專利名稱：含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金及其制備方法，制得的新型合金應用于鑿巖鉆頭的滑動軸套，或其他承受高速和重載的軸承等需高抗磨性能的場合，屬于新材料技術領域。
背景技術：
Cu-15Ni-8Sn合金是典型的調(diào)幅分解(Spinodal)強化的合金。在高溫區(qū)固溶處理后淬火，合金呈α單相，再經(jīng)中溫區(qū)時效，通過Spinodal分解成為α和γ兩相組織。與通常形核長大型時效強化相比，其特點是兩相的結構相同，而化學成分相異(α區(qū)為貧錫，γ區(qū)為富錫)，兩相共格、分布均勻細密。因而該合金具有高的強度和彈性極限，良好的延性和加工性，同時Cu-Ni-Sn合金有高的導電、導熱性和抗應力松弛性能，并具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。通常淬火后經(jīng)變形和時效用作電連接器、繼電器、開關等導電彈性元件，在電器和儀表工業(yè)中有廣泛的應用(J.T.PlewesU.S.Patent No.3,937,638和U.S.Patent No.4,090890)。現(xiàn)有技術中，有在三元Cu-Ni-Sn合金中加入第四元素如Fe，Zn，Mn，Zr，Nb，Cr，Al，或Mg(U.S.Patent No.4,052,204)和Mo、Nb、Ta、V或Fe等(U.S.Patent No.4,260,432)，其目的有的是為降低成本(如以Fe，Zn或Mn取代部分銅，Mg或Al取代部分Sn)；有的為提高強度和斷裂延性(如Nb、V、Cr、Mo)；改善熱加工性能(加入少量Zr)以及切削性能(加入Se、Te、Pb或MnS，U.S.Patent No.4,130,421，1978)。
Smith公司首先把Cu-15Ni-8Sn合金應用于鑿巖鉆頭的耐磨件如浮動軸套、止推片、軸帽等(N.J.KarGB 2153882，1985和U.S.Patent 4,641,976，1987)。與采用鈹銅作耐磨件的鑿巖鉆頭相比，在強度相當時其延性和韌性大為提高，從而使鉆頭的使用壽命有了提高。但由于三元Cu-15Ni-8Sn合金凝固溫度區(qū)間較大，鑄態(tài)組織枝晶偏析嚴重，同時晶粒較粗大，制約了強度、硬度的進一步提高。他們曾采用粉末冶金的工藝來解決成分偏析的問題，但該工藝成本較高。
以上專利中迄今尚未見有在三元調(diào)幅分解型Cu-Ni-Sn合金中加入Ti來細化晶粒，提高磨擦學性能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種新的含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金及其制備方法，工藝簡單，得到的新合金與三元合金相比，具有更高的強度和良好的延性，同時耐磨性能大為提高，可應用于鑿巖鉆頭及其他承受高速和重載的軸承。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術方案中，在三元Cu-Ni-Sn合金中采用鎳鈦或銅鈦中間合金方式加入適量的第四組元鈦(Ti)，采用真空感應電爐熔煉或選擇覆蓋劑采用非真空熔煉后澆鑄，在鑄態(tài)下經(jīng)均勻化-淬火-時效后機加工成元件使用。也可在淬火后經(jīng)變形(鍛造、軋制或拉拔)和時效后使用。
本發(fā)明的方法包括如下具體步驟1、合金成分(質(zhì)量百分比)為Ni 4～20％，Sn 2～10％，Ti 0.02～0.50％，余為Cu。
Ni和Sn選擇上述范圍是為保證基體成分Cu-Ni-Sn處于能發(fā)生調(diào)幅分解的成分區(qū)。加入適量的第四組元Ti，目的是形成適量熔點較高的Ti的金屬間化合物，當合金凝固時起非自發(fā)核心的作用，從而細化鑄態(tài)組織、減小枝晶偏析。含Ti量少于0.02質(zhì)量％時，細化晶粒的作用不明顯；含Ti量過高時，形成大量的Ti的金屬間化合物使合金變脆，延性降低。
2、Ti的加入采用鎳鈦或銅鈦中間合金方式，隨爐加入或從料斗加入。
3、加Ti的Cu-Ni-Sn合金可采用真空感應電爐熔煉，當電解銅和電解鎳熔化并充分除氣后，充氬氣保護下先后加入純Sn和Ti的中間合金，經(jīng)攪拌后澆鑄。也可采用非真空熔煉，但要選擇覆蓋劑，以防元素的氧化和燒損，特別是活潑的Ti元素。
4、該四元合金可以在鑄態(tài)下經(jīng)均勻化-淬火-時效后機加工成元件使用。均勻化退火溫度為800～900℃，時間1～40小時后直接淬火或緩冷后再加熱淬火；時效溫度為350～500℃，時間為1～10小時。也可在淬火后經(jīng)變形(鍛造、軋制或拉拔)和時效后使用。
本發(fā)明中含Ti的Cu-Ni-Sn合金其基體組織仍保留為均勻細密的調(diào)幅結構，保持高的強韌性；Ti的加入不僅細化鑄態(tài)組織，還能阻礙合金在均勻化和淬火加熱時晶粒的長大，從而獲得均勻細小的等軸晶，使合金強度進一步提高的同時，仍保持良好的延性。另一方面，在晶粒內(nèi)存在Ti和Ni(或Ti和Cu)的化合物本身也進一步提高了耐磨性。
