[发明专利]一种高强耐磨高铅锡青铜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高强耐磨高铅锡青铜材料，由以下百分含量的组分组成：Pb 19～21wt.%，Sn 4.5～5.5wt.%，Zn 1.5～2.5wt.%，P 0.05～0.1wt.%，Ni 2～3wt.%，AlTiC合金0.05～0.2wt.%，B 0.05～0.2wt.%，Y 0.04～0.07wt.%，余量为铜，是将电解铜、铜硼合金和纯镍熔炼至融化，加入2/3含量的磷铜合金进行脱氧除气处理，再加入AlTiC合金、铜钇合金、锌、铅和锡，最后加入剩余1/3的磷铜合金再次脱氧除气处理，加热至1200℃出炉浇注得到。本发明制备的高铅锡青铜合金能够满足高PV(≥100MPa∙m/s)、耐高压、耐应变、耐磨、高强度铸造等苛刻性能要求。

技术领域

本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种铅锡青铜材料及其制备方法。本发明的铅锡青铜材料具有高强、高PV、耐磨、耐高压等力学性能。

背景技术

高铅锡青铜是指含铅量达到10wt.%以上的铅锡青铜合金，作为自润滑材料，是传统铸造工艺常用的减磨材料。由于高铅锡青铜具有高的疲劳强度、导热性、耐磨性以及耐冲击性等优良性能，被广泛应用于轴承、轴瓦、航天泵转子、涡轮和导板等耐磨零件的选材中。

然而，目前的高铅锡青铜作为双金属缸体的使用材料时，在高温、高速、重载条件下不能满足实际工况中高强抗磨的要求，容易出现脱缸、抱缸、黏铜等问题。产生缸体零件失效的原因是铜合金材料的强度不足，组织中铅的比重偏析严重，造成材料的耐磨性能下降。据统计，摩擦磨损给国家造成的经济损失非常巨大，每年约占到国民生产总值的2～8%，而仅磨粒磨损造成的损失就占到国民生产总值的l～4%。

例如，柱塞泵缸体(又称“转子”)是液压机械的重要部件之一，其性能和质量决定了传动效率甚至使用寿命。缸体与柱塞、配流盘是液压泵的两对关键摩擦副，需要由具有减磨、耐磨特性的合金制造。高铅青铜的减磨、耐磨性能以及相对极低的摩擦系数，是其作为耐磨材料用于制造缸体的重要优势和依据，但是在实际生产过程中，还是发现了诸多的缺陷与问题。

其一，自重问题，铜的密度8.9g/cm³，铅的密度11.34g/cm³，两者互不固溶。加入铜基体中的铅量，不仅对合金的组织和结构产生敏感影响，而且二者的密度差异较大且固溶度极低，在熔炼中以单质形式混合，无外界措施干预下，熔液将因比重而分层，不能形成组织成分均匀的熔液，极大地增加整个部件的自重。

其二，柱塞泵的主要失效形式包括磨损、疲劳和老化。

其三，高铅锡青铜的铜基体强、硬度较低，加之铅颗粒分布其中将基体割裂，造成机械性能大幅下降，单独成型会极大影响缸体的承载和抗冲击能力。

随着科技的进步，在高铅锡青铜中添加诸如稀土、Ni、Pb、Fe、Mn、Al、P等合金元素，是提高高铅锡青铜合金性能的主要方法之一。

M. Aksoy(A note on the effect of Pb on the microstructure andmechanical properties of leaded-tin bronze[J]. J. Mater. Process. Tech.,2002, 124(1), 113-119.)和H. Turhan(The effect of manganese on themicrostructure and mechanical properties of leaded-tin bronze[J]. J. Mater.Process. Tech., 2001, 32(14), 207-211.)采用基体合金化的方法，在含铅量较高的轴承材料中添加Fe、Mn、Si、P、S等元素后，Mn₅Si₃、Fe₃S等硬质分散相从基体中析出，提高了材料的耐烧结性能和耐磨性。