本發(fā)明屬于銅合金材料，具體涉及一種cu-ni-sn-xal銅合金材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在海水環(huán)境中，海洋船舶的冷凝器、海洋高架的承重件及緊固件、海水淡化處理管道系統(tǒng)的連接件等常面臨易腐蝕、壽命短、可靠性低的問題。研制具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性和高耐腐蝕性的cu-ni-sn-xal合金材料，是解決這些問題的有效途徑。

2、cu-ni-sn合金因其具備優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度及耐腐蝕耐磨性，被視為一種理想的合金材料，同時(shí)也是無毒且成本較低的cu-be合金的理想替代品。作為一種典型的時(shí)效硬化型合金，cu-ni-sn合金通過調(diào)幅分解強(qiáng)化機(jī)理提高硬度和強(qiáng)度，并且可通過添加微量元素、熱處理和塑性變形來優(yōu)化其組織和性能。此外，cu-ni-sn合金還擁有出色的抗磨損性、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子工業(yè)等領(lǐng)域，尤其適用于制造軸承、襯套、螺旋槳和葉輪等部件。

3、放電等離子燒結(jié)(sps)技術(shù)近年來在粉末冶金燒結(jié)領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景，因其具有燒結(jié)速度快、樣品致密度高、操作簡(jiǎn)便高效以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，成為制備金屬材料、納米材料和梯度功能材料的有力工具。

4、在cu-ni-sn系銅合金材料的研制中，微合金化是一種提升銅合金性能的有效方法。通過在cu-ni-sn系合金中加入一種或幾種不同的微量元素，可以顯著改善合金的整體性能。特別是在鹽溶液中，al元素對(duì)氧的親和力遠(yuǎn)高于銅，能夠形成cu2o和al2o3的復(fù)合保護(hù)膜，顯著提升材料的耐腐蝕性能。此外，研究表明，al元素作為一種基本且有效的晶粒細(xì)化元素，適量添加至銅及銅合金中，不僅能細(xì)化晶粒，還能改善機(jī)械性能和提高耐腐蝕性。

5、當(dāng)前，銅合金材料普遍存在的挑戰(zhàn)是如何開發(fā)出具備高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性和高耐腐蝕性(尤其是耐海洋鹽霧腐蝕)的銅合金材料。因此，本發(fā)明提供一種高硬度高強(qiáng)度耐磨耐腐蝕cu-ni-sn-xal銅合金材料及其制備方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種cu-ni-sn-xal銅合金材料及其制備方法，該cu-ni-sn-xal銅合金材料具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性，在高精密彈性元件、船舶設(shè)備和軸承等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種cu-ni-sn-xal銅合金材料，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料制成：ni?12.5％、sn?5％、al?0.5％～1.0％，余量為cu。

3、本發(fā)明還提供了制備上述cu-ni-sn-xal銅合金材料的方法，該方法為：

4、s1、將cu粉、ni粉、sn粉和al粉進(jìn)行機(jī)械混合，得到混合物料；

5、s2、將s1中得到的混合物料裝入內(nèi)襯石墨紙的石墨模具中，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，自然冷卻至室溫后，得到燒結(jié)制品；

6、s3、將s2中得到的燒結(jié)制品進(jìn)行時(shí)效處理，自然冷卻至室溫后，得到cu-ni-sn-xal銅合金材料。

7、優(yōu)選地，s1中所述機(jī)械混合的時(shí)間為4h～5h。

8、優(yōu)選地，s2中所述熱壓燒結(jié)的燒結(jié)的方法為：在壓力為20mpa～30mpa的條件下，將溫度從室溫升溫至860℃～880℃，恒溫?zé)Y(jié)25min～35min。

9、優(yōu)選地，s3中所述時(shí)效處理的方法為：以7℃/min的升溫速度升溫至380℃～420℃，恒溫保溫220min～260min。

10、優(yōu)選地，s3中所述cu-ni-sn-xal銅合金材料的布氏硬度為322hb～360hb，屈服強(qiáng)度為649mpa～790mpa，腐蝕電流密度為2.088×10-5a/cm3～2.342×10-5a/cm3，室溫下的磨損率為0.568×10-5mm3/n·m～0.671×10-5mm3/n·m，500℃下的磨損率為48.1×10-5mm3/n·m～61.1×10-5mm3/n·m。

