权利要求
2.根据权利要求1所述的一种新型承温耐磨铜合金，其特征在于：所述硅-铬-铁合金的组成及其质量百分比为：Si：20%-40%、Cr：20%-40%、Fe：30%-50%，各元素的质量百分比之和为100%。
3.根据权利要求1所述的一种新型承温耐磨铜合金，其特征在于：新型承温耐磨铜合金的组成及其质量百分比为：锌：38.51%-38.71%，铝：2.64%-2.91%，锰：5.42%-5.64%，硅-铬-铁合金：6.03%-6.28%，镍：0.53%-0.64%，铜：46.89%-47.02%，各元素的质量百分比之和为100%。
4.一种如权利要求1所述的新型承温耐磨铜合金的应用，其特征在于：新型承温耐磨铜合金用于制备在高温环境下依靠摩擦力工作的铜合金零件。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述铜合金零件为铜丝母。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述铜丝母的制备工艺包括以下步骤：
S2、根据铜丝母的设计尺寸规格选取相应的离心铸造模具及工装，使用石墨涂料均匀涂布在离心铸造模具型腔的内壁上，涂层厚度为0.5mm~1mm;石墨涂料涂布完成后，将离心铸造模具进行烘烤，烘烤温度为300℃~350℃，烘烤时间为2小时，最后在180℃~230℃的温度下保温3小时，留待后步使用;
S3、冶炼：
S3-1、合金熔炼：
首先，在中频炉内加入步骤S1称取的电解铜板、电解镍板以及硅-铬-铁合金，送电熔炼至炉内材料呈现红热状态，保温50~100分钟，继续升温至1540℃~1560℃，待炉内材料完全熔化后，首次加入精炼剂，搅拌精炼3~5分钟，一次停电扒渣;
其次，一次停电扒渣完成后，将电解锰板、铝锭加入炉内，送电保持温度继续熔炼;
再次，待中频炉内原料完全熔化后，升温至1420℃~1460℃，二次加入精炼剂，精炼1~2分钟，二次停电扒渣;
最后，待中频炉内合金液完全转变为液相后，将锌锭加入合金液中，待锌锭完全熔化后三次加入精炼剂搅拌均匀，控制出炉温度为1080℃~1200℃;
S3-2、精炼除气：首先，铜合金液从中频炉转入铜水包中，在铜合金液面上加入CuRe15和CuTi20作为晶粒细化剂，晶粒细化剂的重量占铜合金溶液重量的0.6%;然后，在铜水包底部连接气瓶，向铜合金溶液中吹入惰性气体，调节气体的流量为10L/min~15L/min，待铜合金溶液温度降至1000℃~1060℃时，停止吹气，进行扒渣，准备浇铸;
S3-3、首先，启动离心铸造设备，根据铜丝母铸件的设计尺确定离心机转速n为：
;
式中，n为离心铸造模具转速，单位为r/min;G为重力系数;r0为铜丝母铸件内圆的半径，单位为cm;
然后，待离心铸造设备转速稳定后，将步骤S3-2精炼炉中的浇包转移至离心浇铸小车，浇铸过程应平稳、连续，铜合金液完全注入离心铸造模具型腔内5-10s后开启冷却喷淋系统，铜合金液快速冷却凝固，离心铸造设备持续运转30~40分钟后停机，制得铜丝母铸件坯料;
S4、冷却及清整：将步骤S3-3制备的铜丝母铸件坯料冷却至少3小时，然后开箱并清理批缝，最后将铜丝母铸件坯料从离心铸造模具中脱出，在空气中自然冷却至室温，制得铜丝母铸件;
S5、机械加工：根据设计尺寸要求对铜丝母铸件进行成品机械加工，并做标识以便于追溯，制得新型承温耐磨铜丝母。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：在所述步骤S3-2中，CuRe15和CuTi20的质量比为1:1。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：首次和二次加入的精炼剂为冰晶石，三次加入的精炼剂为DHCT-L。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于有色金属材料及其制备技术领域，具体涉及的是一种新型承温耐磨铜合金及其应用。
