[发明专利]一种耐磨铜镍锡合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种耐磨铜镍锡合金，所述铜镍锡合金的组分及其质量百分比含量为：Ni 15％，Sn 8％，P 0.1％‑0.3％，Al 0.4％‑1.2％或Si 0.3％‑0.5％，Ti或Zr 0.3％，其余为Cu和不可避免的杂质。其制备方法是：首先配料，随后采用非真空熔炼炉熔炼，采用水冷铜模铸造，并配合超声辅助铸造的方法细化铸锭晶粒，得到晶粒尺寸50‑100um的超细晶铸锭。然后进行均匀化热处理和热挤压工艺，充分固溶，最后冷拉拔后时效处理。本发明的耐磨铜镍锡合金具有优良的耐磨性能，与普通的三元Cu‑15Ni‑8Sn合金相比，该合金在冷加工时更不易开裂，有效解决了后续冷加工过程的开裂问题，可用于航空、石油钻井等重载轴承材料。

技术领域

本发明属于铜合金材料领域，具体涉及一种耐磨铜镍锡合金及其制备方法。

背景技术

高强、耐磨、高耐蚀铜合金是航空领域下一代耐磨材料的发展方向。Cu-Ni-Sn系合金是一种既具有高强度、耐磨、高弹性又具有耐蚀性能的铜合金材料，特别是Cu-15Ni-8Sn合金的强度最高可达1350MPa以上，在含油腐蚀环境以及高负载条件下的耐磨性能优异。其具有高强度、优良的耐磨性和自润滑减磨等特性，特别是其抗高温应力松弛能力强。该合金在硬度较高的同时还能保持非常好的塑性，热稳定性也很好，能在300℃的工作条件下保持常温下90％的强度，因此可以用作高压、高温条件下工作的器件。Cu-15Ni-8Sn合金能在保持高强度的条件下能维持较低的摩擦系数，表现出优异的耐磨性能。在大型喷气式飞机中，由于该合金特别适合应用于高载、低速的场合，尤其是存在冲击载荷和瞬时的高应力时，Cu-15Ni-8Sn合金制备的衬套具有比传统青铜具有更优异的性能，因此国外已经应用该合金制备起落架衬套，以满足衬套瞬时的高应力、局部高温、润滑、振动和复杂的受力条件。Cu-15Ni-8Sn合金在航空重载轴承的应用方面有着巨大的优势。航空重载轴承需要抵抗很大的径向载荷及随之增加的摩擦力，对材料的强度和韧性提出了更高的要求。具备更高的强度和塑性、更好的耐磨性和耐蚀性的Cu-15Ni-8Sn深受关注。因此Cu-15Ni-8Sn系合金有望用于制造航空用高负载、高速和高腐蚀条件下使用的轴承及其它耐磨部件。

目前国外Cu-Ni-Sn系合金的研究已经比较成熟，相关基础研究较为完善，并且有产品推出，美国Materion公司生产了占全球总量80％的Cu-Ni-Sn合金，其次是日本NGK在进行GMX96和GMX215系列合金的批量生产。然而Cu-Ni-Sn合金在生产过程中存在Sn元素在材料中反偏析的问题，导致材料成分和性能不均匀。并且后期加工过程中残余应力大，易引起材料冷加工成形过程开裂。以至于国内暂未实现Cu-Ni-Sn系合金产业化生产。因此，当前国内外专利聚焦于在主成分Cu-15Ni-8Sn的基础上添加少量合金元素以达到细化铸锭晶粒，提升最终材料性能的目的。部分专利聚焦于通过改善制备工艺，最终值得性能达到的材料。例如，专利US5089057A中在主成分基础上添加0.15％-0.3％的Si元素能获得细小等轴晶，提升合金的冷热加工性能，并提升合金屈服强度。专利US4406712A中加入Nb，V，Mo，Ta，Fe，Zn，Mn，Zr，Cr，Mg等，抑制了Sn元素偏析，提升了合金最终强度。专利US4130421A通过添加Te，Se，Pb，MnS等，改善了合金切削性能。专利CN108060326B通过添加Mn，Fe等，其中Mn元素能够延缓合金时效过程，显著提高合金的硬化效果和在酸中的耐腐蚀性。Fe元素元素能完全固溶到该合金基体中，产生固溶强化，微量Fe的加入，能够加速合金的形变热处理的过程，提高强化效果。专利CN201810522101通过添加Mg，Ce等，其中Mg元素能固溶在铜合金基体中，能够有效阻碍位错的运动，提高合金的强度以及高温抗软化的性能。Ce元素能够净化合金熔体，细化组态组织，改善合金冷热加工性能，提高电学性能和强度。专利CN201610381158通过电磁铸造法搅拌熔体，细化晶粒，最终制备得到化学成分的铸锭。专利CN110066942A通过粉末冶金法抑制了Sn元素偏析，最终得到高强高韧高导电铜镍锡合金。