CN102400009A

CN102400009A - 一种高强耐磨铝黄铜合金

Info

Publication number: CN102400009A
Application number: CN2011103608890A
Authority: CN
Inventors: 朱权利; 张先满; 汪桂龙; 李晨; 罗良颂
Original assignee: Guangdong Huajin Alloy & Advanced Material Industrial Co Ltd
Current assignee: Guangdong Huajin Alloy & Advanced Material Industrial Co Ltd
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-04-04

Abstract

本发明提供了一种高强度耐磨铝黄铜合金，该铝黄铜合金的具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌22.0～36.0wt％，铝1.5～6.5wt％，铁1.5～5.0wt％，锰1.5～5.0wt％，镍0.2～1.2wt％，铅0.5～3.0wt％，至少一种选自钛、硼、混合稀土中的其他微量元素为0.002～0.5wt％，余量为铜及总量不大于0.1wt％的不可避免的杂质；微量元素选自钛、硼、混合稀土中的至少一种。本发明合金成分设计科学合理，制备的合金具有优良的机械性能、耐磨性能、切削性能及铸造等性能。特别适用于高负荷条件下服役的机械、冶金、轻工、运输等设备中的高强度耐磨零件，如蜗轮、蜗杆、齿轮、轴瓦等。

Description

一种高强耐磨铝黄铜合金

技术领域

本发明涉及一种铝黄铜合金，特别是涉及一种适用于制造高负荷条件下服役的机械、冶金、轻工、运输等设备中的零部件的高强耐磨铝黄铜合金。

背景技术

随着现代工业，特别是汽车、机械等行业的快速发展，用来制造减速机，特别是蜗轮蜗杆减速机的高强度耐磨复杂铜合金材料被广泛应用。目前，蜗轮蜗杆圈通常采用铝青铜(如ZCuAl9Fe4)和锡青铜材料制备，这类材料具有优良的综合性能，不仅强度和硬度高，而且塑性和韧性也较好，甚至在润滑不良或承受冲击载荷条件下，也有比钢铁材料更好的抗磨损和抗冲击能力。但随着铜、镍、锡等原材料价格的爆涨，使得铝青铜、锡青铜市场的利润逐渐降低。另外，铝青铜合金蜗轮虽然力学及耐磨性能好，但机加工困难，特别是滚齿时刀具磨损严重，甚至有崩刀现象；而锡青铜则容易产生缩松，降低了综合性能，这使得铝青铜、锡青铜在减速机行业应用中的性价比不高。

黄铜合金具有良好的力学、减磨、导热、导电性能及冷、热加工性能和价格低廉等特性，已被广泛应用。但该合金的耐磨性较差，在一定程度上制约了其使用。而在黄铜中加入少量的铝、铁、锰、镍、硅、铅和稀土等元素，通过固溶强化、颗粒强化等方式形成的复杂黄铜具有优良的机械性能、耐磨、导热及切削等性能，可取代传统的铝青铜、锰黄铜等，用来制造在重负荷及较高速工作条件下的齿轮或蜗轮等零部件。日本丰田公司最早发明耐磨黄铜，用于汽车同步器齿环，但由于合金元素的加入量过大，使得合金塑性急剧下降；中国发明专利号201010276920.8公布了一种高强度耐磨铝黄铜合金，但该合金加入了较多的较贵金属镍和稀有金属钛等，使得其成本较高。因此，研究开发出价格低廉的高强耐磨铝黄铜铜合金将会产生巨大的社会效益和经济效益。

发明内容

本发明的目的是克服现有铝黄铜的不足之处，提供一种机械性能优异，在行业应用中的性价比相对高的高强耐磨铝黄铜合金。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：

一种高强耐磨铝黄铜合金，其特征在于，该铝黄铜合金的显微组织主要是由α相、β相、均匀细小的Fe₃Al颗粒及小团状富铁颗粒组成，其具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌22.0～36.0wt％，铝1.5～6.5wt％，铁1.5～5.0wt％，锰1.5～5.0wt％，镍0.2～1.2wt％，铅0.5～3.0wt％，其他微量元素为0.002～0.5wt％，余量为铜及总量不大于0.1wt％的不可避免的杂质；所述其他微量元素选自钛、硼、混合稀土中的至少一种。

