鋁青銅及其製備方法
2023-07-29 22:30:21
專利名稱：鋁青銅及其製備方法
技術領域：
本發明涉及合金領域，具體涉及一種具有高強度、高硬度、高耐磨性能、高抗壓性能和熱加工性能優良且成本低的鋁青銅及其製備方法。
背景技術：
不鏽鋼製品具有耐腐蝕、耐高溫、外形美觀光亮等優點，廣泛應用於國民經濟各部門，且很大一部分是拉伸件。但是不鏽鋼強度高，硬化指數η值大，變形硬化敏感，拉伸變形抗力大，且具有朝、粘、容易劃傷等特點，衝壓或拉伸成品具有表面質量不聞等缺點，因此對加工不鏽鋼的拉伸凹模、凸模等模具所用材料提出了更高的要求，即模具材料不但要強度高、硬度高，還需具備耐磨性好、摩擦係數低、熱導率高、散熱好等的特點。現在部分廠家用Crl2型鋼或鍍硬鉻的材料製造凹模和壓邊圈，由於它和不鏽鋼同屬於高鉻鋼，在一定條件下極易發生滲透，在拉伸凹模圓角和豎壁交界處，由於接觸壓力很高，易發生粘附、剪斷而形成粘結瘤；同時拉伸坯料周邊的毛刺斷屑及異物帶入模具，拉伸過程中易使工件嚴重劃傷，給最後的拋光工序造成困難，且與其他模具材料相比，Crl2型材料價格、鍛造成本、熱處理成本都高。另一類模具材料是與不鏽鋼不同系統的球墨鑄鐵，Ni基和Cu-Cr-Mo基合金鑄鐵。這類材料鑄造容易，加工方便，只需要進行消除內應力退火。其基體由珠光體和球狀游離石墨構成，既強韌，石墨又起自潤滑作用，且石墨孔洞具有保持潤滑劑的性能，在凹模圓角和豎邊交界處不會產生粘結瘤，可有效防止工件劃傷。但鑄鐵類材料硬度較低，一般硬度為HB210-270，只適用於中小批量簡單形狀零件的生產，模具壽命較低。鑑於上述材料具有 硬度、強度、耐磨性等方面不足，不能滿足當今產品對模具材料提出的更高要求，因此銅合金作為模具材料也被進行了大量的研究，其中就包括鋁青銅。近幾年，國內外對鋁青銅模具材料的研究也取得了一些進展，其中日本專利申請號JP02-158448的《高強度模具合金》，其具有較高的強度、鑄造性能和機加工性能好，其合金組成為 5.0-15wt%Al,0.5wt%Fe,0.l-3wt%Ni+Co,0.5_2wt%Mn, 0.5_2wt%Zn，其餘為銅和不可避免的雜質。如有需要，還添加0.01-lwt%Ag,0.l-5wt%的稀土元素。Cu、Al能提高機械強度，Fe.Mn.Zn提高機械性能，Co改善硬度和耐蝕性能，而且會使含鐵的鋁青銅無磁性。但是該合金需添加Ag元素，製作過程中成本較高，而且鐵含量太低，強化作用效果不明顯。申請號為JP01-155123公開的《高強度模具合金》，這種材料的組分及其重量百分比含量為:0.5 3% Mn,0.5 5% Fe,0.5 10% A1、0.01 5% Ni 和 / 或 Co、彡 0.5%Ti 和 /或Zr，其餘為銅和< 0.5%的雜質。該合金可以作為一些對耐磨性能要求不高的模具材料，但是耐磨性能、強度和硬度的不足，導致其在模具行業使用率不高，嚴重製約了生產效率，而且Ni的存在會使材料具有一定的粘性，會使產品表面有劃痕。上述鋁青銅合金仍存在硬度、耐磨性、屈服強度等性能不高或者製造成本昂貴等缺陷，因此本發明的目的是提供一種高強度高硬度高耐磨的鋁青銅，尤其涉及一種具有低的摩擦係數、出色的拋光性能、極高的抗壓性能和熱加工性能優良的高性能銅合金及其製備方法。廣泛應用於衝壓模、拉深模等家電、汽車模具等行業，以及應用於耐磨板、不鏽鋼管成型軋輥、彎管球頭、軸承軸套、無心磨床支撐刀具刃部等機械行業。