一种铜合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及铜合金技术领域，具体而言，涉及一种铜合金及其制备方法。


背景技术：

2.铸造铜合金普遍存在晶粒粗大，加工性能差的问题，因此需要通过其他方式进行晶粒细化，铜合金常用的晶粒细化的加工方式有锻压、轧制等，但需要对加工后的铜合金进行后续热处理消除加工应力影响，工艺复杂。
3.此外，在铸造时细化的方式有电磁搅拌方式做金属熔体进行搅拌，促进晶核的形成或切割原有枝晶臂形成新的形核，从而促进晶粒细化，但对于量较大的金属熔体，电磁搅拌方式的效果将急剧下降，且会造成组织不均匀的情况产生。
4.因此，需要设计一种能在凝固时自体形成细化晶粒的高性能铜合金，以满足市场需求。
5.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种铜合金及其制备方法，旨在细化铜合金晶粒，提升铜合金的强度和加工性能。
7.本发明是这样实现的：
8.第一方面，本发明提供一种铜合金，按质量百分比计，其元素成分及含量如下：铜60％-65％、镍8％-15％、碳化钨0.8％-2.2％、锡0.1％-1.0％、锰0.1％-0.2％、铁0％-0.25％、铅0％-0.05％，余量为锌及不可避免的杂质。
9.在可选的实施方式中，按质量百分比计，其元素成分及含量如下：铜60％-63％、镍10％-12％、碳化钨1％-2％、锡0.3％-0.5％、锰0.15％-0.2％、铁0％-0.15％、铅0％-0.05％，余量为锌及不可避免的杂质。
10.第二方面，本发明提供一种前述实施方式中铜合金的制备方法，包括：在熔炼的铜合金中加入纳米wc粉末，通过超声震荡使纳米wc粉末均匀分散于合金中，细化合金晶粒。
11.在可选的实施方式中，包括：先将粒径为60μm-100μm的铜粉与粒径为60nm-100nm的碳化钨粉末按照1:2.8-3.2混合均匀得到混合粉体；将合金锭块熔化，再与混合粉体超声混合，之后浇筑成型；
12.优选地，在制备混合粉体的过程中，利用玛瑙球与物料混合装入球磨罐中进行球磨。
13.在可选的实施方式中，超声混合是控制振幅为50-80μm，频率为15-30khz，超声时间为15-20min。
14.在可选的实施方式中，玛瑙球包括第一球体、第二球体和第三球体，第一球体的直径为14mm-16mm，第二球体的直径为9mm-11mm，第三球体的直径为5mm-7mm，第一球体、第二球体和第三球体的质量比为1:0.8-1.2:0.8-1.2；球磨转速为200r/min-250r/min，球磨时
间为5h-7h。
15.在可选的实施方式中，将洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1按照质量比为3.8-4.2:1配料得到合金锭块，将合金锭块在保护气氛下升温至熔炼温度，待固体完全熔化后向合金熔体中加入混合粉体，混合粉体的加入量与合金熔体的质量比为0.8-1.2:100；
16.加入混合粉体之后，在保持熔炼温度的条件下对合金熔体进行超声处理。
17.在可选的实施方式中，熔炼温度为1100℃-1300℃，保温时间为20min-40min。
18.在可选的实施方式中，浇筑成型是浇筑进水冷模具中形成棒体。
19.本发明具有以下有益效果：通过引入碳化钨(wc)，并对各组分的用量进行优化，使原料易于熔化且混合均匀性，利用异质形核wc在成型时可以细化铜合金晶粒，形成一种在凝固时自体形成细化晶粒的高性能铜合金。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本发明实施例制备方法所用设备的结构示意图；
22.图2为实施例1制备得到产品的金相图；
23.图3为实施例2制备得到产品的金相图；
24.图4为实施例3制备得到产品的金相图；
25.图5为对比例1制备得到产品的金相图；
26.图6为对比例2制备得到产品的金相图。
