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CN109266901B - 一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法 - Google Patents

一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，该杆/丝材的化学组分是（wt%）：Ni（14.5%～15.5%），Sn（7.5%～8.8%），杂质Mn（0.05%～0.3%），杂质Fe，Zn均不得大于0.5%，其余为Cu。本发明合金杆/丝制备工艺主要为中频无芯感应电炉熔炼及其后续工序。制备工艺流程为：配料→熔炼→铸锭→锻造→轧制退火→酸洗、修磨→多道次拉拔→去氢退火等。该合金杆/丝可应用于化工、机械、电子、航空航天、国防军工、海洋工程、高端制造业等领域。本发明的杆/丝合金元素含量相对较少，易于配料，成本低，且能满足重载抗磨场合下高强度、高耐磨性和耐腐蚀性的技术要求。

Description

一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及Ni含量较高的Cu基高强耐磨合金杆/丝的制备技术。
背景技术
在上个世纪70年代，Schwartz等应用透射电子显微镜（TEM）分析技术，观察到了Cu-Ni-Sn系合金时效过程中的调幅分解现象，这为具有调幅分解现象的材料强化提供了理论依据。随后，Plewes在时效之前对Cu-Ni-Sn系合金施以较大的冷加工变形，从而合金塑韧性增强，获得了较高力学性能的合金。目前，在一些重载抗磨场合，精密仪器仪表及电器工业中主要使用的材料是铍青铜，这种材料组织不是很均匀，所制成的杆/丝材横向和纵向性能差异较大，而且热稳定性不高，高温抗应变能力低下等缺点，现需一种Cu-Ni-Sn系合金逐渐取代铍青铜，该种材料具有高强度、高耐磨性以及优异的抗腐蚀性能，而且在高温下还能保持形态稳定的能力。
近年来随着工业技术的发展，人们对合金杆/丝的性能有了较高要求。目前使用的铍青铜是典型的时效析出强化型合金，具体工艺是在760～830℃保温1～2h，使溶质原子铍充分固溶于铜母体中，形成面心立方晶格α相过饱和固溶体。然后在320～340℃下保温2～3h，脱溶析出形成γ相，与母体共格而强化基体。而铍原子在高温下会形成氧化铍（BeO），大量的氧化铍会附着在毛坯表面，在之后的拉制、机加工和抛光等操作中，细小的颗粒粉尘会悬浮在空气中，造成环境污染，如果操作工人吸入过量，还会造成中毒等。所以需发明一种具有高强度、高耐磨性、高弹性和优良抗腐蚀性能的合金材料取代铍青铜，Cu-Ni-Sn系合金是一种非常具有发展前景的Cu基高强耐磨合金，可代替铍青铜用以制备一些重载抗磨场合，精密仪器仪表及电器工业中的合金杆/丝材。这种杆/丝材的合金元素含量相对较少，易于配料，成本低。
发明内容
本发明的目的是提供一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法。
本发明是一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，其步骤为：
（1）配料；按重量百分比计，其组分为：Ni 14.5%～15.5%，Sn 7.5%～8.8%，杂质Mn0.05%～0.3%，杂质Fe，Zn均不得大于0.5%，其余为Cu；
（2）熔炼；将电解铜和纯镍加入到中频无芯感应电炉中，逐渐升温至原料开始融化时，在炉内通入氮气将空气排出，为了防止熔炼过程中吸收空气，可将木炭覆盖在熔体表面，在1320℃～1380℃熔炼，加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和变质剂，最后进行扒渣处理；
（3）铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼制成φ100mm的铸锭；
（4）锻造；将铸锭放入加热炉中加热至1110℃～1200℃后进行自由锻；
（5）轧制退火；采用步进式加热炉加热，将锻造后的合金坯进行热轧；
（6）酸洗、修磨；用硫酸清洗轧制后的棒材，去除表面的氧化皮和锈蚀物；
（7）多道次拉拔；将棒材进行5～8次的拉拔；
（8）去氢退火；将拉拔后的杆/丝材在520℃～600℃的温度下保温2h～3h，保温结束后随炉冷却。
本发明的有益之处是：该合金杆/丝屈服强度可达630Mpa～750Mpa、抗拉强度可达830Mpa～980Mpa和延伸率可达18%～35%，且杆/丝合金元素含量相对较少，易于配料，成本低。本发明制备的杆/丝材具有良好的导热、导电性，在大气海水中具有良好的耐腐蚀性，还具有高强度、高塑性和优异的耐磨性。适用于如航空航天、国防军工、海洋工程、高端制造业等领域。
具体实施方式
本发明主要通过设计合理的合金成分和制定合理的杆/丝材制备工艺，最终获得一种具有良好力学性能且组织均匀的高Ni含量Cu基合金杆/丝材，可直接在工业生产中使用。
本发明是一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，其步骤为：
（1）配料；按重量百分比计，其组分为：Ni 14.5%～15.5%，Sn 7.5%～8.8%，杂质Mn0.05%～0.3%，杂质Fe，Zn均不得大于0.5%，其余为Cu；
