一种纳米颗粒‑细微晶结构强化Cu‑12Sn‑1.5Ni合金的方法，其特征是在Cu‑12Sn‑1.5Ni合金的化学成分基础上添加微量铁，化学成分质量百分比：(9.0～12.5)Sn，(1.3～2.0)Ni，(0.03～1.5)Fe(wt.％)，其余为Cu。本发明专利技术采用电磁感应加热的方式熔炼铸造Cu‑12Sn‑1.5Ni‑(0.03～1.5)Fe(wt.％)合金。优点为微量铁‑感应熔炼耦合作用使铸态Cu‑12Sn‑1.5Ni合金中形成富铁纳米颗粒‑细微晶结构，同时粗大连续的δ偏析相变的细小分散。纳米颗粒‑细微晶结构的协同强化作用以及细小分散δ相对塑性损害作用的弱化使得铸态Cu‑12Sn‑1.5Ni‑(0.03～1.5)Fe(wt.％)合金兼具高强度和高塑性，综合性能优异。本发明专利技术工艺简单，应用性强，可以用于制备大块体、形状复杂的高性能Cu‑12Sn‑1.5Ni‑(0.03～1.5)Fe(wt.％)合金构件。
A method of strengthening cu-12sn-1.5ni alloy with nano particle fine microcrystalline structure
【技术实现步骤摘要】
一种纳米颗粒-细微晶结构强化Cu-12Sn-1.5Ni合金的方法
：本专利技术涉及铸造金属结构材料及其制备方法。具体地说，是通过微合金化方法和铸造工艺在Cu-12Sn-1.5Ni合金中制备出一种细小微米级晶粒内部分布着高度弥散的纳米强化粒子的结构，即纳米颗粒－细微晶结构，由此使材料的强度和塑性同时大幅度提高。
技术介绍
铸造Cu-12Sn-1.5Ni合金由于其优异的铸造性、耐磨及耐腐蚀性能常被用作蜗轮、齿轮和轴承等部件[文献一ASMInternationalMetalshandbookVolume2,ASMInternationalHandbookCommittee.ISBN0-87170-378-5(v.2).文献二PeterR.N.Childs,11-Wormgears,Editor(s):PeterR.N.Childs,MechanicalDesignEngineeringHandbook(SecondEdition),Butterworth-Heinemann,2019,Pages513-531,ISBN9780081023679,https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102367-9.00011-1.文献三V.Fontanari,M.Benedetti,G.Straffelini,Ch.Girardi,L.Giordanino,Tribologicalbehaviorofthebronze–steelpairforwormgearing,Wear302(2013)1520–1527.文献四D.Jbily,M.Guingand,J.P.deVaujany,Loadedbehaviourofsteel/bronzewormgear,InternationalGearConference2014:26th–28thAugust2014,Lyon,2014,Pages32-42.]。但是由于铸造Cu-12Sn-1.5Ni合金中粗大的枝晶结构以及凝固过程中锡偏析导致晶界处产生粗大连续的脆性富锡δ相，使合金的塑性恶化和强度不足，严重影响着铸造Cu-12Sn-1.5Ni合金的使用性能[文献五J.S.Park,C.W.Park,K.J.Lee,Mater.Charact.60(2009)1268-1275.]。因此，在铸造Cu-12Sn-1.5Ni合金中获得细化的基体铜晶粒和细小分散的脆性偏析相，同时提高合金的强度和塑性，显得尤为重要。研究发现，细化的微米级晶粒(>1μm)与晶粒内部高度弥散的纳米析出相协同作用将对合金产生显著的增强增韧效果，其强韧化效果在铜合金[文献六X.H.Chen,Z.D.Wang,D.Ding,etal.,Mater.Des.66(2015)60–66.文献七Z.D.Wang,X.W.Wang,Q.S.Wang,etal.,Nanotechnology20(2009)075605.文献八K.X.Chen,X.H.Chen,D.Ding,etal.,Mater.Des.94(2016)338–344.文献九Y.X.Ye,X.Y.Yang,C.Z.Liu,etal.,Mater.Sci.Eng.A612(2014)246-252.]和钢[文献十H.Tang,X.H.Chen,M.W.Chen,etal.,Mater.Sci.Eng.A609(2014)293-299.]等合金体系中已得到验证。人们将这种细小微米级晶粒内部弥散分布着纳米级强化颗粒的结构简称为纳米颗粒-细微晶结构，纳米颗粒-细微晶结构的协同强化是实现金属材料高强度和高塑性统一的有效方法。前期，研究者以Fe、Co元素强化的纯铜为对象研究了纳米颗粒-细微晶结构的形成和强化效应[文献十一K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,etal.,J.Alloy.Compd.763(2018)592-605.]。Fe、Co的添加优化了纯铜的组织结构，在铜中得到富铁纳米颗粒-细微晶结构，综合力学性能获得显著提升[文献十一K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,etal.,J.Alloy.Compd.763(2018)592-605.]