一种耐磨铜合金材料及其铸造方法与流程

本发明涉及铜合金材料，特别涉及一种耐磨铜合金材料及其铸造方法。

背景技术：

1、耐磨铜合金是一类以铜为基体、通过添加锡、铅、铝等合金元素形成的具有优异抗磨损性能的有色金属材料，广泛应用于轴承、轴套、衬套等承受较大应力和摩擦的机械零部件中。

2、为进一步提升铜合金的耐磨特性，研究者尝试在铜合金材料配方中添加石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料，利用碳材料的减摩特性，提升铜合金复合材料的耐磨性能，延长铜合金的服役寿命。

3、但是，含碳材料的耐磨铜合金仍然存在以下缺陷：碳材料与铜基体之间的界面润湿性差。碳与铜两相在高温下既不润湿也不发生化学反应，界面仅为物理结合的机械互锁，结合强度低；同时碳材料（如碳纳米管、石墨烯）因比表面积大、范德华力强，在铜基体中极易发生团聚而难以均匀分散，导致碳材料无法在铜基体中充分发挥其作用，使合金耐磨性能和力学性能难以达到预期水平，严重制约了含碳耐磨铜合金材料在重载、高速等严苛工况下的服役可靠性和使用寿命。

4、因此，含碳耐磨铜合金材料中碳与铜界面的良好结合、碳在铜基体中的均匀分散是目前仍需攻克的重点技术之一。

技术实现思路

1、本发明提供一种耐磨铜合金材料及其铸造方法，可以解决现有技术中含碳铜合金中碳材料和铜的界面结合力低的技术问题。

2、本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案实现：

3、一种耐磨铜合金材料，按质量百分数计，包括以下组分：

4、锌：20-26%、铝：3.5-4.5%、铁：1.0-3.0%、锰：1.5-3.5%、改性石墨：0.5-2.0%、氮化锆：0.2-1.0%，以及余量为cu，各组分质量百分比之和为100%；

5、所述改性石墨是在石墨表面生长钛掺杂碳化硅层。

6、本技术的发明人从合金基体成分研究入手，铜锌合金（黄铜）具有良好的力学性能和加工性能，适量锌既保证强度又兼顾塑性。铝的加入能够形成硬质强化相，显著提高合金的强度、耐磨和硬度；铁和锰的复合添加能够形成弥散相，起到弥散强化作用，细化晶粒，提高合金的耐磨性能。

7、在此基础上，本发明引入改性石墨和氮化锆两种增强相，二者之间具有协同效应。改性石墨是在石墨表面生长出钛掺杂碳化硅（ti-sic）层。常规方法中直接加入石墨，石墨在铜基体中容易团聚，且一般石墨的加入均采用粉末冶金烧结法，直接熔铸工艺中石墨在高温下容易氧化，石墨增强耐磨的效果降低。本发明在石墨表面原位生长碳化硅层，对石墨形成保护层，与石墨之间形成牢固的界面结合，而钛掺杂进一步提高了碳化硅层与铜基体的亲和性。碳化硅本身是一种高硬度、高耐磨性的陶瓷材料，石墨表面生长的钛掺杂碳化硅层一方面可改善石墨与铜基体之间的界面润湿性，另一方面钛掺杂碳化硅层本身也提供了耐磨性。石墨表面生长钛掺杂碳化硅层可增加表面粗糙度，可合金基体通过机械咬合促进与铜合金基体的结合，与此同时，钛元素在高温下能够与铜基体中的铜发生界面反应，形成ti-cu金属间化合物薄层，从而实现改性石墨与铜基体的冶金结合，从根本上解决了石墨与铜基体界面结合力低的技术难题。然而石墨本身的硬度较低，考虑到合金的综合性能，本发明在引入改性石墨的同时，加入氮化锆，氮化锆是一种难熔硬质化合物，具有高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性和耐高温性能。氮化锆与改性石墨二者之间形成以下协同效应：其一，改性石墨表面的钛掺杂碳化硅与氮化锆之间具有相近的晶体结构和热膨胀系数，有利于在铜基体中形成连续、稳定的增强相网络；其二，改性石墨提供润滑减摩功能，降低摩擦系数，而氮化锆提供硬质承载功能，抵抗磨粒磨损和粘着磨损，二者功能互补，实现双重机制的耐磨增强；其三，钛掺杂碳化硅层中的钛元素与氮化锆中的锆元素在高温制备过程中能够形成ti-zr固溶体过渡区，进一步增强界面结合力。

