专利名称：一种高强耐磨黄铜管材的制备方法
技术领域：
本发明涉及有色金属加工技术领域，特别是一种高强耐磨黄铜管材的制备方法。
背景技术：
黄铜是铜合金中最重要的合金品种，以其成本低，性能好而被广泛用于国民经济的各个领域。
目前，在汽车的同步变速齿环及齿环管材料的选用是以α相和α+β相为基的单相或双相黄铜合金，其生产方法采用离心铸造或水平连铸或锻造为主，其生产出的黄铜合金管材，用于制造汽车的同步变速齿环时，其最高换档寿命不超过7～8万次；究其原因采用离心铸造或水平连铸或锻造为主的铸造产品，由于铸造中凝固结晶过程产生的不均匀性造成铸造组织中各耐磨相的分布不均匀，因而导致材料的不均匀性磨损，从而降低了该材料制造的产品的耐磨性差，直接影响到汽车的同步变速齿环的使用寿命。
目前，我们国内汽车产销规模早已突破400万辆大关，汽车同步器齿环管材的总体市场规模在万吨以上，高强耐磨黄铜作为汽车同步变速齿环专用合金，目前尚无其它经济新材料可以替代。
申请号为02119486的《多组元耐磨黄铜合金及其管材成形方法》是一种采用立式连续铸造的方法拉铸，其仍然是采用铸造方法，没有克服由于铸造中凝固结晶过程产生的不均匀性造成铸造组织中各耐磨相的分布不均匀的问题。
发明内容
为了克服由于铸造中凝固结晶过程产生的不均匀性造成铸造组织中各耐磨相的分布不均匀的问题，本发明的目的是提供一种高强耐磨黄铜管材的制备方法，特别是应用于重载、高速液压转子、滑履、自润滑轴承、精密锻件，例如汽车的同步变速齿环及齿环管的黄铜合金材料，以适应快速发展的汽车工业需要，提高产品质量。
本发明采用如下技术方案，实现上述发明目的所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，基于一种以β相为基的单相高强耐磨黄铜管材的基体材料，以Cu-Zn合金为基，通过能形成耐磨相的合金元素如Fe0.5-1.3、Ni2.5-4.0、Mn0.5-0.8、Co1.5-2.0、Si0.5-1.5、AI3.5-4.5、Cr0.1～0.25、Zn27-32，余量为Cu的多元少量合金元素，构成复杂的5～9元合金体系；再以热加工为主的热挤制变形工艺，变形程度最大可达95％以上的热挤制加工，生产高强耐磨黄铜管材。
所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，首先按配比称重合金材料，分别先后投入具有熔体搅拌功能强、功率因数高的工频有芯感应电炉进行熔炼；铸造采用1300～1400℃的非直接水冷的红锭铸造；引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3秒停4秒的工艺步骤；并采用烤红烟灰作为润滑剂；铸造速度1.5～4.5m/h，水压0.02～0.1MPa，结晶器规格为Φ245×300～450mm采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热；采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针的预热温度200-350℃，合金挤制温度500～800℃，合金的相变温度550～700℃，挤制流变速度0.5～2.2m/s，挤制后的冷却制度可根据合金相变温度的高低来决定采用强冷却水环，增加冷却强度可以减少合金冷却时在相变温度以下的停留时间，达到提高合金性能的保障；其中强冷却水环的冷却水压控制在0.02～0.06MPa，达到亚淬火状态的冷却速度；矫直是采用挤制后趁热立即对挤制的管材进行热矫直；采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度300～350℃，回火时间1-2小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；采用带锯或慢速锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。
所述的高强耐磨黄铜管的制备方法，挤制后的冷却工艺可根据合金相变温度的高低来决定采用风冷方式，风冷采用吹风对挤制管材进行强冷却。
本发明由于采用如上技术方案，其具有如下优越性该高强耐磨黄铜管材的制备方法，是以Cu-Zn合金为基，通过能形成耐磨相的多元少量合金元素，构成复杂的5～9元合金体系。根据这些具有强烈化合作用的合金元素，在高温下几乎不与基体合金元素Cu、Zn起反应，但它们之间却存在强烈的化合倾向，可以分别形成FeAI3、Mn5Si3、Ni2Si、Co2Si、Cr-Si、Fe3Si、Ni-Ti高硬度金属化合物特点，能在基体上形成成分复杂、硬度极高的耐磨相。在所有变形方法中热挤制的变形程度最大，可达95％以上，大加工率可以改善合金组织中耐磨相分布。采用热挤制加工工艺方法来达到提高汽车同步变速齿环的耐磨性能。
该高强耐磨黄铜管材的制备方法，工艺流程短、附加值高、几何形状及表面质量好的热挤制加工。高强耐磨黄铜不但对合金基体的强度、韧性有较高的要求，而且要求在基体上必须均匀、稳定地分布有硬度极高的耐磨相；在硬度极高的耐磨相和硬度相对较低的基体间形成良好的耐磨机制，同时也有利于在摩擦时建立稳定的润滑层，使材料在高速、重载的恶劣条件下能有效抵抗载荷的冲击和剧烈的磨损作用，具有良好的高强、耐磨性能。例如主要用于汽车同步变速齿环的高强耐磨黄铜管材经过挤制加工，可大大超过标准规定的10万次的换档寿命。
