铜螺母及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铜螺母，其特征在于由以下质量百分组成，Cu：56～63wt％，Al：2.5～6.5wt％，Fe：1.5～4.5wt％，Mn：1.5～4.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质；铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相。本发明专利技术过控制铜的添加量，并在黄铜中添加Al、Fe、Mn并控制其含量，使得铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相，在提高强度、硬度的同时保证延伸率，且富含Fe的K相弥散分布于合金中，细化晶粒，改善了合金的力学性能均匀性。

【技术实现步骤摘要】
铜螺母及其制备方法
本专利技术属于铜合金领域，具体涉及一种铜螺母及其制备方法。
技术介绍
摩擦和螺旋压力机目前是国内主流锻压设备，具有结构简单、安装容易、操纵及辅助设备简单和价格低廉等特点，广泛应用于金属模锻、精压、冲压工艺以及耐火材料、陶瓷等非金属材料的压力加工。其中的铜螺母又为压力机重要构成部件，直接关系到压力机的生产能力。铜螺母在机身内与螺杆配合上下往复运动，产生传动摩擦，同时，压力机在工作过程中对工件实施打击力，铜螺母牙齿承受挤压应力、剪切应力、弯曲应力。铜螺母的正常使用寿命为1年左右，在此期间内，铜螺母无开裂、断齿等情况，当铜螺母牙齿磨损量达到原牙齿厚度的60％以上时停机更换铜螺母。铜螺母使用寿命短一方面增加了用户的配件采购成本，另一方面非正常停机更换，耽误用户正常的生产安排，不但造成时间的浪费，而且影响生产产能。铜螺母的报废主要有以下几个方面的原因：1)磨损量达到预设磨损量；2)铜螺母轴向开裂(见附图1)和旋向开裂(见附图2)；3)断齿。易磨损主要与材料的硬度有关系，硬度较低，材料易磨损，而开裂一方面是由于材料的塑性差，更重要的是与材料的力学性能不均匀有着重要的关系，因此，力学性能的不均匀在铜螺母牙齿承受挤压应力、剪切应力、弯曲应力时在强度薄弱处开裂，断齿的原因与开裂相近，因此，铜螺母具有优良塑性的同时具有高的强度、硬度且力学性能均匀是当前铜螺母需要改进的问题。当前生产铜螺母的铜合金牌号一般为国标ZCuZn26Al4Fe3Mn3，材料的抗拉强度一般在600MPa左右，屈服强度在300MPa左右，硬度在130HB左右，延伸率在13％左右，一方面因强度、硬度较低，使得现有的铜合金耐磨性较差，使用寿命只能维持在1年左右，另一方面，因铜螺母为铸造出成品，不存在后续的挤压加工等，因此，在工艺控制不当的情况下就会导致基体内存在气孔、相组成控制不合理等导致力学性能不均匀、铜螺母综合性能差等问题。因此，针对当前铜螺母存在的问题，需要对其性能进行改进。
技术实现思路
本专利技术所要解决的第一个技术问题是针对现有技术现状提供一种力学性能均匀且在具有优良塑性的同时具有高的强度、硬度的铜螺母。本专利技术解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铜螺母，其特征在于由以下质量百分组成，Cu：56～63wt％，Al：2.5～6.5wt％，Fe：1.5～4.5wt％，Mn：1.5～4.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质，铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相。Cu为铜螺母的主要元素，本申请将Cu的含量控制在56～63wt％，相比较于ZCuZn26Al4Fe3Mn3铜含量降低，相应地Zn含量提高，一方面，Cu含量降低有利于基体相β相的增加，提高基体的强度、硬度，提高耐磨性，另一方面，Cu含量降低有利于降低铜螺母的成本，但β相的含量过高会使得铜螺母的塑性降低，因此本申请将Cu的含量控制在56～63wt％。Al大量溶于黄铜中且锌当量系数高，将显著缩小α相区，增加β相数量，并能够稳定黄铜的β相防止脆性γ析出，在提高铜螺母强度、硬度、耐蚀性的同时稍微降低塑性，为了实现铜螺母的强度而保证铜螺母具有较高的延伸率，将Al的含量控制在2.5～6.5wt％。Fe在黄铜合金中的溶解度为0.1-0.2wt％，含量增加后，凝固时将以微粒状的高熔点富铁K相形式析出，作为晶核细化晶粒，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，阻止再结晶晶粒长大，达到细晶强化目的，从而提高合金的强度、硬度和高温塑性。但Fe含量过高，将降低铜螺母的塑性，因此，本申请中Fe的含量控制在1.5～4.5wt％。Mn在黄铜合金中大量固溶且锌当量系数低，对合金组织影响不大，主要起固溶强化作用，可显著提高合金的强度、硬度、耐磨性，不降低塑性。但在此铜合金中Mn含量过高时，将导致合金性能急剧变坏，合金有破裂趋向，因此，本申请中Mn的含量控制在1.5～4.5wt％。