[发明专利]一种高强耐压铸造铜合金

说明书

技术领域

本发明属于有色金属领域，特别涉及一种高强耐压铸造铜合金。

背景技术

锡青铜主要用作铸造合金，具有高的强度和延伸率，较好的耐磨性和抗腐蚀性能，广泛应用于轴承、泵体及叶轮、螺旋浆、阀门、密封圈、齿轮、汽车同步器齿环等部件。锡青铜的主要合金元素是锡，其原子半径大于铜的原子半径约10％，在铜中的固溶度较小，常温下只有约1.3％，但在798℃时可以达到最大固溶度25.5％。在一般的铸造条件下，锡含量小于7％时锡青铜为单相的α组织，随着锡含量的提高，合金的强度提高，塑性较好，可以进行冷加工，但当锡含量超过7％时，由于硬脆性相δ(Cu₃₁Sn₈)的析出，室温度组织为α+共析体(α+δ)，强度和硬度更高，但塑性显著下降，因而只能进行铸造成形而难以进行冷加工。由于α相和δ相的电极电位相近，且锡氧化后能生成致密的SnO₂氧化薄膜，所以锡青铜在大气、淡水、海水及高压过热蒸汽中的耐蚀性能比纯铜和黄铜更好，但耐酸类腐蚀的能力较差。由于凝固收缩率小，流动性能好，锡青铜适合于制造厚薄不均形状复杂的铸件。锌的加入可提高锡青铜的铸造稳定性，锌在铜中的最大固溶度可以达到38％(902℃时)，而在常温时也可以达到35％。但锡青铜一般具有较大的固液两相区，形成缩孔和疏松的倾向比较大，造成铸造件耐压性能不高。提高耐压性能的措施主要有两个方面：一提高材料的抗拉强度，二是提高材料的铸造组织致密度，即最大程度地消除或减小铸造组织的显微疏松和缩孔缺陷。我国目前所使用的ZCuSn10Zn2锡青铜，耐蚀性、耐磨性和切削加工性能好，铸造性能好，铸件致密性较高，气密性较好，但由于ZCuSn10Zn2锡青铜具有模糊状凝固特性，其结晶温度范围大，凝固区域宽，特别是当冷却速度较慢时，α树枝状晶体几乎在整个铸件中同时结晶，交错分布，生长很快且枝晶粗大，并具有很大疏松倾向，易产生显微缩孔，导致气密性和耐压性能偏低；同时由于宏观偏析等原因造成强度偏低，如表1所示，铸件一般只适合在中等负荷和小滑动速度下工作的管配件，以及阀、旋塞、泵体、齿轮、叶轮和蜗轮等。

表1 ZCuSn10Zn2力学性能

发明内容

本发明目的是通过有益元素的添加开发出一种高强耐压铜合金，在不影响合金收缩率和流动性并保持延伸率不变的基础上，使抗拉强度显著提高，组织细小致密。

①一种高强耐压铸造铜合金，其特征是在国标GB1176-1987铸造铜合金技术条件所规定的ZCuSn10Zn2合金化学成份的基础上添加铁和钴，其它合金元素的含量不变，见表2。

表2高强耐压铸造铜合金的化学成份(质量百分比)

②熔炼及浇铸工艺

普通感应炉熔炼：

升温之前将电解铜(可以有一定比例的回炉料)和锡先加入炉内，加覆盖剂(如锻烧木炭、炭黑、石墨粉等)后升温，升温到1200～1250℃后加入铁、钴，在1200～1250℃保温半个小时，然后加入锌，10～15分钟后扒渣浇铸，浇铸温度为1150～1200℃。

真空感应炉熔炼：

将电解铜(可以有一定比例的回炉料)和锡先加入炉内，可不用覆盖剂，抽真空到约5～10Pa，开始升温，升温到1200～1250℃后加入铁、钴，在1200～1250℃保温半个小时后充保护性气体(如氩气)，使真空度达到约0.06MPa，然后加入锌，然后在1200-1250℃保温10～15分钟后浇铸，浇铸温度为1150～1200℃。

本发明优点

①晶粒组织细化

与没有加入铁和钴的ZCuSn10Zn2锡青铜的铸态组织发达枝晶组织相比，本发明铜合金的晶粒明显细化(见图)，平均晶粒尺寸约40～100μm。细小等轴晶粒组织有利于提高材料的强度，获得良好的塑性，同时有利于提高合金的致密性，提高合金的耐压性能。

②抗拉强度显著提高，延伸率基本保持不变

一方面晶粒得到了较大程度的细化，另一方面是因为铁和钴在晶内的弥散析出强化作用(见图中黑色点状物)，从而使得所开发的高强耐压铸造铜合金与ZCuSn10Zn2锡青铜相比强度得到显著的提高，抗拉强度达到400～460MPa，屈服强度达到200～350MPa，而延伸率基本保持不变为6～25％。