所述该高强耐磨铝黄铜合金的β相与α相的相对含量比值为0.5～1.5。

与现有铝黄铜相比，本发明具有以下突出的优点：

一、本发明合金成分设计合理，各组分配比之间协调作用，从而使本发明的高强耐磨铝黄铜合金具有优异的机械性能、耐磨性能、切削性能及铸造等性能。

以实施例1获得的铸件为例：

1、室温抗拉强度为612MPa，屈服强度为423Mpa，延伸率为23.8％，布氏硬度在HB158；

2、具有具备良好的减磨能力，即较低的摩擦系数，可以减小工作过程中的摩擦力，从而保证轴或蜗杆的使用寿命；

3、磨损性能为：在润滑条件下，加载20N时，摩擦系数为0.057，加载200～600N时，摩擦系数介于0.14到0.20之间，比ZCuAl9Fe4的摩擦系数(0.15～0.23)低约10％。

二、合金中铜含量相对青铜更低，可节约铜等较贵重金属，显著降低了制品价格，锌的加入，还可降低该合金的材料成本；并且无需制备铜-铁中间合金，无需特殊生产设备，从而降低了生产成本，使其具有明显的市场竞争优势。

三、本发明合金具备良好的机加工性能，在滚齿时可减少刀具磨损；合金铸造性能优良，流动性好，可顺利充满蜗轮铁心的卡口，保证蜗轮在使用过程中不会发生包铜层与轮心的相对滑动。

四、铝是固溶强化的有效元素，可提高黄铜合金的强度、耐磨性及调整β/α的比例。铝在黄铜基体中的固溶度大，其锌当量系数为+6，可大大缩小α相区，进而增大β相的形成趋势。α相塑性好，可韧化材料，从而当裂纹扩展到α相时，可钝化裂纹，抑制裂纹扩展，是耐磨材料适合的软基体；β相质硬，呈脆性，可提高黄铜基体的强度。适当的β/α值，才能获得最佳的耐磨效果。本发明的β相与α相的相对含量比值为0.5～1.5，表现出较高的综合性能。

五、本发明的高强耐磨铝黄铜合金是在较软的基体上分布着细小的硬质颗粒组成的理想的耐磨材料，软的基体有利于减磨，即降低摩擦系数；硬质颗粒有利于抗磨，即减小磨损量。在磨损过程中有部分硬质颗粒从基体表面脱落并存在于摩擦面，产生类似于滚动摩擦的效果。减磨和抗磨共同作用，从而提高了该铝黄铜的耐磨性。故特别适用于高负荷条件下服役的机械、冶金、轻工、运输等设备中的高强度耐磨零部件，如蜗轮、蜗杆、齿轮、轴瓦等。

附图说明

图1为实施例1获得的高强耐磨铝黄铜合金铸件的金相组织图

图2为实施例1获得的高强耐磨铝黄铜合金铸件的在载荷为20N时的磨损表面形貌图

图3为实施例1获得的高强耐磨铝黄铜合金铸件的在载荷为500N时的磨损表面形貌图

具体实施方式

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。

实施例1

步骤一：配料

步骤二：熔炼及浇注

采用木炭覆盖保护，在中频感应电炉中熔炼，1030℃采用金属模浇注，金属模预热温度为100℃，浇注温度为1030℃。

实施例1铸件经金属分析仪定量检测分析结果为：Zn为24.97wt％，Al为2.79wt％，Fe为2.48wt％，Mn为1.99wt％，Ni为0.5wt％，Pb为0.5wt％，RE为0.05wt％，余量为Cu及不可避免的微量杂质。

在实施例1的铸件上取样，并在微机控制万能材料试验机上依据国家标准GB/T228-2002《金属拉伸试验方法》进行室温力性能检测，结果如表1所示。制备金相试样，进行显微组织观察，结果如图1所示，主要是由亮白色的α相、暗灰色的β相、均匀细小的Fe₃Al颗粒及小团状富铁颗粒组成，且β/α约为0.7。