本申请是以β相为基体相，β相以CuZn为基的体心立方结构，为铜合金提供强度、硬度、耐磨性，α相是以铜为基的固溶体，为铜合金提供塑性，富铁k相为铜合金主要析出强化相，析出后弥散分布于合金中，细化晶粒，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，阻止再结晶晶粒长大，提高强度、硬度和力学均匀性，α相、β相以及富含Fe的K相三者协同作用在提高铜螺母强度、硬度的同时具有优良的塑性且铜螺母的力学性能均匀。作为优选，所述α相与β相的面积比满足：0.15≤α相/β相≤0.25，所述K相的面积分数为2～5％。为了实现高强度、高硬度与高塑性的结合，控制α相、β相以及富含Fe的K相的比例至关重要，当α相/β相小于0.15时，材料的塑性较差，当α相/β相大于0.25，基体中α相增多，强度、硬度降低，铜螺母的耐磨性变差，因此，α相与β相的面积比满足：0.15≤α相/β相≤0.25；当K相面积含量大于5％时，材料的脆性增加，当K相面积含量低于2％，基体的晶粒粗大特别是柱状的α相增多，同时，弥散分布的针状α相也增多，材料的整体性能变差，因此，K相的面积分数为2～5％。作为优选，所述α相分散在β相中，所述α相呈块状和针状，所述α相中针状α相的面积分数为5％以下。α相的形貌对于改善合金的力学性能均匀性具有重要的影响，α相的形貌包括其形状以及分布的状态，在本申请中α相呈块状，理想的状态为近似球状，但普遍难以控制，基本是以块状呈现，该形状有利于耐磨和改善合金的力学性能均匀性，而相连的α相在摩擦过程中材料温升很快，不利于耐磨，且相连的α相易造成组织的不均匀，力学性能稳定性差，因此，控制α相分散在β相中，提升了耐磨和力学均匀性。通过对报废开裂产品取样进行金相组织检测，组织中存在约25％的破坏性针状α相，针状α相的存在导致基体的晶粒粗大且材料的性能不均匀，在铜螺母使用过程中，应力易沿针状α相集中，从而造成开裂，因此，为了实现材料性能的均匀性，将α相中针状α相的面积分数控制在5％以下。作为优选，所述铜螺母的α相尺寸控制在10μm以下；所述K相的平均直径为50nm以下。铜螺母中细小尺寸的α相均匀分布在β相中，在保证材料实现高强度、高硬度的同时兼具良好的塑性，而且材料的性能更加均匀，因此，本申请中铜螺母的α相尺寸控制在10μm以下；本申请中K相弥散分布在基体内，将K相的平均直径控制在50nm以下，在提高强度的同时塑性降低不明显。作为优选，所述铜合金还含有Ni：0.5～1.5wt％、Co：0.05～0.5wt％中的至少一种。Ni在黄铜合金中连续固溶且锌当量为负数，缩小β相区，扩大α相区，提高再结晶温度，减小晶粒尺寸，强化合金熔液，提高合金强度的同时又能提高塑性和耐磨性，但Ni含量增加将增加原材料成本，因此，Ni的含量控制在0.5～1.5wt％。Co在黄铜合金中微溶于铜，熔炼过程中阻碍晶粒长大，延缓固溶体过早分解、阻碍晶界反应，同时在凝固结晶过程中结晶形核，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，减小晶粒尺寸，提高特殊黄铜合金的强度、塑性和高温摩擦性能和耐热性能。当Co含量大于0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜螺母，其特征在于由以下质量百分组成，Cu：56～63wt％，Al：2.5～6.5wt％，Fe：1.5～4.5wt％，Mn：1.5～4.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质；铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相。/n

【技术特征摘要】
1.一种铜螺母，其特征在于由以下质量百分组成，Cu：56～63wt％，Al：2.5～6.5wt％，Fe：1.5～4.5wt％，Mn：1.5～4.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质；铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相。


2.根据权利要求1所述的铜螺母，其特征在于：所述α相与β相的面积比满足：0.15≤α相/β相≤0.25，所述K相的面积分数为2～5％。


3.根据权利要求2所述的铜螺母，其特征在于：所述α相分散在β相中，所述α相呈块状和针状，所述α相中针状α相的面积分数为5％以下。


4.根据权利要求1所述的铜螺母，其特征在于：所述铜螺母的α相尺寸控制在10μm以下；所述K相的平均直径为50nm以下。


5.根据权利要求1所述的铜螺母，其特征在于：所述铜合金还含有Ni：0.5～1.5wt％、Co：0.05～0.5wt％中的至少一种。


6.根据权利要求1至5任一权利要求所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何勋，焦小亮，何清，杨旭东，王钰，
申请(专利权)人：山西百一机械设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14