本發(fā)明的新型合金可應用于鑿巖鉆頭的滑動軸套，或其他承受高速和重載的軸承等需高抗磨性能的場合。
具體實施例方式以下通過具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。
實施例1配比成分為15％Ni、8％Sn和77％Cu(質(zhì)量比)的合金，用真空感應電爐熔煉，熔化后經(jīng)充分除氣，在充氬氣氛下從料斗先后加入純Sn和近等原子比的NiTi合金。經(jīng)攪拌后澆注成扁坯料。
合金1分析成分(質(zhì)量比)為Ni15.2％、Sn6.97％、Ti0.025％，余為Cu。
合金2分析成分(質(zhì)量比)為Ni15.2％、Sn7.23％、Ti0.30％，余為Cu。
坯料經(jīng)850℃40小時均勻化后爐冷，再加熱至850℃保溫1小時后水冷。然后在400～450℃時效1小時。經(jīng)熱處理后的坯料加工成試樣，測試的機械性能如表1，表中同時列出對照例三元Cu-15Ni-8Sn鑄態(tài)合金(合金3)熱處理后的機械性能。
表1 含Ti的四元Cu-Ni-Sn合金的機械性能與三元合金的比較

由表1可見，含Ti的兩種合金，不僅強度、硬度明顯提高，而且延性也同時增加，這對提高軸承材料的耐磨性和使用壽命有重要作用。
實施例2配比成分為Cu-15Ni-8Sn(質(zhì)量％)的合金，用真空感應電爐熔煉，隨爐加入NiTi中間合金(合金號為T1)，加入量為總量的0.1％。熔化后經(jīng)充分除氣，在氬氣氛下澆注成φ60×φ43.5×273的管坯。分析成分為Ni14.78％、Sn8.39％、Ti0.065％，余為Cu。管坯經(jīng)850℃ 15小時均勻化后爐冷，再加熱至850℃保溫1小時后水冷。然后在430～450℃時效2.5小時。經(jīng)測定硬度為HRc32～36。將管坯加工成φ54.21±0.015×φ50.24±0.015×19.0的軸套成品，在MMZ-180型軸承試驗機上進行高速滑動軸承模擬試驗，并與三元Cu-Ni-Sn比較。
實施例3配比成分為Cu-15Ni-8Sn(質(zhì)量％)的合金，用真空感應電爐熔煉，熔化后經(jīng)充分除氣，在氬氣氛下從料斗加入合金總量0.1％的NiTi中間合金(合金號為T2)，充分攪拌后澆注成φ60×φ43.5×273的管坯。分析成分為Ni14.84％、Sn7.88％、Ti0.10％，余為Cu。經(jīng)與實施例2相同的熱處理，硬度為35～39。加工成軸套后進行同樣的高速滑動軸承模擬試驗。
由以上實施例2和3進行的高速滑動軸承模擬試驗結果表明，加Ti的Cu-15Ni-8Sn合金在375rpm高轉速下，其最大咬合載荷可達75～128kN比三元合金提高36～110％。磨損壽命達80～100小時，比三元合金提高40～66％。
權利要求
1.一種含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金，其特征在于合金成分質(zhì)量百分比為Ni 4～20％，Sn 2～10％，Ti 0.02～0.50％，余為Cu。
2.一種含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金的制備方法，其特征在于1)取合金成分質(zhì)量百分比為Ni 4～20％，Sn 2～10％，Ti 0.02～0.50％，余為Cu；2)Ti的加入采用鎳鈦或銅鈦中間合金方式，隨爐加入或從料斗加入；3)加Ti的Cu-Ni-Sn合金采用真空感應電爐熔煉，當電解銅和電解鎳熔化并充分除氣后，充氬氣保護下先后加入純Sn和Ti的中間合金，經(jīng)攪拌后澆鑄，或選擇覆蓋劑后采用非真空熔煉；4)將四元合金在鑄態(tài)下經(jīng)均勻化-淬火-時效后機加工成元件，或經(jīng)均勻化-淬火-變形-時效后機加工成元件，均勻化退火溫度為800～900℃，時間1～40小時，均勻化后直接淬火或緩冷后再加熱淬火，時效溫度為350～500℃，時間為1～10小時。
全文摘要
一種含鈦的銅鎳錫調(diào)幅分解型耐磨軸承合金及其制備方法，在三元Cu－Ni－Sn合金中采用鎳鈦或銅鈦中間合金方式加入適量的第四組元鈦Ti，采用真空感應電爐熔煉或非真空熔煉后澆鑄，在鑄態(tài)下經(jīng)均勻化－淬火－時效后機加工成元件使用；也可在淬火后經(jīng)變形和時效狀態(tài)下使用。本發(fā)明工藝簡單，鈦的加入使合金具有高強度、高延性和高耐磨的特性，可應用于鑿巖鉆頭的滑動軸套，或其他承受高速和重載的軸承等需抗磨性能的場合。
文檔編號C22C9/06GK1524971SQ0315104
公開日2004年9月1日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權日2003年9月18日
發(fā)明者江伯鴻, 張少宗, 毛紅兵 申請人:上海交通大學, 江漢石油鉆頭股份有限公司