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術中的上述不足，提供了一種具有高硬度、高強度、高耐磨、高抗壓性能和熱加工性能優良且成本低，適用於當下產品質量對模具材料提出的更高要求，對Cu-Al-Fe-Mn-Zn系合金進行了進一步研究，得出必要元素的最佳配比，並且通過添加輔助元素改善鋁青銅合金組織及性能，在特定工藝下製備出高性能的鋁青銅產品。本發明所採用的技術方案為:一種鋁青銅，所述鋁青銅包括以下重量百分比的組分:鋁9.0 18.0%，鐵2.0 7.0%，錳I 5%，鋅0.01 1%，餘量為銅和不可避免的雜質。作為優選，所述鋁青銅的重量百分比的組分優選為:鋁12.0 16.0%，鐵3.0
6.0%，錳1.5 4%，鋅0.01 0.5%，餘量為銅和不可避免的雜質。進一步地，所述鋁青銅的重量百分比的組分優選為:鋁13.0 15.0%，鐵4.0 5.0%，錳2.0 3%，鋅0.01 0.5%，餘量為銅和不可避免的雜質。進一步地，所述鋁青銅的組分還包括I 6%重量百分比的鈷。
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進一步地，所述鋁青銅組分的鈷重量百分比含量優選為1.5 4%。進一步地，所述鋁青銅的組分還包括選自Y1、Y2、Y3中的至少一種元素，其重量百分比含量為0.001% 3%，其中Yl為稀土元素、磷、鎂中的一種或多種，Υ2為矽、鈦、鈹中的一種或多種，Υ3為硼、鉻中的一種或兩種。進一步地，上述鋁青銅的微觀組織為β 』 + α + Y 2+ K。進一步地，鋁青銅的微觀組織中β 』佔面積含量的50 75%。進一步地，上述鋁青銅合金具有700MPa以上的抗拉強度，硬度HB: 300 400，抗壓強度IOOOMPa以上，且摩擦係數在0.15以下。本發明的鋁對於提高鋁青銅的強度和硬度具有至關重要的作用，一方面，鋁固溶於α、Υ2相中，起到固溶強化效果，且形成Cu9Al4S基體的固溶體，起到增強強度和硬度的作用。另一方面，招與鐵、銅形成AlFe、AlFe3、Al7Cu2Fe等金屬間化合物，即K相組成,不但提高了硬度和強度，還起到耐磨的作用。當鋁含量低於9.0wt%，材料強度和硬度較低，耐磨性較差，當鋁含量高於18.0wt%，K相增加，導致材料過脆，在機加工過程容易崩邊、崩角、開裂等。故鋁的含量範圍控制在9.0 18.0wt%。鐵在鋁青銅中，除了形成K相，提高硬度、強度外，還可以顯著改善鋁青銅的組織結構，起到細化晶粒，使K相分布均勻，有利於合金耐磨性的提高。當鐵含量低於2.0wt%，提升機械性能作用不明顯；當鐵含量高於7.0wt%，組織中會有針狀FeA13化合物析出，反而導致合金機械性能下降，抗蝕性惡化。故鐵含量控制在2.0 7.0wt%。錳增大β相的穩定性，避免或減少了 Y 2相的出現，錳在提高材料強度的同時卻對塑性影響不大。錳的加入會縮小α單相區，但顯著降低β相共析轉變溫度和反應速度，使「緩冷脆性」大大減弱。錳還能進一步提高鋁青銅的耐腐蝕性能。實驗證明當錳含量低於1.0wt%，上述效果不明顯。錳與鋁會形成硬質相，能夠起到一定的強化作用，但過量的錳會降低材料延伸率，引起材料發脆，故一般錳含量控制在1.0 5wt%。