27.001-热电偶；002-传感器探头；003-熔炼坩埚；004-电磁感应加热线圈；005-超声振动仪。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
29.本发明实施例提供一种铜合金，按质量百分比计(wt％)，其元素成分及含量如下：铜(cu)60％-65％、镍(ni)8％-15％、碳化钨(wc)0.8％-2.2％、锡(sn)0.1％-1.0％、锰(mn)0.1％-0.2％、铁(fe)0％-0.25％、铅(pd)0％-0.05％，余量为锌(zn)及不可避免的杂质。通过在铜合金中引入碳化钨(wc)，并对各组分的组成进行控制使合金易于熔融，提高碳化钨混合的均匀度，利用异质形核wc在成型时可以细化铜合金晶粒，形成一种在凝固时自体形成细化晶粒的高性能铜合金。
30.为进一步提升铜合金的性能，发明人对各组分的用量进行了优化：按质量百分比计，其元素成分及含量如下：铜(cu)60％-63％、镍(ni)10％-12％、碳化钨(wc)1％-2％、锡(sn)0.3％-0.5％、锰(mn)0.15％-0.2％、铁(fe)0％-0.15％、铅(pd)0％-0.05％，余量为锌
(zn)及不可避免的杂质。
31.具体地，铜(cu)的质量分数可以为60％、61％、62％、63％、64％、65％等；镍(ni)的质量分数可以为8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％等；碳化钨(wc)的质量分数可以为0.8％、0.9％、1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％、2.0％、2.1％、2.2％等；锡(sn)的质量分数可以为0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％等；锰(mn)的质量分数可以为0.10％、0.15％、0.20％等；铁(fe)的质量分数可以为0％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％等；铅(pd)的质量分数可以为0％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％等，也可以为以上相邻取值之间的任意值。
32.本发明实施例还提供一种前述实施方式中铜合金的制备方法，包括：根据铜合金的组成进行配料，制备铜合金。
33.在一些实施例中，用于制备铜合金的原料包括铜粉、碳化钨、洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1，根据铜合金的组成调控四种原材料的比例即可。
34.具体地，洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1是两种现有的合金，根据本发明实施例铜合金的元素组成调整比例即可。
35.具体包括如下步骤：
36.s1、异质形核粉末预制
37.先将粒径为60μm-100μm的铜粉与粒径为60nm-100nm的碳化钨粉末混合均匀得到混合粉体，利用大粒径的铜粉和小粒径的碳化钨粉末混合，使碳化钨粉末包覆于铜粉上，有利于碳化钨的均匀分散。
38.具体地，铜粉的粒径可以为60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等，碳化钨的粒径可以为60nm、70nm、80nm、90nm、100nm等。混料方式不限，以保证均匀混合即可。
39.在一些实施例中，混合粉体的制备过程包括：将铜粉与碳化钨粉末按照1:2.8-3.2混合，与玛瑙球进行混合装入球磨罐中进行球磨。铜粉与碳化钨粉末的质量比可以为1:2.8、1:3.0、1:3.2等，采用玛瑙球进行球磨，由于玛瑙的质量相对于其他磨料更轻，不会影响铜粉的形貌。
