一种高强耐磨变形铝青铜合金

摘要

本发明公开了一种高强耐磨变形铝青铜合金，该合金由下述组分按重量百分比组成：铝(Al)5～9.5％；铁(Fe)2～6％；锰(Mn)1～6％；镍(Ni)1.2～4％；硅(Si)1～2.5％；磷(P)0.1～1.2％；富铈稀土0.05～0.5％；其余为铜(Cu)和不可避免的杂质，其中杂质含量≤0.05％。本发明合金具有优异的力学性能、耐磨性能和良好的热塑性，且还可以通过常规热处理全面提高其性能。经热处理后，挤制管材的抗拉强度大于900MPa，硬度大于220HBS，伸长率大于15％；在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别低于0.27和0.29×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强耐磨变形铝青铜合金，属于新材料技术领域。

背景技术

矿山、冶金等行业的作业环境具有温度高、粉尘大、润滑条件差、负荷大、 冲击大、磨损严重等特点，因而要求应用于这些领域的耐磨件可在干摩擦或润 滑不良及高负荷条件下正常运作。目前在这类恶劣环境下使用的耐磨件所用材 料一般为以ZQAll9-4为代表的铝青铜和以ZQSn10-1为代表的锡青铜。两者在 干摩擦或润滑不良的条件下的耐磨性能大大降低，且由于强度和硬度偏低，其 在高负荷条件下容易发生断裂或快速磨损而降低耐磨件的使用寿命。因此，要 提高耐磨零件在这种恶劣环境下的服役寿命，需同时保证材料有优异的耐磨性 能和较高的强度及硬度。大部分轴承、轴套、轧机滑块、螺母等耐磨件一般是 通过塑性加工而成形。采用塑性成形方法既可提高生产效率，降低成本，也可 提高构件的使用性能。因此，应用于上述恶劣环境下的耐磨材料还需要有较好 的塑性成形性能。

铝青铜作为一类常用的高强耐磨材料，广泛应用于轴承、轴套、齿轮、圆 盘、导向摇臂衬套、接管嘴等耐磨零件的制造。近年来，为了满足各行各业对 耐磨零件的不同需求，相继开发了多种新型耐磨铝青铜。专利CN1400326A公 开了一种应用于同步环领域、具有高耐磨性和高摩擦系数的铝青铜；专利 CN1936049A公开了一种应用在电梯上的高强耐磨铝青铜铸件，专利 CN1629350A公开了一种用作模具材料的高强耐磨铝青铜；专利CN1061441A 公开了一种用于冶金等恶劣环境的耐磨铝青铜。

上述专利成果中除专利CN1400326A外，其余专利均在铸态或者铸件经热 处理后的条件下使用。专利CN1400326A未公开合金的力学性能，其虽然能实 现热变形，但由于添加的合金元素的总量较大，其室温韧性可能较低。根据Cu-Al 相图，随着合金中铝含量的增加，合金的基体相由α相向β相转变，其中后者 塑性较差。专利CN 1936049A公开的铸件的强度较低，且其铝含量大部分处于 塑性较差的β相范围，难以实现大的塑性变形。专利CN1629350A公开的合金 中由于铝含量很高，又添加了较多的合金元素，合金的塑性成形性能较差。专 利CN1061441A公开的合金中铝的含量虽然整体较低，但是其中添加的合金元 素的总含量很高，也限制了合金的塑性成形。目前国内对于高强耐磨变形铝青 铜的研究较少，仅有高雷雷等人研究过采用等通道挤压的方法提高铝青铜的耐 磨性能。

综上，开发一种高强耐磨变形铝青铜，应用于低速重载的矿山、冶金等行 业的轴套、轴承、螺母、轧机滑块等耐磨件的制造，对降低生产成本、提高产 品质量及节省能源等，均有重大的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有优良的综合力学性能和耐磨性能，易实现塑 性成形，应用在低速和重载条件下的矿山、冶金等行业耐磨件的高强耐磨变形 铝青铜合金。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种高强耐磨变形铝青铜合金，包括下述组分按重量百分比组成：

铝5～9.5％；

铁2-6％；

锰1～6％；

镍1.2～4％；

硅1～2.5％；

磷0.1～1.2％；

富铈稀土0.05～0.5％；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

作为优选，各组分的重量百分数为：

铝6～9％；

铁2-5％；

锰2～4％；

镍2～4％；

硅1～2％；

磷0.1～0.8％；

富铈稀土0.1～0.4％；其余为铜和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜合金中，所述的富铈稀土中铈的含量不小 于75％。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜合金，可通过常规热处理全面提高所述合 金的性能。

本发明一种高强耐磨变形铝青铜采用了多元合金化的原则，通过调整Cu-Al 合金中Al的含量，并综合添加适量Fe、Mn、Ni、Si、P、稀土等元素，最终提 高合金的综合力学性能和耐磨性能，同时保证其还具有良好的塑性成形性能。

Al是决定铝青铜合金强度的主要元素之一，但是对塑性的影响也较大，因 为随着合金中铝含量的增加，合金的基体相由α相向β相转变，其中后者塑性 较差。将铝含量控制在较低的水平，有利于提高合金的塑性和塑性成形性能。