背景技术
[0002]铜丝母是摩擦或者电动系列的锻压设备中重要的传动零件，铜丝母与螺杆共同组成摩擦副用于进行动力传递。目前，铜丝母的材质通常采用ZHAl66-6-3-2铜合金，铜丝母使用频次高，而且连续工作时间长，受铜丝母与螺杆相互摩擦以及环境温度的共同作用，铜丝母的工作温度升高(实际工作温度达到100℃-200℃)，在此温度下铜丝母耐磨性减弱，一般在使用12-15个月后铜丝母失效无法正常使用，增加了锻压设备的使用成本，影响设备的运行效率。
[0003]因此，急需研发一种在高温环境下能抵抗高温且耐磨性好、使用性能稳定的铜合金材料用于制备铜丝母。
发明内容
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决铜丝母高温环境下耐磨性及工作稳定性不足的技术问题，本发明提供一种新型承温耐磨铜合金及其应用，通过设计铜合金材料的成分、配比以及优化制备工艺，提高铜合金在高温下的耐磨性及使用的稳定性，从而提高铜丝母的使用寿命，满足摩擦或者电动系列的锻压设备的使用要求。
[0005]本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型承温耐磨铜合金，其组成及其质量百分比为：锌：35%-42%，铝：2%-4%，锰：4%-7%，镍：0.53%-0.64%，硅-铬-铁合金，4%-7%，其余为铜。
[0006]进一步地，所述硅-铬-铁合金的组成及其质量百分比为：Si：20%-40%、Cr：20%-40%、Fe：30%-50%，各元素的质量百分比之和为100%。
[0008]铝(Al)：铝元素能够在合金中形成固溶体，通过替代铜或锌原子，增强合金的强度和硬度，抑制铜-锌相的形成，改善合金的热稳定性和耐磨性。
[0009]锰(Mn)：锰元素能够有效控制合金中锌的析出，特别在高温环境下，能提升合金的稳定性，减少析出物对合金性能的影响。
[0010]镍(Ni)：细化合金晶粒，提高其耐腐蚀性，减缓腐蚀速率。
[0011]硅-铬-铁合金：
硅(Si)：硅元素的锌当量系数高达10，会急剧缩小铜合金的α区。当硅元素含量升高时，会出现密集六方晶格的新相κ，此相在高温下有足够的塑性，并在一定温度下分解成(α+γ)共析体，从而提高合金的强度和硬度，增强材料的耐磨性和抗疲劳性能;
铬(Cr)：铬元素能够在合金中形成稳定的固溶体或析出相，提升合金的硬度、强度和高温耐性，且在高温下与氧形成钝化膜，有助于提升合金的耐蚀性和耐热性，究其原因在于：一方面，铬可以与锌形成Zn-Cr化合物，该化合物有助于提高合金的强度和耐腐蚀性;另一方面，当铬元素的添加量超过其在该铜合金的固溶极限时，铬原子会以第二相颗粒的形式析出，并在基体中弥散分布，这些析出的铬颗粒可以起到弥散强化的作用，进一步提高黄铜合金的强度和硬度;
铁(Fe)：铁元素有助于细化晶粒，抑制晶粒长大，提升合金的力学性能。
[0012]进一步地，新型承温耐磨铜合金的组成及其质量百分比为：锌：38.51%-38.71%，铝：2.64%-2.91%，锰：5.42%-5.64%，硅-铬-铁合金：6.03%-6.28%，镍：0.53%-0.64%，铜：46.89%-47.02%，各元素的质量百分比之和为100%。
[0013]一种如上所述的新型承温耐磨铜合金的应用，其中：所述新型承温耐磨铜合金用于制备在高温环境下依靠摩擦力工作的铜合金零件。
[0014]进一步地，所述铜合金零件为铜丝母。