鋅有限固溶於銅一招合金的α固溶體，擴大相區並增加固溶體的合金化程度，同時少量的鋅有助於熔煉的時候除氣。但在含鐵的鋁青銅中，鋅含量增加的話會使合金中含鐵相微粒減少，耐磨性降低，故鋅含量為0.01 lwt%。鈷在增加材料強度和硬度的同時而不會破壞合金的韌性，添加微量的Co可以起到較明顯地細化β晶粒，淨化金屬的作用。Co在銅中的溶解度為5%，在高鋁青銅中提高Co元素的含量，K相形貌發生變化形成類梅花形的新相。凝固時新相以細小的質點成為結晶核心，細化晶粒，並提高鋁青銅的強度、硬度、耐磨性能。鈷含量太低強化作用不明顯，太高會引起材料發脆，同時原材料成本會升高很多。因此鈷一般控制在I 6wt%。稀土元素、磷、鎂能夠細化晶粒、淨化熔體、除氣的作用，還可使鑄造組織中的K相由梅花狀變為團球狀，分布趨於均勻，因此可以添加Yl:稀土元素、磷、鎂中的至少一種用於改善合金組織等性能，且含量為0.001 3.0wt%。矽添加到鋁青銅中，能夠富集於K相中，形成硬質點顆粒，提高合金的硬度、耐磨性和機械性能。鈦可以細化晶粒，提高產品的硬度。鈹也具有上述元素同樣的效果，因此可以添加Y2:矽、鈦、鈹中的至少一種，且含量為0.001 3.0wt%。硼能細化鋁青銅的組織，在微量降低其塑性的同時使合金得到強化，強度和硬度增加，同時能提高鋁青銅的耐蝕性能。鉻阻礙合金退火加熱時的晶粒長大，提高合金退火後的硬度。因此可以添加Y3:硼、鉻中的至少一種,且含量為0.001 3.0wt%。上述所述鋁青銅為混合的微觀組織，其微觀組織為:β 』 + α + Y 2+ K。上述所述鋁青銅的微觀組織中β 』佔面積含量的50 75%。Cu — Al的平衡態組織應為α + Υ 2+Κ，但研發發現，鋁青銅在實際加工工藝及加工環境中冷卻速度快，故會出現高溫下未分解的β，即亞穩態β 』。鋁青銅中α相是以Cu為基體的置換固溶體，屬於面心立方點陣，顯微硬度為HV200 270。β』相是在實際鑄造條件下共析轉變受阻而形成的過冷β相，兩者是同素異形體，前者具有斜方晶系點陣結構，在溫度低於325°C時穩定；後者屬於體心立方點陣，在溫度高於565°C時穩定。β 』相實際上是以Cu3Al為基體的固溶體，顯微硬度為HV170。
Y 2相是以Cu9Al4為基體的固溶體，具有體心立方晶格的硬脆相，顯微硬度為HV520 ；( a + y 2)的硬度為 HV275 305。K相為AlFe、AlFe3、Al7Cu2Fe的強化相，屬於體心立方點陣，顯微硬度HV彡700。在微觀組織中灰色基體為β』相，在β』相上分布有白色的條狀α相，間或有少量的深色Y 2相，整個組織中均勻分布著花點樣K相。從上述研發中可以得出，鋁青銅的硬度主要取決於β』、Υ2、K相，而硬度對於模具材料的性能又起著至關重要的作用，因此鋁青銅不但需要控制好必要元素銅、鋁、錳、鐵、鋅的比例，還需要根據實際需要添加輔助元素如鈷、Υ1、Υ2、Υ3等元素，更好的改善合金的晶粒大小、相組織比例及分布等，從而達到所需的性能。本發明的鋁青銅，通過特定的元素配比、特定的加工方式及相組成，抗拉強度能夠達到700MPa以上，硬度HB: 300-400，抗壓強度IOOOMPa以上，且摩擦係數低於0.15。本發明所採用的另一種技術方案為:一種鋁青銅的製備方法，在1150°C 1400°C溫度條件下進行合金熔煉；然後通過半連續或連續鑄造成圓鑄錠或者扁鑄錠，鑄造溫度為1200°C 1300°C;所述圓鑄錠經過擠壓、鍛造或者機加工成成品；扁鑄錠經過鍛造或直接機加工成成品；擠壓溫度為700°C 850°C，鍛造溫度為700°C 850°C。本發明的鋁青銅具有如下優點:1.