一種阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法

專利名稱：一種阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料領域，涉及一種阻尼耐磨銅合金材料，具體涉及一種鋼 絲和碳纖維增強阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法。
背景技術：
在金屬材料領域中，阻尼耐磨銅合金作為低成本耐磨材料一直受到普遍重視。CN200810243568. 0號申請公開了一種黃銅合金冶煉技術，其制備方法具有以下步 驟a.前期準備烘烤金屬表面；b.金屬熔煉在剛玉坩堝中依次加入錳、鈷和鐵，熔化后 向熔液中投加銅、鋅和鋁，熔煉取樣分析出爐得到高強耐磨黃銅，黃銅中加入有鈷，其中銅 的質量含量58 65 %，鐵的質量含量2 8 %，鋅的質量含量20 沈％，錳的質量含量 2 6 %，鋁的質量含量3 9 %，鈷的質量含量為0.03%，能解決現有的黃銅合金不能滿足 作為軸承部件要求的問題，硬度能到達235HB以上，抗拉強度等與780MPa，屈服強度大于 680MPa，延伸率在12%以上，比國家標準有大幅度的提高，可以大大提高軸承的抗擠壓強度 和摩擦性。然而其制備工藝復雜，且所得材料的耐磨性能提高有限。CN200710158225. X號申請公開了一種耐磨性好的銅基多元合金，由銅、鋅、鋁、鎂、 硅、鎳、鉻、鈮和鈰組成，各組份的含量分別為鋅25-30 %，鋁3-5 %，鎂0. 25-0. 5 %，硅 2-3%，鎳0. 5-2%，鉻4-6%，鈮0.08-0. 12%，鈰0.05-0. 15%，其余為銅的含量。其中添加 有稀土元素鈰，使銅基合金的結晶組織變性，解決了以往機器耐磨件耐磨性能差的問題，還 具有硬度高、耐磨性好的特點。以上技術中盡管添加了諸如鈮、鈰、鎳、鈷等特殊元素，但是銅合金耐磨性提高是 有限的。陳一勝等在2007年第3期的上海金屬雜志討論銅阻尼合金的研究和發展現狀。 Cu21015A126Mn, Cu21115A126Mn, Cu211A128Mn 合金在共振頻率為 23· 85-25. 03ΡΗζ、應力振 幅為4. 05-40. 5MPa范圍的內耗GT 1 ( X 1(Τ 2)為3. 981-12. 415。但是材料的耐磨性小。

發明內容
本發明的目的就是針對上述技術缺陷，提供一種阻尼耐磨銅合金材料。本發明的另一目的是提供一種阻尼耐磨銅合金材料的制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的一種阻尼耐磨銅合金材料，該材料以銅合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維； 所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ； 所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 20-40% ；銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為10% 12%，Sn為1% 3 Si為1% 2%, Mn 為 3% 5 Fe 為 0. 04% 0. 06%, Zr 為 0. 05% 0. P/。，其余為 Cu ；鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 55% 0. 75%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為0.25% 0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 400:1。上述基體上還分布有Cu3N、Si3N4化合物顆粒。一種阻尼耐磨銅合金材料的制備方法，它包括以下步驟滲氮鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形，且規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm、成 分為(為0.55% 0.75%，51為0.2% 0.3%，Mn 為 0. 25% 0. ；35%，P<0. 02%, S <0.025%, 其余為狗的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 400:1的T300碳纖維；所述鋼絲和 碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20 40% ；將鋼 絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按常規 化學熱處理的方法在其表面滲氮制備滲氮鋼絲團，所述滲氮層的厚度為50 ΙΟΟμπι; 滲氮鋼絲團粘附碳纖維的制備將滲氮鋼絲團浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為1.3 1. 5 g/cm3，模數為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒 到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲表面；待水玻璃固化后，將粘附碳纖 維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定， 且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待銅合金水澆 注；阻尼耐磨銅合金基體的準備按重量百分含量Al為10% 12%，Sn為1% 3 Si為 1% Mn 為 3% 5 ), Fe 為 0. 04% 0. 06%, Zr 為 0. 05% 0. P/o,其余為 Cu 進行配 料；將阻尼銅合金基體在感應電爐中熔化得到阻尼銅合金水，熔化溫度為1120 1150°C ； 將上述阻尼銅合金水澆入裝有粘附有碳纖維的鋼絲團的鑄型，液態銅合金水進入鋼絲 團間隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼銅合金為基體的其中分布有碳纖 維和鋼絲團的材料。本發明相比現有技術的有益效果如下(1)本發明材料中鋼絲自身具有相當的強度和較高的韌性。因鐵和銅相互之間有一定 的溶解度，因此鋼絲和銅合金很容易結合起來，形成很好的冶金結合。這樣，鋼絲分布在銅 合金中，對材料具有很好的增強增韌作用，同時鋼絲含碳量較高，具有耐磨作用。(2)材料中分布有碳纖維，碳纖維不僅具有減摩作用，而且和鋼絲共同作用，增強 材料的韌性和強度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)銅合金水進入鑄型型腔與滲氮鋼絲接觸后，鋼絲表面的氮熔于銅水形成Cu3N, 銅水中的Si和鋼絲表面的N反應形成少量硬度高的Si3N4的特殊化合物。所形成的這種特 殊化合物彌散分布于基體中，進一步提高了材料的耐磨性。(4)另外，材料中的鋼絲截面為矩形，而且含有細小的碳纖維，因此合金中界面多， 表面積大，該材料具有很好的阻尼減振性能；且鋼絲制成鋼絲團呈球形，利于鋼絲和其上附 著的碳纖維在材料中均勻分布。(5)本發明的合金材料不用貴重稀土元素，材料成本低，制備工藝簡便，生產成本 低，生產的合金材料性能好，而且非常便于工業化生產。本發明的合金性能見表1。