11、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

12、1、本發(fā)明所制備的cu-ni-sn-xal銅合金材料中，cu、ni、sn三種金屬元素共同組成了cu-ni-sn合金基體，且合金基體在節(jié)約材料的前提下保證了合金的硬度和強(qiáng)度。同時(shí)引入了微量元素al，以增強(qiáng)cu-ni-sn合金的時(shí)效硬化效果及機(jī)械性能。微量al元素的加入能夠顯著細(xì)化合金的晶粒，并有效抑制不連續(xù)沉淀相的形成，從而提升了合金基體的硬度、屈服強(qiáng)度及耐磨性。al元素的引入還顯著改善了cu-ni-sn合金的微觀組織和晶粒大小的均勻性，尤其是促進(jìn)了ni和sn元素的均勻分布，降低了選擇性相腐蝕的驅(qū)動(dòng)力，使優(yōu)先溶解的γ相形成的氧化層更加均勻，從而增強(qiáng)了合金的保護(hù)效果。此外，微量al在合金表面形成的al2o3保護(hù)層能夠阻止cu+的擴(kuò)散和遷移，抑制cu在合金表面的溶解，顯著提升了合金的耐腐蝕性能。因此，本發(fā)明的cu-ni-sn-xal銅合金材料展現(xiàn)出優(yōu)異的高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性，適用于高精密彈性元件、船舶設(shè)備以及軸承等領(lǐng)域。

13、2、本發(fā)明中，通過添加微量al元素，實(shí)現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化和抑制不連續(xù)沉淀的效果，從而有效提升了合金的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。此外，在燒結(jié)過程中，石墨模具內(nèi)襯一層薄石墨紙，旨在確保燒結(jié)后的樣品能夠順利脫模。時(shí)效處理則進(jìn)一步促進(jìn)了組織結(jié)構(gòu)的調(diào)幅分解強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，使得材料的硬度和強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。本發(fā)明制備的cu-ni-sn-xal銅合金材料，在高精密彈性元件、船舶器件及軸承等領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。

14、下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種cu-ni-sn-xal銅合金材料，其特征在于，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料制成：ni12.5％、sn?5％、al?0.5％～1.0％，余量為cu。

2.一種制備如權(quán)利要求1所述cu-ni-sn-xal銅合金材料的方法，其特征在于，該方法為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s1中所述機(jī)械混合的時(shí)間為4h～5h。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s2中所述熱壓燒結(jié)的燒結(jié)的方法為：在壓力為20mpa～30mpa的條件下，將溫度從室溫升溫至860℃～880℃，恒溫?zé)Y(jié)25min～35min。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s3中所述時(shí)效處理的方法為：以7℃/min的升溫速度升溫至380℃～420℃，恒溫保溫220min～260min。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s3中所述cu-ni-sn-xal銅合金材料的布氏硬度為322hb～360hb，屈服強(qiáng)度為649mpa～790mpa，腐蝕電流密度為2.088×10-5a/cm3～2.342×10-5a/cm3，室溫下的磨損率為0.568×10-5mm3/n·m～0.671×10-5mm3/n·m，500℃下的磨損率為48.1×10-5mm3/n·m～61.1×10-5mm3/n·m。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種Cu?Ni?Sn?xAl銅合金材料，由以下質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料制成：Ni?12.5％、Sn5％、Al?0.5％～1.0％，余量為Cu。還提供了制備方法，該方法為：將Cu粉、Ni粉、Sn粉和Al粉進(jìn)行機(jī)械混合，得到混合物料，裝入內(nèi)襯石墨紙的石墨模具中，然后進(jìn)行熱壓燒結(jié)，自然冷卻至室溫后，得到燒結(jié)制品，然后進(jìn)行時(shí)效處理，自然冷卻至室溫后，得到Cu?Ni?Sn?xAl銅合金材料。本發(fā)明制備的Cu?Ni?Sn?xAl銅合金材料具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單高效，制備出的Cu?Ni?Sn?xAl銅合金材料不僅無毒環(huán)保，而且在高精密彈性元件、船舶設(shè)備和軸承等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：李珍,劉曉雄,金偉文,盧松林,楊國(guó)棟,王騫,杜旭功
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘭州文理學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2