40.为使铜粉与碳化钨粉末更均匀地混合，玛瑙球包括第一球体、第二球体和第三球体，第一球体的直径为14mm-16mm(如14mm、15mm、16mm等)，第二球体的直径为9mm-11mm(如9mm、10mm、11mm等)，第三球体的直径为5mm-7mm(如5mm、6mm、7mm等)，第一球体、第二球体和第三球体的质量比为1:0.8-1.2:0.8-1.2，如1:0.8:0.8、1:0.9:0.9、1:1.0:1.0、1:1.1:1.1、1:1.2:1.2等。利用三种不同直径的玛瑙球进行球磨，让铜粉和碳化钨粉末充分混合，且让纳米碳化钨粉末均匀包覆在铜粉表面。
41.具体地，球磨的设备可以采用一般的球磨机，可以但不限于行星球磨机。球磨转速为200r/min-250r/min(如200r/min、220r/min、250r/min等)，球磨时间为5h-7h(如5h、6h、7h等)，以保证混合的均匀度，使纳米碳化钨粉末均匀包覆在铜粉表面。转速过快易造成粉体破裂，转速过慢和时间过短易造成粉末混合不均匀。
42.s2、金属熔炼
43.将洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1的合金锭块熔化，再与混合粉体混合形成混合熔体。
44.在实际操作过程中，将洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1按照质量比为3.8-4.2:1配料得到合金锭块，将合金锭块在保护气氛下升温至熔炼温度，待固体完全熔化后向合金熔体中加入混合粉体，混合粉体的加入量与合金熔体的质量比为0.8-1.2:100；熔炼温度为1100℃-1300℃，保温时间为20min-40min。
45.需要说明的是，在保护气氛中升温至熔炼温度，可以防止在此过程中受到氧气的干扰，保证产品的纯度。保护气氛可以为一般的惰性气体，如氮气。先将洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1熔炼之后再引入混合粉体，混合均匀。
46.具体地，洋白铜c7541和锡黄酮hsn62-1的用量比需满足本发明实施例提供的铜合金的组成，在此前提下可以控制二者的质量比为3.8:1、3.9:1、4.0:1、4.1:1、4.2:1等；混合粉体的加入量需满足本发明实施例提供的铜合金的组成，在此前提下可以控制混合粉体与合金熔体的质量比为0.8:100、0.9:100、1.0:100、1.1:100、1.2:100等；熔炼温度可以为1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃等，保温时间可以为20min、30min、40min等。
47.本发明实施例所用设备可以如图1所示，包括熔炼坩埚003、传感器探头002、电磁感应加热线圈004、热电偶001、超声振动仪005。在实际操作过程中，将洋白铜c7541和锡黄铜hsn62-1按比例将合金锭块放入熔炼坩埚003中，往感应熔炼炉中持续通入惰性气体进行气体保护。待熔炼坩埚003完全处于保护氛围后开启感应熔炼炉利用电磁感应加热线圈004进行加热，利用热电偶001和传感器探头002进行测温，在熔炼温度下保温。
48.s3、异质形核粉末的均匀化处理
49.加入混合粉体之后，通过超声处理的方式进行均匀化处理，可以在保持熔炼温度的条件下对合金熔体进行超声振荡。通过超声混合的方式能够显著提升混合粉体分布的均匀度。
50.在一些实施例中，开启超声振动仪005，超声处理是控制振幅为50μm-80μm，频率为15khz-30khz，超声时间为15min-20min，以保证超声混合的均匀度。振幅可以为50μm、60μm、70μm、80μm等，频率可以为15khz、20khz、25khz、30khz等，超声时间可以为15min、16min、17min、18min、19min、20min等。
51.s4、浇筑成型
52.浇筑成型的方式不限，优选采用水冷模具进行成型。确保wc纳米粉末均匀分布于合金熔体中后，关闭感应加热炉，取出坩埚后浇筑进水冷模具中形成棒体。
53.需要说明的是，水冷模具与高温金属液体之间存在极大的温度梯度，会增大金属液体的形核过冷度，使金属的凝固偏离平衡状态，形成非平衡凝固曲线。此外，在异质形核wc粉末的促进下，金属液体的形核过冷度进一步增大，促使金属液体在凝固开始时以wc粉末作为形核点进行凝固生长，最终形成类等轴晶组织的特种黄铜合金。
