添加稀土Ce的原位自生Fe制造技术

本发明专利技术属于铜合金材料技术领域；具体为添加稀土Ce的原位自生Fe

【技术实现步骤摘要】
添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜及其制备方法
本专利技术涉及铜合金材料
，具体为一种添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜及其制备方法。
技术介绍
复杂黄铜是在二元Cu-Zn合金基础上加入少量Al、Mn、Si、Fe、Ni等元素，构成的多元合金体系。添加元素强化黄铜的方式主要包括固溶强化、细晶强化或者第二相颗粒强化，使黄铜材料获得优异的特性如高强度、高耐蚀、高耐磨等。因为拥有低的成本和优良的综合性能，复杂黄铜被广泛应用于航空航海、交通运输、机械加工等领域。颗粒增强黄铜能够同时提高黄铜材料的力学和耐磨性能，可适应高负荷、高冲击、低润滑等比较恶劣的工作环境。与外加颗粒的制备方法相比，利用原位反应生成的颗粒增强相稳定性高，并且与基体的界面相容性好。金属硅化物具有高的熔点、高的弹性模量，良好的抗氧化性能等，可作为增强相使材料获得高的强度和良好的耐磨性，因而国内外对硅化物增强铜合金或者黄铜进行了许多研究。Fe5Si3是典型的D88型过渡族金属硅化物，在具有硅化物优异特性的基础上因为其特殊的结构尤其表现出高的硬度和低的摩擦系数，而且其吉布斯形成自由能较低，可以在Cu基体中原位反应生成，因此设计出一种原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜对于显著提高黄铜材料的力学和耐磨性能具有重要的意义。然而，D88型结构的硅化物具有很强的小平面生长倾向和生长各向异性，所以通过直接铸造法得到的原位自生Fe5Si3增强黄铜中增强相颗粒倾向于生长为直径粗大的形貌，从而显著降低黄铜的断裂韧性，严重降低材料的力学和耐磨性能。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提出一种添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜及其制备方法，目的在于得到BCC结构Cu-Zn固溶体中分布着D88结构Fe5Si3硬相的复杂黄铜微观组织，并且通过添加稀土Ce使该黄铜具有细晶组织和细小且弥散分布的Fe5Si3颗粒，得到拥有优良耐磨性和优异力学性能的颗粒增强黄铜材料。为了达到上述目的，本专利技术是通过如下技术方案实现的。添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜，包括以下重量百分比的原料：Ce0.04-0.10％，Cu60.0～63.0％，Al2.5～3.5％，Ni0.1～0.2％，Pb0.1～0.3％，余量为Zn；黄铜中Fe5Si3颗粒质量占总质量的5.0～8.0%。优选的，黄铜平均晶粒尺寸为25~40μm，弥散分布在基体上的Fe5Si3增强相直径2.5~6.0μm。添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜的制备方法，包括以下步骤：1）将纯铜熔化并升温至1200-1300℃，依次按顺序加入Ni、Pb、Al、Cu-Fe和Cu-Si中间合金，每加一种后保持5~15min。2）将上步骤的熔体降温至1100-1150℃，然后加入纯锌，待纯锌熔化并且熔体喷火后，将温度降至1000-1050℃，加入Cu-Ce中间合金，搅拌随后保温5~10min，然后倒入模具获得试样。3）将试样退火后进行轧制。优选的，所述轧制的方法为每道次压下量为试样高度的15～20%，轧制总道次为5~6次，总压下量为试样高度的90%～95%。更优的，每轧完一道次，将试样回炉在700℃保温15～20分钟后进行下一道次的轧制。更优的，步骤3中铸锭在经过多道次热轧后采用通风冷却，冷却速度为50～150℃/min，在60～100℃/min效果更为突出，通风冷却的目的在于避免黄铜冷却缓慢在基体中析出过多的α软相。优选的，步骤1中纯铜熔化是在石墨坩埚中通过中频感应炉对纯铜进行熔炼，熔炼过程中采用石墨鳞片覆盖液面，同时用Ar气体进行保护。优选的，步骤3所述的退火是进行均匀化退火，温度为700℃，保温时间为2h。优选的，将原料：纯Cu、Zn、Al、Ni、Pb以及Cu-Fe、Cu-Si和Cu-Ce中间合金进行表面清洗除杂。更优的，将清洗后的原料在100～180℃下烘干1-3h，而当120～150℃烘干1-1.5h时效果更为突出。本专利技术相对于现有技术所产生的有益效果为：本专利技术提出的一种添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜材料，其优点在于在Cu-Zn二元合金基础上加入Al元素起到固溶强化作用，加入Ni、Pb元素起到提高切削性作用，加入Fe和Si元素通过原位反应形成Fe5Si3颗粒增强相。这种软的BCC结构Cu-Zn固溶体中弥散分布着D88结构Fe5Si3硬相的微观组织，具有高的强度和优异的耐磨性。通过热轧制长六棱柱形貌的Fe5Si3硬相趋于同向分布使得黄铜的综合性能进一步提高。进一步地，在上述黄铜中添加一定量的稀土元素Ce，表面活性较高的Ce能细化黄铜晶粒，并且使Fe5Si3相在生长阶段长成细小的颗粒，弥散均匀地分布于黄铜基体，因此获得了具有优良综合性能的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜。其制备方法简单、成本较低、容易批量工业化生产。因此本专利技术合金的优异性能以及制备方法可以扩大黄铜的应用领域，对需求高强耐磨材料的交通运输和机械加工等领域具有重要意义。附图说明图1是未添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜的低倍金相照片。图2是本专利技术添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜的低倍金相照片。图3是未添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜的金相显微组织图。图4是本专利技术添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜的金相显微组织图。图5是未添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜深腐蚀后的颗粒三维形貌的SEM图。图6是本专利技术添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3增强黄铜深腐蚀后的颗粒三维形貌的SEM图。图7为本专利技术的不同Ce含量原位自生Fe5Si3增强黄铜的硬度、屈服强度、抗拉强度和延伸率。图8为本专利技术的不同Ce含量原位自生Fe5Si3增强黄铜和耐磨锡青铜QSn6.5-0.1的摩擦系数和磨损率。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。下面结合实施例及附图详细说明本专利技术的技术方案，但保护范围不被此限制。对照例：对照例为一种未添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜材料，配料时未添加稀土Ce，Fe5Si3的质量分数为6.0%，其余组分和重量百分比为：Cu62.0％，Al3.0％，Ni0.1％，Pb0.1％，余量为Zn。对照例未添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜材料的制备方法如下：步骤一、首先计算并称量纯铝(纯度≥99.7％，质量分数，下同)、纯镍和纯铅(纯度≥99.9％)，准备Cu-10Fe(Fe含量9.9％～10.1％)和Cu-20Si(Si含量19.8％～20.2％)中间合金，剩余的Cu和Zn以纯铜和纯锌(纯度≥99.9％)形式准备。将中频感应熔炼用的金属原料置于超声波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.添加稀土Ce的原位自生Fe