。铸造过程中，富铁纳米颗粒在铜熔体中提前析出，富铁纳米颗粒在铜熔体凝固过程中的异质形核作用(细化晶粒)和自发捕捉，以及铜熔体凝固后在铜基体中的均匀析出诱发了富铁纳米颗粒-细微晶结构的形成[文献八K.X.Chen,X.H.Chen,D.Ding,etal.,Mater.Des.94(2016)338–344.文献十一K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,etal.,J.Alloy.Compd.763(2018)592-605.]。Cu-Sn-Ni合金往往通过快速冷却和离心铸造，以及配合后续的时效硬化来提高其强度、硬度和耐磨性，但同时会导致塑性的下降[文献十二K.B.Rundman,M.D.Gugel,DANichols,As-cast,age-hardenedCu-Sn-Niwormgearingandmethodofmakingsame-USPatent5,230,757,1993.]。铁是富铁纳米相的主导元素，仅添加铁即可诱发纳米颗粒-细微晶结构在铜中的形成[文献七Z.D.Wang,X.W.Wang,Q.S.Wang,etal.,Nanotechnology20(2009)075605.文献八X.H.Chen,Z.D.Wang,D.Ding,etal.,Mater.Des.66(2015)60–66.文献十一K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,etal.,J.Alloy.Compd.763(2018)592-605.]，而且铁的价格低廉，可作为纳米颗粒-细微晶结构铜合金添加元素的首选。鉴于前期铁在铜中的有效应用以及其低成本优势，本文旨在不进行快速冷却、离心铸造及时效硬化的情况下，即在无热处理和普通铸造条件下，通过在Cu-Sn-Ni合金中引入微量铁，协同提高其强度、延性和耐磨性，前人从未在Cu-Sn-Ni合金体系中开展铁元素强化的研究。另外，前期铁在铜中应用时采用的铁含量(或铁+钴含量)均大于1.5wt.％[文献六X.H.Chen,Z.D.Wang,D.Ding,etal.,Mater.Des.66(2015)60–66.文献七Z.D.Wang,X.W.Wang,Q.S.Wang,etal.,Nanotechnology20(2009)075605.文献八K.X.Chen,X.H.Chen,D.Ding,etal.,Mater.Des.94(2016)338–344.文献九Y.X.Ye,X.Y.Yang,C.Z.Liu,etal.,Mater.Sci.Eng.A612(2014)246-252.][文献十一K.X.Chen,X.H.Chen,Z.D.Wang,etal.,J.Alloy.Compd.763(2018)592-605.]，很大程度上忽略了微量铁元素的强韧化作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种通过微量铁元素的合本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米颗粒-细微晶结构强化Cu-12Sn-1.5Ni合金的方法，其特征是在Cu-12Sn-1.5Ni合金的化学成分基础上添加微量铁，化学成分质量百分比：(9.0～12.5)Sn，(1.3～2.0)Ni，(0.03～1.5)Fe(wt.％)，其余为Cu，制备步骤如下：/n(1)先将坩埚、电解铜块、纯锡块、纯镍片、纯铁片、铜箔包裹的铜磷脱氧剂、铸型、过滤片、浇道烘干除水；/n(2)将电解铜块、纯锡块、纯镍片和纯铁片放入坩埚；元素的烧损率都取上限；/n(3)利用电磁感应加热使原材料快速熔化，熔化后过热至1300℃，在1300℃保温20-25min；/n(4)保温接近结束时，及时取出烘干的铸型、浇道、过滤片，装配好放在合适的浇注位置；/n(5)减小感应加热功率，使温度降低至1200-1250℃，取出烘干的铜箔包裹的铜磷脱氧剂，将其压入合金熔体中脱氧并随之进行打渣，结束后静置2～4分钟；/n(6)静置结束后，减小感应加热功率，温度降至1150-1200℃后浇铸。/n
【技术特征摘要】
1.一种纳米颗粒-细微晶结构强化Cu-12Sn-1.5Ni合金的方法，其特征是在Cu-12Sn-1.5Ni合金的化学成分基础上添加微量铁，化学成分质量百分比：(9.0～12.5)Sn，(1.3～2.0)Ni，(0.03～1.5)Fe(wt.％)，其余为Cu，制备步骤如下：
(1)先将坩埚、电解铜块、纯锡块、纯镍片、纯铁片、铜箔包裹的铜磷脱氧剂、铸型、过滤片、浇道烘干除水；
(2)将电解铜块、纯锡块、纯镍片和纯铁片放入坩埚；元素的烧损率都取上限；
(3)利用电磁感应加热使原材料快速熔化，熔化后过热至1...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈凯旋，秦军伟，张佳伟，陈晓华，王自东，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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