表1实施例1合金的室温力学性能

利用微动磨损实验机，对摩副材料为实验机配备的GCr15钢球，以点接触的形式，涂抹20#机油润滑，在不同载荷下进行摩擦磨损性能测试。采用表面形貌仪测量磨痕轮廓，然后求磨损体积的方法进行磨损量的测定。结果发现，在有润滑条件下，该合金从低载荷到高载荷的磨损，经过了表面疲劳磨损+轻微磨粒磨损→表面疲劳磨损+粘着磨损→粘着磨损+表面氧化→粘着磨损+磨屑被碾碎等过程。加载20N时试样磨损表面形貌如图2所示，可看出在磨损表面产生了很多麻点和梨沟，表现出表面疲劳磨损；加载为500N时试样磨损表面形貌如图3所示，可看到磨损表面有大量的粘着屑，说明在此载荷下，有大量的润滑油膜破裂，产生了严重的粘着现象，对这些大块状粘着屑进行能谱测试发现，其粘着屑含有大量的O、C、Zn元素，表面，在500N载荷下，实施例1同时表现出粘着磨损和表面氧化。

摩擦系数与ZCuAl9Fe4相比，发现，在有润滑的摩擦条件下，这两种材料的摩擦系数都有一定的波动，当载荷为20N时，实施例1试样的摩擦系数为0.057，而ZCuAl9Fe4的摩擦系数为0.106；当载荷为200～600N时，实施例1试样的摩擦系数介于0.14到0.20之间，比ZCuAl9Fe4的摩擦系数(0.15～0.23)低约10％。

采用3D形貌仪测量磨斑大小。根据检测结果，得出不同载荷下的磨损量，并与ZCuAl9Fe4相比，发现，在相同载荷下，ZCuAl9Fe4的磨损量较大。在载荷为200N时，实施例1的磨损量为163×10^-3mm³，ZCuAl9Fe4的磨损量为175×10^-3mm³，载荷为600N时，实施例1的磨损量为466×10^-3mm³，ZCuAl9Fe4的磨损量为577×10^-3mm³。

在制备蜗轮实际应用中，加工性能良好，在生产加工过程中无损坏刀具的硬质点。

实施例2

步骤一：配料

步骤二：熔炼及浇注

采用木炭覆盖保护，在中频感应电炉中熔炼，采用金属模进行浇注，金属模预热温度为120℃，浇注温度为1050℃。

实施例2铸件经金属分析仪定量检测分析结果为：Zn为29.9wt％，Al为1.6wt％，Fe为4.59wt％，Mn为4.48wt％，Ni为0.18wt％，Pb为2.99wt％，RE为0.01wt％，Ti为0.01wt％，B为0.002wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。参照实施例1的组织、性能检测过程，结果发现，实施例2获得的合金的显微组织与实施例1相似，但β/α约为1.0，抗拉强度为554MPa，延伸率为14.6％，布氏硬度为HB142，在制备蜗轮实际应用中，加工性能良好，在生产加工过程中无损坏刀具的硬质点。

实施例3

步骤二：熔炼及浇注

采用木炭覆盖保护，在中频感应电炉中熔炼，采用金属模进行浇注，金属模预热温度为140℃，浇注温度为1040℃。

实施例3铸件经金属分析仪定量检测分析结果为：Zn为34.9wt％，Al为6.0wt％，Fe为1.79wt％，Mn为1.69wt％，Ni为1.0wt％，Pb为1.49wt％，RE为0.1wt％，Ti为0.1wt％，B为0.02wt％，余量为Cu及不可避免的杂质。参照实施例1的组织、性能检测过程，结果发现，实施例3获得的合金的显微组织与实施例1相似，但β/α约为1.4，抗拉强度为650MPa，延伸率为15.2％，布氏硬度为HB170，耐磨性能与实施例1相当。在制备蜗轮实际应用中，加工性能良好，在生产加工过程中无损坏刀具的硬质点。

Claims

1.一种高强耐磨铝黄铜合金，其特征在于，该铝黄铜合金的显微组织主要是由α相、β相、均匀细小的Fe₃Al颗粒及小团状富铁颗粒组成，其具体组分及其按重量百分比含量分别为：锌22.0～36.0wt％，铝1.5～6.5wt％，铁1.5～5.0wt％，锰1.5～5.0wt％，镍0.2～1.2wt％，铅0.5～3.0wt％，其他微量元素为0.002～0.5wt％，余量为铜及总量不大于0.1wt％的不可避免的杂质；所述其他微量元素选自钛、硼、混合稀土中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铝黄铜合金，其特征在于，所述该高强耐磨铝黄铜合金的β相与α相的相对含量比值为0.5～1.5。