54.具体实施时，如图1所示，将金属物料放置于熔炼坩埚003中，将熔炼坩埚003放置于超声振动仪005的平台上，将热电偶001伸入金属物料中，开启保护气对熔炼坩埚003内部进行保护气吹扫，形成惰性气体保护氛围后，开启电磁感应加热线圈004开关对金属物料进行加热；待金属熔化后控制传感器探头002下降对金属熔液进行测温，从而精准控制熔液温度；在加入wc粉末后，开启超声振动仪005的平台控制开关，对金属熔液进行超声波震荡，达到需求后，根据要求进行逐步关闭仪器。
55.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
56.以下实施例所用洋白铜c7541、锡黄铜hsn62-1均为市购原料；
57.以下实施例所用铜粉60μm～100μm，纯度99.9％；
58.以下实施例所用碳化钨粉末60nm～100nm，纯度99.9％。
59.实施例1
60.本实施例提供一种铜合金，按质量百分比计(wt％)，其元素成分及含量如下：铜(cu)62％、镍(ni)11％、碳化钨(wc)1.5％、锡(sn)0.4％、锰(mn)0.18％、铁(fe)小于0.25％、铅(pd)小于0.05％，余量为锌(zn)及不可避免的杂质。
61.本实施例还提供一种铜合金的制备方法，包括如下步骤：
62.(1)取铜粉和碳化钨(wc)粉末按1：3的质量比进行配粉，后将混合粉末与玛瑙珠混合装入球磨罐中，玛瑙珠按直径可分为大、中、小三种规格，其直径比为15mm：10mm：6mm，球磨珠质量比为1：1：1。利用行星球磨机对混合粉末进行球磨，设定转速为200r/min，时间为5h。
63.(2)将洋白铜c7541：锡黄铜hsn62-1按质量比为8：2的合金锭块放入熔炼坩埚中，往感应熔炼炉中持续通入惰性气体进行气体保护。待熔炼坩埚完全处于保护氛围后开启感应熔炼炉进行加热至炉温为1200℃，恒温30分钟，待固体完全熔化后，往合金熔体中加入步骤(1)预制的cu(wc)混合粉末，混合粉末的加入比例为整体质量的1％。
64.(3)开启超声振动仪，对合金熔体进行超声处理，振幅为60μm，频率为20khz，时间为10分钟，确保wc纳米粉末均匀分布于合金熔体中后；关闭感应加热炉，取出坩埚后浇筑进水冷模具中形成棒体。
65.实施例2
66.本实施例提供一种铜合金，按质量百分比计(wt％)，其元素成分及含量如下：铜(cu)60％、镍(ni)10％、碳化钨(wc)1.0％、锡(sn)0.3％、锰(mn)0.15％、铁(fe)小于0.25％、铅(pd)小于0.05％，余量为锌(zn)及不可避免的杂质。
67.本实施例还提供一种铜合金的制备方法，具体步骤与实施例1一致，对应调整四种原料的比例。
68.实施例3
69.本实施例提供一种铜合金，按质量百分比计(wt％)，其元素成分及含量如下：铜(cu)63％、镍(ni)12％、碳化钨(wc)2.0％、锡(sn)0.5％、锰(mn)0.2％、铁(fe)小于0.25％、铅(pd)小于0.05％，余量为锌(zn)及不可避免的杂质。
70.本实施例还提供一种铜合金的制备方法，具体步骤与实施例1一致，对应调整四种原料的比例。
71.对比例1
72.与实施例1的区别仅在于：铜合金中不含有碳化钨(wc)。
73.对比例2
74.与实施例1的区别仅在于：碳化钨(wc)为3.0％。
75.试验例1
76.测试实施例和对比例制备得到产品的金相图，结果如图2-图6所示。
77.从图中可以看出，未添加wc的合金(对比例1)晶粒较大，且具有部分铸造缺陷；而添加1％wc的合金(实施例2)虽然铸造组织成功转化成细晶，但其组织未形成规则的等轴细
晶；添加至2％wc的合金(实施例3)属于添加过量，细化晶粒效果不明显。
78.碳化钨(wc)用量增加到3％以后，用量过大，晶粒细化效果不明显，且会导致晶粒生长方式改变，形貌发生变化。
79.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。