CN105420540A - 一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管 - Google Patents
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Abstract
一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，合金管的成分包含锌(Zn)、锡(Sn)、硅(Si)、铋(Bi)、磷(P)、铁(Fe)、锰(Mn)、稀土和铜(Cu)，其中合金管的各成分组成按重量百分比分别为：锌(Zn)：1-3％，锡(Sn)：1-3％，硅(Si)：0.5-1％，铋(Bi)：0.02-0.6％，磷(P)：0.03-0.4％，铁(Fe)：0.1-0.5％，锰(Mn)：0.03-0.35％，稀土：0.02-0.1％，余量为铜(Cu)。本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，将传统铅元素替换为硅元素，按照硅﹑锡﹑锌﹑铋、铁、锰、磷、铜一定的成分配比，在适当的温度下熔炼，通过连续铸造毛坯管，用挤压机挤压而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜管材，其在不增加成本的情况下，在合金液体中添加稀土元素，用以细化合金晶粒组织，不仅保留了现有锡青铜的切屑等机械性能，也满足了对环保性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料，特别是涉及一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管。
背景技术
现有的锡青铜材料为了实现易切屑性能而往往会添加铅元素，随着环保意识的明显提高，含铅元素的青铜合金已经不能满足国内外高端市场的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，保留现有锡青铜的切屑等机械性能，同时满足了对环保性能的要求。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，合金管的成分包含锌(Zn)、锡(Sn)、硅(Si)、铋(Bi)、磷(P)、铁(Fe)、锰(Mn)、稀土、铜(Cu)，其中合金管的各成分组成按重量百分比分别为：锌(Zn)：1-3％，锡(Sn)：1-3％，硅(Si)：0.5-1％，铋(Bi)：0.02-0.6％，磷(P)：0.03-0.4％，铁(Fe)：0.1-0.5％，锰(Mn)：0.03-0.35％，稀土：0.02-0.1％，余量为铜(Cu)。
进一步地，该合金管的各成分组成按重量百分比分别为：锌(Zn)：1.3-2.7％，锡(Sn)：1.3-2.7％，硅(Si)：0.55-0.95％，铋(Bi)：0.05-0.55％，磷(P)：0.05-0.35％，铁(Fe)：0.15-0.45％，锰(Mn)：0.05-0.3％，稀土：0.03-0.09％，余量为铜(Cu)。
进一步地，在本发明的一个优选实施例中，该合金管的各成分组成按重量百分比分别为：锌(Zn)：2％，锡(Sn)：2％，硅(Si)：0.75％，铋(Bi)：0.3％，磷(P)：0.22％，铁(Fe)：0.3％，锰(Mn)：0.2％，稀土：0.06％，余量为铜(Cu)。
进一步地，稀土包含重量百分比大于30％的镧。
一种上述环保无铅合金新材料合金棒的制备方法，包含以下步骤：
步骤1：按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热完全熔化后保温；
步骤2：采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土元素均匀混合；将混合完成粉末添加到步骤1中的溶液中；
步骤3：用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温；
步骤4：采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行成分检验；
步骤5：进一步保温，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，采用水平连铸方法铸制成空心毛坯合金管；
步骤6：挤压前退火，用箱式退火炉对毛坯合金管进行退火处理；
步骤7：用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，采用双动挤压机挤压，得到挤压后的合金管；
步骤8：用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤；
步骤9：用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
进一步地，步骤1中的加热温度为1250℃-1300℃，保温温度为1200℃。
进一步地，步骤3中的保温时间为1.2-1.5小时。
进一步地，步骤5中的进一步保温时间为40-60分钟，震动装置的振动频率为1次/秒。
进一步地，步骤6中的退火温度为200℃-300℃，退火时间为20-30分钟。
进一步地，步骤7中的挤压中合金锭加热温度100℃-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，将传统铅元素替换为硅元素，按照硅、锡、锌、铋、铁、锰、磷、铜一定的成分配比，在适当的温度下熔炼，通过连续铸造毛坯管，用挤压机挤压而生产出完全能够取代含有铅元素的锡青铜管材。本发明在不增加成本的情况下，在合金液体中添加稀土元素，用以细化合金晶粒组织，不仅保留了现有锡青铜的切屑等机械性能，也满足了对环保性能的要求。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，合金管的成分包含锌(Zn)、锡(Sn)、硅(Si)、铋(Bi)、磷(P)、铁(Fe)、锰(Mn)、稀土、铜(Cu)，其中合金管的各成分组成按重量百分比分别为：锌(Zn)：1-3％，锡(Sn)：1-3％，硅(Si)：0.5-1％，铋(Bi)：0.02-0.6％，磷(P)：0.03-0.4％，铁(Fe)：0.1-0.5％，锰(Mn)：0.03-0.35％，稀土：0.02-0.1％，余量为铜(Cu)。
本发明的环保无铅合金新材料合金棒的制备，包含以下步骤：
步骤1：按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1250℃-1300℃完全熔化后保温到1200℃。
步骤2：采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到步骤1中的溶液中。
步骤3：用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为11-13cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.2-1.5小时。
步骤4：采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行三到五次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
步骤5：进一步保温40-60分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
步骤6：挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为200℃-300℃，退火时间为20-30分钟，以便于挤压。
步骤7：用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为100℃-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
