相變溫度的高低來決定採用強冷卻水環；其中強冷卻水環的冷卻水壓控制在0.02～0.06MPa，達到亞淬火狀態的冷卻速度；矯直是採用擠制後趁熱立即對擠制的管材進行熱矯直；採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度300～350℃，回火時間1-2小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；採用帶鋸或慢速鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。
3.如權利要求1所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，其特徵在於所述的黃銅管材的製備方法，擠制後的冷卻制度可根據合金相變溫度的高低來決定採用風冷方式，風冷採用吹風對擠制管材進行強冷卻。
4.如權利要求1所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，其特徵在於所述的黃銅管的製備方法，以製作LW6801同步變速齒環管材68×8.5mm，外徑偏差±0.5mm，內徑偏差±0.4mm，偏心度＜7％，按材料成分配比分別稱重Cu、AI、Ni、Fe、Si、Co、Zn金屬先後投入工頻有芯感應電爐進行熔煉，鑄造採用1300℃的非直接水冷的紅錠鑄造，引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3秒停4秒的工藝步驟，並採用烤紅菸灰作為潤滑劑，鑄造速度1.5m/h，水壓0.02MPa，結晶器規格為Φ245×300mm。鑄錠加熱採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱，擠制；採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針預熱溫度200℃，合金熱擠制溫度500℃，合金的相變溫度550℃，擠制流變速度0.5m/s，擠制後的冷卻制度根據其合金相變溫度低的特性採用風冷進行；矯直矯直是採用擠制後趁熱對擠制的管材立即進行熱矯直；回火採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度300℃，回火時間1小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；鋸切採用帶鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。
5.如權利要求1所述的高強耐磨黃銅管材的製備方法，其特徵在於所述的黃銅管的製備方法，以製作LW6701同步變速齒環管材Φ73.5×8.75mm，外徑偏差±0.5mm，內徑偏差±0.4mm，偏心度＜7％，首先按材料成分分別稱重Cu、Mn、AI、Si、Cr、Ni、Zn金屬先後投入工頻有芯感應電爐進行熔煉，鑄造採用1400℃的非直接水冷的紅錠鑄造，引錠方式採用有利於結晶器內液體凝殼的拉3秒停4秒的工藝制度，並採用烤紅菸灰作為潤滑劑，鑄造速度4.5m/h，水壓0.1MPa，結晶器規格為Φ245×450mm。鑄錠加熱採用利於鑄錠快速升溫的電阻加熱爐加熱。擠制採用油壓機及配套合理的穿孔針對加熱的鑄錠進行管材擠制，穿孔針預熱溫度350℃，合金熱擠制溫度800，合金的相變溫度700℃，擠制流變速度2.2m/s，擠制管材後根據其合金相變溫度高的特性採用強冷卻水環進行，其中冷卻水壓為0.1MPa，達到亞淬火狀態的冷卻速度；矯直矯直採用擠制後趁熱立即對擠制的管材進行熱矯直；回火採用退火爐對矯直的管材進行回火處理，回火溫度350℃，回火時間2小時，消除內應力，改善合金α相分布狀態及形狀；鋸切採用慢速鋸按尺寸要求對管材進行頭尾鋸切。
全文摘要
一種高強度耐磨性好的黃銅管的製備方法，基於一種以β相為基的單相新型高強耐磨黃銅基體材料，其採用以熱加工為主的熱擠制變形，變形程度最大可達95％以上的熱擠制加工；以Cu－Zn合金為基，通過能形成耐磨相的合金元素如Fe、Ni、Mn、Co、Ti、Cr、Si、Al多元少量合金元素，構成複雜的5～9元合金體系；根據這些具有強烈化合作用的合金元素，在高溫下幾乎不與基體合金元素Cu、Zn起反應，但它們之間卻存在強烈的化合傾向，可以分別形成FeAI
文檔編號C22C9/04GK1710127SQ20051008032
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月4日 優先權日2005年7月4日
發明者李宏磊, 餘曉剛, 黃自欣, 郭素梅, 王濤, 黃亞飛, 苗國偉, 郭慧穩, 張顏, 黃國興, 溫政, 王慶彥, 薛建生, 孫飛濤, 王進, 王剛彥 申請人:洛陽銅加工集團有限責任公司