（2）熔炼；将电解铜和纯镍加入到中频无芯感应电炉中，逐渐升温至原料开始融化时，在炉内通入氮气将空气排出，为了防止熔炼过程中吸收空气，可将木炭覆盖在熔体表面，在1320℃～1380℃熔炼，加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和变质剂，最后进行扒渣处理；
（3）铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼制成φ100mm的铸锭；
（4）锻造；将铸锭放入加热炉中加热至1110℃～1200℃后进行自由锻；
（5）轧制退火；采用步进式加热炉加热，将锻造后的合金坯进行热轧；
（6）酸洗、修磨；用硫酸清洗轧制后的棒材，去除表面的氧化皮和锈蚀物；
（7）多道次拉拔；将棒材进行5～8次的拉拔；
（8）去氢退火；将拉拔后的杆/丝材在520℃～600℃的温度下保温2h～3h，保温结束后随炉冷却。
本发明针对在一些重载抗磨场合所需的合金杆/丝的塑性韧性及强度耐磨性不足等问题，旨在提供一种各项力学性能较优的合金杆/丝。且这种杆/丝材合金元素含量相对较少，易于配料，成本低，且能满足重载抗磨场合的高强度、高耐磨性和耐腐蚀性的技术要求。该合金杆/丝可应用于化工、机械、电子、航空航天、国防军工、海洋工程、高端制造业等领域。
以上所述的Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，步骤（2）中，将电解铜和纯镍加入到中频无芯感应电炉中，逐渐升温至原料开始融化时，在炉内通入氮气将空气排出，为了防止熔炼过程中吸收空气，可将木炭覆盖在熔体表面，其覆盖厚度约为10～20毫米，在1320℃～1380℃熔炼时，保温50～75分钟后在1280℃～1320℃加入Sn，保持温度将锡熔化10～15分钟后，加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和变质剂，熔化10～20分钟后进行扒渣。
以上所述的Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，步骤（4）中，将浇注后的合金锭放入加热炉内加热至1110℃～1200℃后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锭锻造成截面尺寸为150mm×150mm的合金坯，把方坯的两端切除。
以上所述的Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，步骤（5）中，采用步进式加热炉加热，将锻造后的合金坯进行热轧，加热到1100℃～1250℃后轧制直径φ12mm的棒材。
以上所述的Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝的制备方法，步骤（7）中，将棒材经6次拉拔，拉拔过程中尺寸变化为：φ12mm—φ10.5mm—φ8mm—φ6mm—φ4.5mm—φ3mm—φ2mm；整个过程逐渐将合金坯拉拔成φ2mm的丝材，每次拉拔的总变形量应低于50%，每次拉拔前杆/丝材都要进行再结晶退火，以恢复材料的塑性，防止由于产生加工硬化效应而将杆/丝拉断。
下面提供一个实施例进一步展开本发明。
本发明的Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝制备方法，该杆/丝材的化学组分是（wt%）：Ni（14.5%～15.5%），Sn（7.5%～8.8%），杂质Mn（0.05%～0.3%），杂质Fe，Zn均不得大于0.5%，其余为Cu。
将15公斤的电解铜和3公斤的纯镍原料投入到中频无芯感应电炉后，逐渐升温至原料开始融化时，在炉内通入氮气将空气排出。为了防止熔炼过程中吸收空气，可将木炭覆盖在熔体表面，其覆盖厚度约为10～20毫米。当温度升至1350℃时保温1h，然后在1300℃时加入1.6公斤的Sn，等待锡熔化10分钟后加入约100g精炼剂（硼砂+玻璃）、100g磷铜中间合金脱氧剂后搅拌，等待完全反应后再加入30g晶粒细化剂和100g变质剂Ti和变质剂Zr，熔化15分钟后进行扒渣。然后进行炉前成分化验，化学成分合格后进入电磁铸造。铸造时将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼制成φ100mm的铸锭。
将浇注后的合金锭放入加热炉内加热到1170℃后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锭锻造成截面尺寸为150mm×150mm的合金坯，把方坯的两端切除。再采用步进式加热炉加热，将锻造后的合金坯进行热轧，加热到1200℃后轧制直径φ12mm的棒材。
将棒材经6次拉拔，拉拔过程中尺寸变化为：φ12mm—φ10.5mm—φ8mm—φ6mm—φ4.5mm—φ3mm—φ2mm。整个过程逐渐将合金坯拉拔成φ2mm的丝材。每次拉拔的总变形量应低于50%，每次拉拔前杆/丝材都要在630℃～680℃下保温1.5-2小时进行再结晶退火，以恢复材料的塑性，防止由于产生加工硬化效应而将杆/丝材拉断。
最终将φ2mm的丝材在600℃下保温3h进行去氢退火。使该丝材具有高强度、高耐磨性以及优异的抗腐蚀性能，这种杆/丝材能较好的适应于重载抗磨场合。