8、进一步地，所述改性石墨的制备步骤如下：

9、s1、将石墨浸入含钛聚碳硅烷二甲苯溶液中，抽真空，加压浸渍，持续浸渍20-40min；

10、s2、浸渍后过滤取出石墨，置于管式炉中，氩气气氛下升温至1100-1200℃，恒温1-1.5h；冷却后得到改性石墨。

11、进一步地，所述含钛聚碳硅烷二甲苯溶液中含钛聚碳硅烷的质量分数为10-30%。

12、进一步地，所述加压浸渍的压力为0.1-0.3mpa。

13、进一步地，所述含钛聚碳硅烷的制备步骤如下：

14、将钛酸四丁酯和液态聚碳硅烷溶于二甲苯中，氮气气氛下升温至200-220℃，保温3-6h，冷却后真空抽滤去除杂质，减压蒸馏去除溶剂，冷却得到含钛聚碳硅烷。

15、进一步地，所述钛酸四丁酯和液态聚碳硅烷的质量比为2-10：100。

16、进一步地，所述氮化锆和改性石墨的质量比为1：1.5-2.5。

17、本发明还提供一种耐磨铜合金材料的铸造方法，包括以下步骤：

18、步骤1、将铜粉、铁粉和锰粉加入真空感应炉中升温进行一次熔化，得到第一合金液；

19、步骤2、将锌粉、铝粉加入第一合金液中升温进行二次熔化，得到第二合金液；

20、步骤3、将改性石墨和氮化锆加入第二合金液中搅拌，得到第三合金液；

21、步骤4、将第三合金液进行浇注铸锭，固溶时效处理后得到合金材料。

22、进一步地，所述一次熔化的温度为1250-1280℃，时长为20-30min；

23、所述二次熔化的温度为1180-1200℃，时长为10-20min；

24、所述搅拌的时长为10-20min。

25、进一步地，所述固溶时效处理的条件如下：

26、固溶温度为950-980℃，固溶保温时长为1.5-2.5h，水淬，时效温度为420-450℃，保温2-2.5h，随炉冷却。

27、本发明的有益效果：

28、1、本发明针对铜-石墨复合材料中石墨与铜基体界面结合力低的技术瓶颈，通过对石墨进行表面改性处理，在石墨表面原位生长钛掺杂碳化硅层，利用钛掺杂碳化硅层改善石墨与铜基体的界面润湿性并提供化学键合，钛元素与铜基体发生界面反应形成ti-cu金属间化合物，实现了改性石墨与铜基体的冶金结合，从根本上解决了石墨与铜基体界面结合力低的技术问题。

29、2、本发明通过改性石墨和氮化锆的协同作用，显著提高了铜合金的力学性能和耐磨性能。利用氮化锆的高硬度和高耐磨性作为硬质增强相，提供了高硬度的承载骨架，抵抗磨粒磨损，改性石墨提供润滑减摩功能，降低摩擦系数，氮化锆与改性石墨形成协同增强的网络结构，二者功能互补，通过双重耐磨机制，使合金的硬度和耐磨性能得到同步提升，铜合金材料的综合性能优异。

30、3、本发明中改性石墨表面的钛掺杂碳化硅层还赋予了材料一定的抗高温氧化能力，碳化硅在高温下形成的保护膜能够抑制石墨的氧化，使材料在较高温度下仍能保持稳定的润滑和耐磨性能。氮化锆本身具有优良的耐高温、耐腐蚀性能，进一步提升了合金在苛刻环境下的服役稳定性。因此，本发明材料不仅适用于常规机械零部件的耐磨应用，还可在高温、重载等苛刻工况下发挥优异的综合性能。