该高强耐磨黄铜管材的制备方法，能够使汽车同步变速齿环的管材性能达到Rp0.2≥470MPa、A≥4～12％、Rm≥539～635、导热率W/Kcm 20～100℃ 0.484～0.84、偏心率≤7％、弯曲度＜5mm/M、管材内外径尺寸偏差为标称直径的±0.5％。
图面说明
图1高强耐磨黄铜管的制备工艺流程图。
具体实施例方式
一以制作LW6801同步变速齿环管材Φ68×8.5mm为例外径偏差±0.5mm，内径偏差±0.4mm，偏心度＜7％。
按材料成分配比分别称重Fe0.5、Ni3.0、Mn0.6、Co1.5、Si0.8、AI3.5、Zn27，余量为Cu的多元少量合金元素，将金属先后投入工频有芯感应电炉进行熔炼，铸造采用1300℃的非直接水冷的红锭铸造，引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3秒停4秒的工艺步骤，并采用烤红烟灰作为润滑剂，铸造速度1.5m/h，水压0.02MPa，结晶器规格为Φ245×300mm。铸锭加热采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热。挤制采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针的预热温度200℃，合金热挤制温度500℃，合金的相变温度550℃，挤制流变速度0.5m/s，挤制后的冷却制度根据其合金相变温度低的特性采用风冷进行；矫直矫直是采用挤制后趁热对挤制的管材立即进行热矫直；回火采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度300℃，回火时间1小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；锯切采用带锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。经检测材料性能达到Rp0.2≥470MPa、Rm≥635MPa、A≥4％、导热率W/Kcm(20～100℃)0.84、HB2.5/62.5≥197，外径及内径偏差和偏心率均达到合同要求。
具体实施例方式二以制作LW6701同步变速齿环管材Φ73.5×8.75mm，外径偏差±0.5mm，内径偏差±0.4mm，偏心度＜7％。
首先按材料成分分别称重Cu 60、Mn 2.5、AI 2.0、Si 0.8、Cr 0.2、Ni0.3，余量为Zn，将金属先后投入工频有芯感应电炉进行熔炼，铸造采用1400℃的非直接水冷的红锭铸造，引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3(秒)停4(秒)的工艺制度，并采用烤红烟灰作为润滑剂，铸造速度4.5m/h，水压0.1MPa，结晶器规格为Φ245×450mm。铸锭加热采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热。挤制采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针的预热温度，350℃，合金热挤制温度800℃，合金的相变温度700℃，挤制流变速度2.2m/s，挤制管材后根据其合金相变温度高的特性采用前强冷却水环进行，其中冷却水压为0.1MPa，达到亚淬火状态的冷却速度；矫直矫直采用挤制后趁热立即对挤制的管材进行热矫直；回火采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度350℃，回火时间2小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；锯切采用慢速锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。经检测材料性能达到Rp0.2≥470MPa、Rm≥537MPa、A≥12％、导热率W/Kcm(20～100℃)0.484、RHB≥85，外径及内径偏差和偏心率均达到合同要求。
权利要求
1.一种高强耐磨黄铜管材的制备方法，基于一种以β相为基的单相新型高强耐磨黄铜基体材料，其特征在于所述的黄铜管材的制备方法，以Cu-Zn合金为基，通过能形成耐磨相的合金元素Fe、Ni、Mn、Co、Si、AI、Cr、Zn，余量为Cu的多元少量合金元素，构成复杂的5～9元合金体系；采用以热加工为主的热挤制变形工艺，变形程度最大可达95％以上的热挤制加工，生产黄铜管材。