步骤8：用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
步骤9：用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
实施例一：
按重量百分比为：锌(Zn)：1％，锡(Sn)：1％，硅(Si)：0.5％，铋(Bi)：0.02％，磷(P)：0.03％，铁(Fe)：0.1％，锰(Mn)：0.03％，稀土：0.02％，余量为铜(Cu)准备原料。
首先，按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1250℃完全熔化后保温到1200℃。
接着，采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到的上述熔化的液体中。
接着，用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为11cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.5小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行三次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
接着，进一步保温60分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
接着，挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为200℃，退火时间为30分钟，以便于挤压。
接着，用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为100℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
接着，用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
接着，用高精度车床对探伤完成后的合金棒进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的切削机械性能比现有的含铅元素的锡青铜的切削机械性能提高10％，在不增加成本的情况下，能够完全取代含铅元素的锡青铜棒材，并且满足了环保性能的要求。
实施例二：
按重量百分比为：锌(Zn)：1.3％，锡(Sn)：1.3％，硅(Si)：0.55％，铋(Bi)：0.05％，磷(P)：0.05％，铁(Fe)：0.15％，锰(Mn)：0.05％，稀土：0.03％，余量为铜(Cu)准备原料。
首先，按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1260℃完全熔化后保温到1200℃。
接着，采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到的上述熔化的液体中。
接着，用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为12cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.4小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行四次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
接着，进一步保温55分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
接着，挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为220℃，退火时间为27分钟，以便于挤压。
接着，用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为120℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
接着，用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
接着，用高精度车床对探伤完成后的合金棒进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的切削机械性能比现有的含铅元素的锡青铜的切削机械性能提高17％，在不增加成本的情况下，能够完全取代含铅元素的锡青铜棒材，并且满足了环保性能的要求。
实施例三：
按重量百分比为：锌(Zn)：2％，锡(Sn)：2％，硅(Si)：0.75％，铋(Bi)：0.3％，磷(P)：0.22％，铁(Fe)：0.3％，锰(Mn)：0.2％，稀土：0.06％，余量为铜(Cu)准备原料。
首先，按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1280℃完全熔化后保温到1200℃。
接着，采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到的上述熔化的液体中。
接着，用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为12cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.3小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行四次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
接着，进一步保温50分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
接着，挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为250℃，退火时间为26分钟，以便于挤压。
接着，用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为140℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
接着，用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
接着，用高精度车床对探伤完成后的合金棒进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的切削机械性能比现有的含铅元素的锡青铜的切削机械性能提高15％，在不增加成本的情况下，能够完全取代含铅元素的锡青铜棒材，并且满足了环保性能的要求。
实施例四：
按重量百分比为：锌(Zn)：2.7％，锡(Sn)：2.7％，硅(Si)：0.95％，铋(Bi)：0.55％，磷(P)：0.35％，铁(Fe)：0.45％，锰(Mn)：0.3％，稀土：0.09％，余量为铜(Cu)准备原料。
首先，按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1270℃完全熔化后保温到1200℃。
接着，采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到的上述熔化的液体中。
接着，用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为13cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.3小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行三次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