Fe、Ni元素对合金的强化机理相似。在铝青铜中一方面可降低原子扩散的 速度，增加β相的稳定性，抑制合金变脆的“自行退火”现象的发生，进而减 小合金的脆性；另一方面，当其含量达一定值时，就会形成(Fe，Ni)_XAl化合物， 在熔体凝固时作为结晶核心细化晶粒，分布在基体上也能阻碍位错移动，从而 提高合金的强度、硬度和耐磨性能。Ni还能显著提高合金的耐腐蚀性能。

已有的相关专利成果均是在传统的Cu-Al-Fe-Ni合金的基础上添加Mn或Si 以及其他微量元素如Ti、Re、Co等来实现合金的复合强化。Mn元素可较多地 固溶在Cu中，在大幅提高合金强度的同时而塑性却降低不多，是较理想的强化 元素。Si元素可以与Fe、Ni元素形成球状硬质金属间化合物，作为耐磨质点分 布在基体中，提高合金的强度和耐磨性能。

本专利一个突出的特点是在传统Cu-Al-Fe-Ni合金的基础上除了添加Mn 外，还复合添加了Si和P元素。P元素在Cu中的固溶度较小，单独添加少量的 P即可形成Cu₃P硬脆化合物，显著提高合金的硬度，但会降低韧性。但是，在 Cu-Al-Fe-Ni合金中同时添加Si和P元素即可形成Ni-Fe-Si-P化合物。该化合物 硬而不脆，且呈细小颗粒状弥散分布在基体中，大大提高了合金的强度、硬度 和耐磨性能，且对塑性的影响也相对较小。此外，P还可显著降低铜液的表面张 力，有效提高充型能力，减少铸件上涨的缺陷发生。

富铈稀土主要起精炼和细化晶粒的作用，可提高合金的致密度，使其强度和 韧性大大提高，有利于合金的塑性成形。

正由于上述合金元素多元化的作用，使得本发明合金的基体上均匀弥散分布 着(Fe，Ni)_XAl、(Fe，Ni)Si、Ni-Fe-Si-P化合物等多种高强度耐磨质点，从而使本发 明合金的综合力学性能和耐磨性能均优于一般的铝青铜，特别是在低速和重载 下表现出极高的耐磨性。

与现有技术相比，本发明合金材料的优点在于：

1、力学性能更优。由于同时添加了Fe、Ni、Mn、Si、P等元素，在合金基 体中形成大量细小并以块状或粒状弥散分布的强化相，使本发明合金具有比传 统牌号的铝青铜和专利(CN1239148A、CN1936049A、CN101381824A)中所述 的铝青铜更优异的力学性能，特别适用于在低速重载下工作的零件。

2、耐磨性能优异。本发明合金在干摩擦条件或润滑不良的条件下表现出极 佳的耐磨性，摩擦系数和磨损率分别低于0.27和0.29×10^-8mm³.N^-1.mm^-1，可 使其耐磨件的寿命比一般的铝青铜提高2-4倍。

3、易实现塑性成形。尽管本发明合金的强度、硬度处在较高的水平，但由 于合金中的铝含量较低，组织中的基体相为塑性较好的α软相，因此合金的塑 性也较好，易挤制成较大尺寸的管材。合金也无“自行退火”现象发生，可避 免缓冷脆性。

具体实施方式

以下通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

按照铝9.5％、铁2％、锰1％、镍4％、硅1％、磷0.5％、富铈稀土0.2％、 余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～1200℃。 熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性加入该合 金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有效覆盖和 精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T卧式双 动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热处理强 化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为971MPa，硬度为248HBS，伸长 率为18％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.21和0.24× 10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

实施例2

按照铝7.5％、铁4％、锰3％、镍1.2％、硅1.5％、磷0.1％、富铈稀土 0.1％、余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～ 1200℃。熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性 加入该合金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有 效覆盖和精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T 卧式双动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热 处理强化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为943MPa，硬度为235HBS， 伸长率为19.6％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.23和0.25× 10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

实施例3

按照铝5％、铁6％、锰6％、镍3％、硅2.5％、磷1.2％、富铈稀土0.4％、 余量为铜的配料方案，采用中频无芯感应电炉熔炼，熔炼温度为1100～1200℃。 熔炼之前先将Cu、Al、Fe、Mn、Ni、Si制成合金料。熔炼时，一次性加入该合 金料，磷和稀土分别以中间合金形式加入，并加入溶剂使合金得到有效覆盖和 精炼。静置、扒渣后浇注成Φ210mm的铸锭。将铸锭车皮定尺后在880T卧式双 动挤压机上挤制成外径为56mm、内径为27mm的管材，随后将其进行热处理强 化。本实施例制成的变形铝青铜的抗拉强度为911MPa，硬度为223HBS，伸长 率为23％，在干摩擦条件下的摩擦系数和磨损率分别为0.25和0.28× 10^-8mm³.N^-1.mm^-1。

上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神 和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保 护范围。