專(zhuān)利名稱(chēng)：一種阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)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(qiáng)阻尼耐磨銅合金材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在金屬材料領(lǐng)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(hào)申請(qǐng)公開(kāi)了一種黃銅合金冶煉技術(shù)，其制備方法具有以下步 驟a.前期準(zhǔn)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(qiáng)耐磨黃銅，黃銅中加入有鈷，其中銅 的質(zhì)量含量58 65 %，鐵的質(zhì)量含量2 8 %，鋅的質(zhì)量含量20 沈％，錳的質(zhì)量含量 2 6 %，鋁的質(zhì)量含量3 9 %，鈷的質(zhì)量含量為0.03%，能解決現(xiàn)有的黃銅合金不能滿(mǎn)足 作為軸承部件要求的問(wèn)題，硬度能到達(dá)235HB以上，抗拉強(qiáng)度等與780MPa，屈服強(qiáng)度大于 680MPa，延伸率在12%以上，比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有大幅度的提高，可以大大提高軸承的抗擠壓強(qiáng)度 和摩擦性。然而其制備工藝復(fù)雜，且所得材料的耐磨性能提高有限。CN200710158225. X號(hào)申請(qǐng)公開(kāi)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(jié)晶組織變性，解決了以往機(jī)器耐磨件耐磨性能差的問(wèn)題，還 具有硬度高、耐磨性好的特點(diǎn)。以上技術(shù)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(fā)展現(xiàn)狀。 Cu21015A126Mn, Cu21115A126Mn, Cu211A128Mn 合金在共振頻率為 23· 85-25. 03ΡΗζ、應(yīng)力振 幅為4. 05-40. 5MPa范圍的內(nèi)耗GT 1 ( X 1(Τ 2)為3. 981-12. 415。但是材料的耐磨性小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)缺陷，提供一種阻尼耐磨銅合金材料。本發(fā)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(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)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(tuán)和碳纖維； 所述鋼絲團(tuán)直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，規(guī)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(xué)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(xué)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(zhǎng)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(tuán)和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形，且規(guī)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(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑為10 15cm，并按常規(guī) 化學(xué)熱處理的方法在其表面滲氮制備滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的厚度為50 ΙΟΟμπι; 滲氮鋼絲團(tuán)粘附碳纖維的制備將滲氮鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為1.3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團(tuán)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(tuán)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(tuán)放入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)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(tuán)正好放滿(mǎn)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(zhǔn)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(jìn)行配 料；將阻尼銅合金基體在感應(yīng)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(tuán)的鑄型，液態(tài)銅合金水進(jìn)入鋼絲 團(tuán)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(tuán)的材料。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下(1)本發(fā)明材料中鋼絲自身具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)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(jié)合起來(lái)，形成很好的冶金結(jié)合。這樣，鋼絲分布在銅 合金中，對(duì)材料具有很好的增強(qiáng)增韌作用，同時(shí)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(qiáng) 材料的韌性和強(qiáng)度，因此有利于合金耐磨性能提高。(3)銅合金水進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(xì)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(tuán)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(fā)明的合金材料不用貴重稀土元素，材料成本低，制備工藝簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本 低，生產(chǎn)的合金材料性能好，而且非常便于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明的合金性能見(jiàn)表1。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一制得的鋼絲和碳纖維復(fù)合增強(qiáng)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(jié)合良好。
具體實(shí)施例方式以下各實(shí)施例僅用作對(duì)本發(fā)明的解釋說(shuō)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(shí)施例中所用鋼絲和碳纖維均為市購(gòu)，滲硼層自制。實(shí)施例一阻尼耐磨銅合金基體的化學(xué)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(xué)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(guī)格為0. ImmXO. 5mm。碳纖維為T(mén)300，直徑為7微米，長(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的 直徑為10cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的 厚度為50 μ m。制備過(guò)程如下將滲氮鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，所述水玻璃溶液的濃度為1. 3 g/ cm3，模數(shù)為2. 