Claims (1)

1.一种Cu15Ni8Sn高强耐磨合金杆/丝制备方法，其特征在于：其步骤为：
（1）配料；该杆/丝的化学组分是wt%：Ni14.5%～15.5%，Sn7.5%～8.8%，杂质Mn0.05%～0.3%，杂质Fe，Zn均不得大于0.5%，其余为Cu；
（2）熔炼；将电解铜和纯镍加入到中频无芯感应电炉中，逐渐升温至原料开始融化时，在炉内通入氮气将空气排出，为了防止熔炼过程中吸收空气，可将木炭覆盖在熔体表面，其覆盖厚度为10～20毫米，在1320℃～1380℃熔炼时，保温50～75分钟后在1280℃～1320℃加入Sn，保持温度将锡熔化10～15分钟后，加入精炼剂、脱氧剂后搅拌，再加入晶粒细化剂和100g变质剂Ti和Zr，熔化10～20分钟后进行扒渣；
（3）铸锭；将脱硫、脱氧和脱磷后的金属液进行精炼制成φ100mm的铸锭；
（4）锻造；将浇注后的合金锭放入加热炉内加热至1110℃～1200℃后进行锻造，终锻温度为950℃，将合金锭锻造成截面尺寸为150mm×150mm的合金坯，把方坯的两端切除；
（5）轧制退火；采用步进式加热炉加热，将锻造后的合金坯进行热轧，加热到1100℃～1250℃后轧制直径φ12mm的棒材；
（6）酸洗、修磨；用硫酸清洗轧制后的棒材，去除表面的氧化皮和锈蚀物；
（7）多道次拉拔；将棒材经6次拉拔，拉拔过程中尺寸变化为：φ12mm—φ10.5mm—φ8mm—φ6mm—φ4.5mm—φ3mm—φ2mm；整个过程逐渐将合金坯拉拔成φ2mm的丝材，每次拉拔的总变形量应低于50%，每次拉拔前杆/丝材都要进行再结晶退火，以恢复材料的塑性，防止由于产生加工硬化效应而将杆/丝拉断；
（8）去氢退火；将拉拔后的杆/丝材在520℃～600℃的温度下保温2h～3h，保温结束后随炉冷却。
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