【技术特征摘要】
1.添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜，其特征在于，包括以下重量百分比的原料：Ce0.04-0.10％，Cu60.0～63.0％，Al2.5～3.5％，Ni0.1～0.2％，Pb0.1～0.3％，余量为Zn；黄铜中Fe5Si3颗粒质量占总质量的5.0～8.0%。


2.根据权利要求1所述的添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜，其特征在于，黄铜平均晶粒尺寸为25~40μm，弥散分布在基体上的Fe5Si3增强相直径2.5~6.0μm。


3.如权利要求1或2所述的添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将纯铜熔化并升温至1200-1300℃，依次按顺序加入Ni、Pb、Al、Cu-Fe和Cu-Si中间合金，每加一种后保持5~15min；
2）将上步骤的熔体降温至1100-1150℃，然后加入纯锌，待纯锌熔化并且熔体喷火后，将温度降至1000-1050℃，加入Cu-Ce中间合金，搅拌随后保温5~10min，然后倒入模具获得试样；
3）将试样退火后进行轧制。


4.根据权利要求3所述的添加稀土Ce的原位自生Fe5Si3颗粒增强黄铜的制备方法，其特征在于，所述轧制的方法为每道次压下量为试样高度的15～20%，轧制总道次为5~6次，总压下量为试样高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李航，郭瑞鹏，杨帆，张研研，接金川，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14