接着，进一步保温45分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
接着，挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为280℃，退火时间为22分钟，以便于挤压。
接着，用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为130℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
接着，用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
接着，用高精度车床对探伤完成后的合金棒进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的切削机械性能比现有的含铅元素的锡青铜的切削机械性能提高13％，在不增加成本的情况下，能够完全取代含铅元素的锡青铜棒材，并且满足了环保性能的要求。
实施例五：
按重量百分比为：锌(Zn)：3％，锡(Sn)：3％，硅(Si)：1％，铋(Bi)：0.6％，磷(P)：0.4％，铁(Fe)：0.5％，锰(Mn)：0.35％，稀土：0.1％，余量为铜(Cu)准备原料。
首先，按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热到1300℃完全熔化后保温到1200℃。
接着，采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土均匀混合；将混合完成粉末添加到的上述熔化的液体中。
接着，用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在合金液体上面覆盖厚度为13cm的高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温1.2小时。
接着，采用斯派克直读光谱仪对从工频电炉内取出的样品进行五次成分检验，以确定合金液体的成分在规定范围之内。
接着，进一步保温40分钟，然后重新升温到1300℃，并开启工频电炉的震动装置，震动装置的振动频率为1次/秒，采用水平连铸方法铸制成外径为Φ220mm、内径为Φ180mm、长度为500mm的空心毛坯合金管。
接着，挤压前退火，用箱式退火炉对合金管进行退火处理，退火温度为300℃，退火时间为20分钟，以便于挤压。
接着，用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，加工为表面光洁直径Φ215mm、内径Φ185mm、长度500mm的合金管，采用2000吨双动挤压机挤压：合金锭加热温度为150℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s；经过多次挤压后合金管直径Φ200mm、公差为±1mm，内径Φ190mm、公差为±1mm。
接着，用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤，以挑出不合格产品进行回炉。
接着，用高精度车床对探伤完成后的合金棒进行表面车削，使合金管直径Φ198mm、公差为±0.1mm，内径Φ191mm、公差为±0.1mm，切割为长度200mm后对合金管的两端去毛刺并包装入库。
本发明的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的切削机械性能比现有的含铅元素的锡青铜的切削机械性能提高13％，在不增加成本的情况下，能够完全取代含铅元素的锡青铜棒材，并且满足了环保性能的要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，其特征在于，所述合金管的成分包含锌、锡、硅、铋、磷、铁、锰、稀土、铜，其中，所述合金管的各成分组成按重量百分比分别为：所述锌：1-3％，所述锡：1-3％，所述硅：0.5-1％，所述铋：0.02-0.6％，所述磷：0.03-0.4％，所述铁：0.1-0.5％，所述锰：0.03-0.35％，所述稀土：0.02-0.1％，余量为铜。
2.根据权利要求1所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，其特征在于，所述合金管的各成分组成按重量百分比分别为：所述锌：1.3-2.7％，所述锡：1.3-2.7％，所述硅：0.55-0.95％，所述铋：0.05-0.55％，所述磷：0.05-0.35％，所述铁：0.15-0.45％，所述锰：0.05-0.3％，所述稀土：0.03-0.09％，余量为所述铜。
3.根据权利要求1所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，其特征在于，所述合金管的各成分组成按重量百分比分别为：所述锌：2％，所述锡：2％，所述硅：0.75％，所述铋：0.3％，所述磷：0.22％，所述铁：0.3％，所述锰：0.2％，所述稀土：0.06％，余量为所述铜。
4.根据权利要求1所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管，其特征在于，所述稀土包含重量百分比大于30％的镧。
5.一种上述权利要求1-4中任一项所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：按照配比将电解铜、锡、锌、硅置于工频电炉内，加热完全熔化并保温；
步骤2：采用已知的粉末处理技术将铋、铁、锰、磷铜合金粉末化处理，并按照预定的比例与稀土元素均匀混合；将混合完成的粉末添加到所述步骤1中的溶液中；
步骤3：用石墨工具将完全熔化的合金液体充分搅拌后，在所述合金液体上面覆盖高纯度鳞片状石墨粉以防止氧化，并保温；
步骤4：采用斯派克直读光谱仪对从所述工频电炉内取出的样品进行成分检验；
步骤5：进一步保温，然后重新升温到1300℃，并开启所述工频电炉的震动装置，采用水平连铸方法铸制成空心毛坯合金管；
步骤6：挤压前退火，用箱式退火炉对毛坯合金管进行退火处理；
步骤7：用光锭机对退火后的毛坯合金管进行表面加工，采用双动挤压机，得到挤压后的合金管；
步骤8：用超声波探伤仪对挤压而成的合金管进行裂痕及气孔探伤；
步骤9：用高精度车床对探伤完成后的合金管进行表面车削，并对合金管的两端去毛刺后包装入库。
6.根据权利要求5所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的加热温度为1250℃-1300℃，保温温度为1200℃。
7.根据权利要求5所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的保温时间为1.2-1.5小时。
8.根据权利要求5所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，所述步骤5中的进一步保温时间为40-60分钟，所述震动装置的振动频率为1次/秒。
9.根据权利要求5所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，所述步骤6中的退火温度为200℃-300℃，退火时间为20-30分钟。
10.根据权利要求5所述的可用于高速机车的环保无铅合金新材料合金管的制备方法，其特征在于，步骤7中的挤压中合金锭加热温度100℃-150℃，挤压温度为300℃，挤压速度为2mm/s。
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