2.如权利要求1所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，其特征在于所述的黄铜管的制备方法，首先按配比称重合金材料，分别先后投入具有熔体搅拌功能强、功率因数高的工频有芯感应电炉进行熔炼；铸造采用1300～1400℃的非直接水冷的红锭铸造；引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3秒停4秒的工艺步骤；并采用烤红烟灰作为润滑剂；铸造速度1.5～4.5m/h，水压0.02～0.1MPa，结晶器规格为Φ245×300～450mm；采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热；采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针预热温度200-350℃；合金挤制温度500～800℃，合金的相变温度550～700℃，挤制流变速度0.5～2.2m/s，挤制后的冷却制度可根据合金相变温度的高低来决定采用强冷却水环；其中强冷却水环的冷却水压控制在0.02～0.06MPa，达到亚淬火状态的冷却速度；矫直是采用挤制后趁热立即对挤制的管材进行热矫直；采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度300～350℃，回火时间1-2小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；采用带锯或慢速锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。
3.如权利要求1所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，其特征在于所述的黄铜管材的制备方法，挤制后的冷却制度可根据合金相变温度的高低来决定采用风冷方式，风冷采用吹风对挤制管材进行强冷却。
4.如权利要求1所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，其特征在于所述的黄铜管的制备方法，以制作LW6801同步变速齿环管材68×8.5mm，外径偏差±0.5mm，内径偏差±0.4mm，偏心度＜7％，按材料成分配比分别称重Cu、AI、Ni、Fe、Si、Co、Zn金属先后投入工频有芯感应电炉进行熔炼，铸造采用1300℃的非直接水冷的红锭铸造，引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3秒停4秒的工艺步骤，并采用烤红烟灰作为润滑剂，铸造速度1.5m/h，水压0.02MPa，结晶器规格为Φ245×300mm。铸锭加热采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热，挤制；采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针预热温度200℃，合金热挤制温度500℃，合金的相变温度550℃，挤制流变速度0.5m/s，挤制后的冷却制度根据其合金相变温度低的特性采用风冷进行；矫直矫直是采用挤制后趁热对挤制的管材立即进行热矫直；回火采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度300℃，回火时间1小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；锯切采用带锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。
5.如权利要求1所述的高强耐磨黄铜管材的制备方法，其特征在于所述的黄铜管的制备方法，以制作LW6701同步变速齿环管材Φ73.5×8.75mm，外径偏差±0.5mm，内径偏差±0.4mm，偏心度＜7％，首先按材料成分分别称重Cu、Mn、AI、Si、Cr、Ni、Zn金属先后投入工频有芯感应电炉进行熔炼，铸造采用1400℃的非直接水冷的红锭铸造，引锭方式采用有利于结晶器内液体凝壳的拉3秒停4秒的工艺制度，并采用烤红烟灰作为润滑剂，铸造速度4.5m/h，水压0.1MPa，结晶器规格为Φ245×450mm。铸锭加热采用利于铸锭快速升温的电阻加热炉加热。挤制采用油压机及配套合理的穿孔针对加热的铸锭进行管材挤制，穿孔针预热温度350℃，合金热挤制温度800，合金的相变温度700℃，挤制流变速度2.2m/s，挤制管材后根据其合金相变温度高的特性采用强冷却水环进行，其中冷却水压为0.1MPa，达到亚淬火状态的冷却速度；矫直矫直采用挤制后趁热立即对挤制的管材进行热矫直；回火采用退火炉对矫直的管材进行回火处理，回火温度350℃，回火时间2小时，消除内应力，改善合金α相分布状态及形状；锯切采用慢速锯按尺寸要求对管材进行头尾锯切。
全文摘要
一种高强度耐磨性好的黄铜管的制备方法，基于一种以β相为基的单相新型高强耐磨黄铜基体材料，其采用以热加工为主的热挤制变形，变形程度最大可达95％以上的热挤制加工；以Cu－Zn合金为基，通过能形成耐磨相的合金元素如Fe、Ni、Mn、Co、Ti、Cr、Si、Al多元少量合金元素，构成复杂的5～9元合金体系；根据这些具有强烈化合作用的合金元素，在高温下几乎不与基体合金元素Cu、Zn起反应，但它们之间却存在强烈的化合倾向，可以分别形成FeAI
文档编号C22C9/04GK1710127SQ20051008032
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月4日 优先权日2005年7月4日
发明者李宏磊, 余晓刚, 黄自欣, 郭素梅, 王涛, 黄亚飞, 苗国伟, 郭慧稳, 张颜, 黄国兴, 温政, 王庆彦, 薛建生, 孙飞涛, 王进, 王刚彦 申请人:洛阳铜加工集团有限责任公司