6 ；將鋼絲團(tuán)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(tuán)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(tuán)放 入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)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(tuán)正 好放滿(mǎn)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(yīng)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(tuán)的鑄型中，液態(tài)銅合金水進(jìn)入 鋼絲團(tuán)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(tuán)的材料。實(shí)施例二阻尼耐磨銅合金基體的化學(xué)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(xué)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(guī)格為0. 4mmX 1. 5mm。碳纖維為T(mén)300，直徑為7微米，長(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的 直徑為15cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的 厚度為100 μ m。
制備過(guò)程同實(shí)施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 5 g/cm3，模數(shù)為3. 0。實(shí)施例三阻尼耐磨銅合金基體的化學(xué)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(xué)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(guī)格為0. 3mmX0. 7mm。碳纖維為T(mén)300，直徑為7微米，長(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的 直徑為13cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的 厚度為70 μ m。制備過(guò)程同實(shí)施例一，其中水玻璃溶液的濃度為1. 4 g/cm3，模數(shù)為2. 8。對(duì)比實(shí)施例四阻尼耐磨銅合金基體的化學(xué)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(xué)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T(mén)300，直徑為7微米，長(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的 直徑為10cm，且表面不滲氮。制備過(guò)程同實(shí)施例一。對(duì)比實(shí)施例五阻尼耐磨銅合金基體的化學(xué)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(xué)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(guī)格為0. 5mmX2mm。碳纖維為T(mén)300，直徑為7微米，長(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法形成清潔球形狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的 直徑為10cm，并按常規(guī)化學(xué)熱處理的方法在其表面共滲氮得到滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的 厚度為200 μ m。制備過(guò)程同實(shí)施例一。產(chǎn)品性能分析由下表可見(jiàn)，本發(fā)明材料的銅合金中Al、Sn、Si、Mn、Fe、^ 的含量提高，利于合金強(qiáng) 度提高。但是這些元素過(guò)量，不利于合金的韌性。銅合金中^ 的增加，形成化合物的數(shù)量增多，但過(guò)多會(huì)明顯降低材料的韌性。鋼絲截面為矩形便于粘結(jié)碳纖維。截面尺寸過(guò)小，不利于粘結(jié)碳纖維；反之，尺寸 過(guò)大，割裂基體傾向增加。碳纖維長(zhǎng)徑比太小和太大都不利于與矩形截面鋼絲的粘結(jié)。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(guò)大，降低了材料的 硬度，因此也降低了材料的耐磨性，如產(chǎn)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(fā)揮。滲氮層的厚度增加，利于銅合金水的合金化；但是厚度過(guò)大，氮不易在短時(shí)熔入銅 合金水，造成元素的浪費(fèi)，同時(shí)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(chǎn)品的性能對(duì)比
權(quán)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(tuán)和碳纖維；所述鋼絲團(tuán)直徑為10 15cm，所用鋼絲截面為矩形，規(guī)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(xué)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(xué)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(zhǎng)徑比為100 400:1。
2.根據(jù)權(quán)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(tuán)和碳纖維的準(zhǔn)備取截面為矩形，且規(guī)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(zhǎng)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(chǎn)的常規(guī)方法制備清潔球狀的鋼絲團(tuán)，鋼絲團(tuán)的直徑為10 15cm，并按常規(guī) 化學(xué)熱處理的方法在其表面滲氮制備滲氮鋼絲團(tuán)，所述滲氮層的厚度為50 IOOym ； 滲氮鋼絲團(tuán)粘附碳纖維的制備將滲氮鋼絲團(tuán)浸入水玻璃溶液，水玻璃溶液的濃度為·1.3 1. 5 g/cm3，模數(shù)為2. 6 3. 0 ；將鋼絲團(tuán)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(tuán)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(tuán)放入鑄型型腔；鋼絲團(tuán)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(tuán)正好放滿(mǎn)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(zhǔn)備按重量百分含量Al為10% 12%，Sn為1% 3 Si為 1% 2%，Mn為3% 5%，F(xiàn)e為0. 04% 0. 06%, Zr為0. 05% 0. 1%，其余為Cu進(jìn)行配 料；將阻尼銅合金基體在感應(yīng)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(tuán)的鑄型，液態(tài)銅合金水進(jìn)入鋼絲 團(tuán)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(tuán)的材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)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(tuán)和碳纖維；所述鋼絲團(tuán)直徑為10～15cm，所用鋼絲截面為矩形，規(guī)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(fā)明所得銅合金材料具有較高的韌性和耐磨性，且工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低。
文檔編號(hào)C22C47/02GK102051534SQ20111000704
公開(kāi)日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者張祿, 王玲, 趙浩峰 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)