高強度、高硬度、高抗壓:通過特定的元素配比、特定的加工方式及相組成，抗拉強度能夠達到700MPa以上，硬度HB:300-400,抗壓強度IOOOMPa以上，廣泛應用於現代工業生產中，包括耐磨板、不鏽鋼管成型軋輥，彎管球頭、軸承軸套、無心磨床支撐刀具刃部、家電汽車模具等，製備得到的模具具有壽命長、工作效率高、無需經常修模的優點。2.抗磨損性高:鋁青銅表面會形成一層緻密的且硬度高的Al2O3薄膜，微觀組織中的硬質K相除了能夠承載作用外，還能抵抗磨粒對材料的犁削，減少材料的流失。3.無磁性:由於Co的加入能消除Fe所引起的磁性。當生產低碳鋼管時，鋁青銅滾輪可以用作生產線上的焊接工位，不會受高頻線圈感應生熱，無嚴重發熱問題，易於冷卻。4.極低的滑動摩擦係數:不會造成產品的劃傷，不會粘連產品，摩擦係數低於
0.15。5.合金的熱加工性能好:合金的高溫塑性好，在熱狀態下適用於各種不同的加工方式。6.合金的抗軟化溫度很高:400°C時合金的抗拉強度為530MPa以上；500°C時合金的抗拉強度為250MPa以上，工業生產中在300°C 400°C的情況下模具仍可以正常使用。7、生產成本低:該鋁青銅不加元素Ag、Ni等貴重元素，且該鋁青銅無需進行熱處理，降低了原料和生產成本。說明書附1為鋁青銅未加鈷的微觀組織(100倍)；圖2為鋁青銅添加鈷的微觀組織(100倍)；圖3為鋁青銅的微觀組織(1000倍)。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述:本發明的實施例1 41 (具體合金成分及性能如表I)中的原料採用常規的銅、鋁、鐵、錳、鋅、鈷等元素為原料，在工業化規模條件下，通過感應電爐熔化，熔煉溫度為1150°C 1400°C，然後進行半連續鑄造(或連續鑄造)成鋁青銅圓(扁)鑄錠，鑄造溫度為1200°C 1300°C，如需進行熱擠壓，則擠壓溫度700°C 850°C，如若需要進行鍛造，則鍛造溫度為700°C 850°C，之後進行機加工從而製備成所需的不同規格、不同狀態的產品。本發明對比實施例是C63000和US1961012510419610719的鋁青銅。本發明鋁青銅的各實施例及對比合金的具體化學成份含量見表一所示。本發明鋁青銅的工藝路線如下:1.原材料準備一半連續鑄造或連續鑄造成圓錠(扁錠)一機加工一檢驗成品包裝。2.原材料準備——半連續鑄造或連續鑄造成圓錠——擠壓機擠壓——機加工檢驗成品包裝。 3.原材料準備一半連續鑄造或連續鑄造成圓錠(扁錠)一鍛造一機加工檢驗成品包裝。性能檢測試驗樣品製備:通常在感應電爐進行非真空熔煉，覆蓋劑覆蓋。按表I成分分別熔煉，將各實施例合金澆鑄在金屬模具中。澆成上端面直徑Φ70πιπιΧ下端面直徑Φ60mmX高度250mm的鑄錠。然後機加工成Φ50Χ IOOmm擠壓坯，在3150KN立式擠壓機上進行熱擠壓，擠壓溫度700°C 850°C，擠壓規格為Φ15πιπι。取Φ 15mmX 200mm的坯料，車削成Φ8_的抗拉標樣，Φ 15Χ IOmm的硬度樣以及耐磨樣。其中測試耐磨樣摩擦係數的實驗條件為:摩擦形式:線性往復；試驗力:100Ν ;往復頻率:1ΗΖ ;試驗時間:15min ;試驗環境:室溫；試驗條件:不加液壓油。通過上述實施例性能測試結果見表一:與對比合金相比，本發明的銅合金兼備較高硬度，強度和較優異的耐磨性能，同時熱壓力加工性能優良，可以製備成需要的產品形狀。因此，本發明高強度高硬 度高耐磨鋁青銅能廣泛應用於現代工業生產中，滿足模具行業的需求。