圖1為本發明實施例一制得的鋼絲和碳纖維復合增強阻尼耐磨銅合金材料的金 相組織。圖1可以看到在銅合金與鋼絲結合良好。
具體實施例方式以下各實施例僅用作對本發明的解釋說明，其中的重量百分比均可換成重量g、kg 或其它重量單位。各實施例中所用鋼絲和碳纖維均為市購，滲硼層自制。實施例一阻尼耐磨銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為10%，Sn為1%’ Si為1%，Mn為 3%, Fe 為 0. 04%, Zr 為 0. 05%,其余為 Cu。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.55%，Si為0. ，Mn為0. 25%， Ρ<0· 02%, S<0. 025%,其余為Fe ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為100:1。鋼絲和碳纖維的重量比為瀝1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產的常規方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，并按常規化學熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團，所述滲氮層的 厚度為50 μ m。制備過程如下將滲氮鋼絲團浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃度為1. 3 g/ cm3，模數為2. 6 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒到帶有水玻璃溶液的 鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲的表面；待水玻璃固化后，將若干粘有碳纖維的鋼絲團放 入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定，保證鋼絲團正 好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待銅合金水澆注；將阻尼耐磨銅合金基體在感應電爐中熔化得到阻尼耐磨銅合金水，熔化溫度為 1135 1145°C ；將上述阻尼耐磨銅合金水澆入裝有粘有碳纖維的鋼絲團的鑄型中，液態銅合金水進入 鋼絲團間隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼耐磨銅合金為基體的其中分 布有碳纖維和鋼絲團的材料。實施例二阻尼耐磨銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為12%，Sn為3 Si為1\ Mn為 5%, Fe 為 0. 06%, Zr 為 0. 1%,其余為 Cu。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.75%，Si為0.3%，Mn為0. 35%， Ρ<0· 02%, S<0. 025%,其余為Fe ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為400:1。鋼絲和碳纖維的重量比為30:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 40%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產的常規方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為15cm，并按常規化學熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團，所述滲氮層的 厚度為100 μ m。
制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5 g/cm3，模數為3. 0。實施例三阻尼耐磨銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為11%，Sn為Si為1. 5%, Mn 為 4%, Fe 為 0. 05%, Zr 為 0. 07%,其余為 Cu。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0.6%，Si為0.25 Mn為0.3%，P<0. 02%, S<0. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 3mmX0. 7mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為190:1。鋼絲和碳纖維的重量比為27:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 35%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產的常規方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為13cm，并按常規化學熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團，所述滲氮層的 厚度為70 μ m。制備過程同實施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4 g/cm3，模數為2. 8。對比實施例四阻尼耐磨銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為9%，Sn為0. 5%, Si為0. 5%, Mn 為 Fe 為 0. 06%, Zr 為 0. 1%,其余為 Cu。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 3%，Si為0. 1%, Mn為0. 2%, P<0. 02%, SCO. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為圓形，且半徑為0. 1mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為50:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 10%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產的常規方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，且表面不滲氮。制備過程同實施例一。對比實施例五阻尼耐磨銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為13%，Sn為4%，Si為3%，Mn為 6%, Fe 為 0. 07%, Zr 為 0. 2%,其余為 Cu。鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 8%，Si為0. 4%, Mn為0. 4%, P<0. 02%, S<0. 025%,其余為！^ ；鋼絲的截面為矩形，且規格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T300，直徑為7微米，長徑比為600:1。鋼絲和碳纖維的重量比為25:1，控制鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為 60%。取鋼絲按照清潔球或鋼絲球生產的常規方法形成清潔球形狀的鋼絲團，鋼絲團的 直徑為10cm，并按常規化學熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團，所述滲氮層的 厚度為200 μ m。制備過程同實施例一。產品性能分析由下表可見，本發明材料的銅合金中Al、Sn、Si、Mn、Fe、^ 的含量提高，利于合金強 度提高。但是這些元素過量，不利于合金的韌性。銅合金中^ 的增加，形成化合物的數量增多，但過多會明顯降低材料的韌性。鋼絲截面為矩形便于粘結碳纖維。截面尺寸過小，不利于粘結碳纖維；反之，尺寸 過大，割裂基體傾向增加。碳纖維長徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結。鋼絲和碳纖維體積百分比的增加，利于材料韌性的提高。但是過大，降低了材料的 硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產品5，而且銅合金水不易包圍鋼絲和碳纖維；反之， 鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比太小，則不利于鋼絲和碳纖維作用的發揮。滲氮層的厚度增加，利于銅合金水的合金化；但是厚度過大，氮不易在短時熔入銅 合金水，造成元素的浪費，同時熱處理成本增加；反之，鋼絲表面的滲氮層的厚度太小，鋼絲 硬度降低，并且不利于形成彌散的化合物。表1所得各產品的性能對比
權利要求
1.一種阻尼耐磨銅合金材料，其特征在于該材料以銅合金為基體，在基體中分布 著鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，規格為0. 1 0. 4mmX0. 5 1. 5mm ；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材 料的體積百分比為20-40% ；銅合金基體的化學成分的重量百分含量A1為10% 12%，Sn為1% 3%，Si為1% 2%, Mn 為 3% 5 Fe 為 0. 04% 0. 06%, Zr 為 0. 05% 0. P/。，其余為 Cu ；鋼絲的化學成分的重量百分含量為C為0. 55% 0. 75%，Si為0. 2% 0. 3%, Mn為·0.25% 0. 35%, Ρ<0· 02%, S <0. 025%,其余為 Fe ；碳纖維為Τ300，直徑為7微米，長徑比為100 400:1。
2.根據權利要求1所述的阻尼耐磨銅合金材料，其特征在于所述基體上還分布有 Cu3N, Si3N4化合物顆粒。
3.—種阻尼耐磨銅合金材料的制備方法，其特征在于它包括以下步驟滲氮鋼絲團和碳纖維的準備取截面為矩形，且規格為0. 1 0. 4mmΧ0. 5 1. 5mm、成 分為(為0.55% 0.75%，51為0.2% 0.3%，Mn 為 0. 25% 0. ；35%，P<0. 02%, S <0.025%, 其余為Fe的鋼絲，以及直徑為7微米、長徑比為100 400:1的T300碳纖維；所述鋼絲和 碳纖維的重量比為25 30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20 40% ；將鋼 絲按清潔球生產的常規方法制備清潔球狀的鋼絲團，鋼絲團的直徑為10 15cm，并按常規 化學熱處理的方法在其表面滲氮制備滲氮鋼絲團，所述滲氮層的厚度為50 IOOym ； 滲氮鋼絲團粘附碳纖維的制備將滲氮鋼絲團浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為·1.3 1. 5 g/cm3，模數為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團從水玻璃溶液中取出，然后再將碳纖維揉撒 到帶有水玻璃溶液的鋼絲團上，使碳纖維均勻粘在鋼絲表面；待水玻璃固化后，將粘附碳纖 維的鋼絲團放入鑄型型腔；鋼絲團的松緊程度由鋼絲和碳纖維占材料的體積百分比決定， 且保證鋼絲團正好放滿鑄型；然后將鑄型的上型蓋于下型上，合箱完畢后等待銅合金水澆 注；阻尼耐磨銅合金基體的準備按重量百分含量Al為10% 12%，Sn為1% 3 Si為 1% 2%，Mn為3% 5%，Fe為0. 04% 0. 06%, Zr為0. 05% 0. 1%，其余為Cu進行配 料；將阻尼銅合金基體在感應電爐中熔化得到阻尼銅合金水，熔化溫度為1120 1150°C ； 將上述阻尼銅合金水澆入裝有粘附有碳纖維的鋼絲團的鑄型，液態銅合金水進入鋼絲 團間隙將碳纖維和鋼絲包圍，然后冷卻凝固，形成以阻尼銅合金為基體的其中分布有碳纖 維和鋼絲團的材料。
全文摘要
本發明公開了一種阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法，該材料以銅合金為基體，在基體中分布著鋼絲團和碳纖維；所述鋼絲團直徑為10～15cm，所用鋼絲截面為矩形，規格為0.1～0.4mm×0.5～1.5mm；所述鋼絲和碳纖維的重量比為25～30:1，鋼絲和碳纖維兩者共占材料的體積百分比為20-40%。本發明所得銅合金材料具有較高的韌性和耐磨性，且工藝簡單，生產成本低。
文檔編號C22C47/02GK102051534SQ20111000704
公開日2011年5月11日 申請日期2011年1月14日 優先權日2011年1月14日
發明者張祿, 王玲, 趙浩峰 申請人:南京信息工程大學