權利要求
1.一種鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅包括以下重量百分比的組分:鋁9.0 18.0%，鐵2.0 7.0%，錳I 5%，鋅0.01 1%，餘量為銅和不可避免的雜質。
2.根據權利要求1所述的鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅的重量百分比的組分為:鋁12.0 16.0%，鐵3.0 6.0%，錳1.5 4%，鋅0.01 0.5%，餘量為銅和不可避免的雜質。
3.根據權利要求2所述的鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅重量百分比的組分為:鋁13.0 15.0%，鐵4.0 5.0%，錳2.0 3%，鋅0.01 0.5%，餘量為銅和不可避免的雜質。
4.根據權利要求1所述的鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅的組分還包括I 6%重量百分比的鈷。
5.根據權利要求4所述的鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅的鈷的重量百分比含量為1.5 4%。
6.根據權利要求1或4所述的鋁青銅，其特徵在於，所述鋁青銅的組分還包括選自Y1、Y2、Y3中的一種或多 種元素，其含量為0.001% 3%，其中Yl為稀土元素、磷、鎂中的一種或多種，Υ2為矽、鈦、鈹中的一種或多種，Υ3為硼、鉻中的一種或兩種。
7.根據權利要求1、4或者6所述的鋁青銅，其特徵在於，該鋁青銅的微觀組織為β + α + γ2+Κ0
8.根據權利要求1、4或者6所述的鋁青銅，其特徵在於，該鋁青銅的微觀組織中β』佔面積含量的50 75%。
9.根據權利要求1、4或者6所述的鋁青銅，其特徵在於，該鋁青銅合金具有700MPa以上的抗拉強度，硬度HB:300 400，抗壓強度IOOOMPa以上，且摩擦係數在0.15以下。
10.根據權利要求1、4或者6所述鋁青銅的製備方法，其特徵在於，在1150°C 1400°C溫度條件下進行合金熔煉；然後通過半連續或連續鑄造成圓鑄錠或者扁鑄錠，鑄造溫度為1200°C 1300°C;所述圓鑄錠經過擠壓、鍛造或者機加工成成品；扁鑄錠經過鍛造或直接機加工成成品；擠壓溫度為700°C 850°C，鍛造溫度為700°C 850°C。
全文摘要
本發明公開了一種鋁青銅，所述鋁青銅包括以下重量百分比的組分鋁9.0～18.0%，鐵2.0～7.0%，錳1～5%，鋅0.01～1%，餘量為銅和不可避免的雜質。本發明的鋁青銅具有以下優點通過特定的元素配比、特定的加工方式及相組成，抗拉強度能夠達到700MPa以上，硬度HB:300-400，抗壓強度1000MPa以上；抗磨損性高；摩擦係數低於0.15，不會造成產品的劃傷，不會粘連產品；合金的熱加工性能好；合金的抗軟化溫度高；該鋁青銅不加元素Ag、Ni等貴重元素，且該鋁青銅無需進行熱處理，降低了原料和生產成本。
文檔編號C22C9/01GK103194640SQ20131011732
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月7日 優先權日2013年4月7日
發明者段宗偉, 張根培, 周銀銀, 史奇, 趙紅彬 申請人:寧波博威合金材料股份有限公司