[0015]进一步地，所述铜丝母的制备工艺包括以下步骤：
S1、根据新型承温耐磨铜合金的组成及其质量百分比称取电解铜板、电解镍板、锌锭、铝锭、电解锰板以及硅-铬-铁合金作为原料，留待后步使用;
S2、根据铜丝母的设计尺寸规格选取相应的离心铸造模具及工装，使用石墨涂料均匀涂布在离心铸造模具型腔的内壁上，涂层厚度为0.5mm~1mm;石墨涂料涂布完成后，将离心铸造模具进行烘烤，烘烤温度为300℃~350℃，烘烤时间为2小时，最后在180℃~230℃的温度下保温3小时，留待后步使用;
S3、冶炼：
S3-1、合金熔炼：
首先，在中频炉内加入步骤S1称取的电解铜板、电解镍板以及硅-铬-铁合金，送电熔炼至炉内材料呈现红热状态，保温50~100分钟，继续升温至1540℃~1560℃，待炉内材料完全熔化后，首次加入精炼剂，搅拌精炼3~5分钟，一次停电扒渣;
其次，一次停电扒渣完成后，将电解锰板、铝锭加入炉内，送电保持温度继续熔炼;
再次，待中频炉内原料完全熔化后，升温至1420℃~1460℃，二次加入精炼剂，精炼1~2分钟，二次停电扒渣;
最后，待中频炉内合金液完全转变为液相后(即全部化开后)，将锌锭加入合金液中，待锌锭完全熔化后三次加入精炼剂搅拌均匀，控制出炉温度为1080℃~1200℃;
S3-2、精炼除气：首先，铜合金液从中频炉转入铜水包中，在铜合金液面上加入CuRe15和CuTi20作为晶粒细化剂，晶粒细化剂的重量占铜合金溶液重量的0.6%，本发明在合金化学成分设计的基础上，采用微合金化法细化承温耐磨铜合金的晶粒，在铜合金熔炼后，向铜合金溶液表面添加0.6%的晶粒细化剂CuRe15和CuTi20(等质量比)，通过充分搅拌使其与合金中的元素反应，生成高熔点化合物，这些化合物在浇铸、凝固过程中充当结晶核心，从而有效细化晶粒，提升合金的力学性能;然后，在铜水包底部连接气瓶，向铜合金溶液中吹入惰性气体(干燥的N2)，调节气体的流量为10L/min~15L/min，向浇包内吹入惰性气体进行除渣、排气和搅拌，待铜合金溶液温度降至1000℃~1060℃时，停止吹气，进行扒渣，准备浇铸;
S3-3、首先，启动离心铸造设备，根据铜丝母铸件的设计尺确定离心机转速n为：
;
式中，n为离心铸造模具转速，单位为r/min;G为重力系数(一般取60-80);r0为铜丝母铸件内圆的半径，单位为cm;
然后，待离心铸造设备转速稳定后，将步骤S3-2精炼炉中的浇包转移至离心浇铸小车，按照“先慢后快再慢”的原则进行浇铸，浇铸过程应平稳、连续，铜合金液完全注入离心铸造模具型腔内5-10s后开启冷却喷淋系统，铜合金液快速冷却凝固，离心铸造设备持续运转30~40分钟后停机，制得铜丝母铸件坯料;
S4、冷却及清整：将步骤S3-3制备的铜丝母铸件坯料冷却至少3小时，然后开箱并清理批缝，最后将铜丝母铸件坯料从离心铸造模具中脱出，在空气中自然冷却至室温，制得铜丝母铸件;
S5、机械加工：根据设计尺寸要求对铜丝母铸件进行成品机械加工，并做标识以便于追溯，制得新型承温耐磨铜丝母。
[0016]进一步地，在所述步骤S3-2中，CuRe15和CuTi20的质量比为1:1。
[0017]进一步地，首次和二次加入的精炼剂为冰晶石，三次加入的精炼剂为DHCT-L。
[0018]本发明的有益效果在于：
1、耐磨性与强度的显著提升：通过设计铜合金的化学成分配比，优化制备工艺，新型铜合金的耐磨性和强度得到了显著提高，能够满足更高要求的使用环境，与传统材质ZHAl66-6-3-2相比，使用寿命提升了80%，采用该合金材料离心铸造的铜丝母可以正常装机使用20个月以上;
2、生产工艺的优化：本发明对铜丝母的制备工艺流程进行了全面优化，不仅提高了生产效率，还进一步提升了产品的质量稳定性;
3、成本效益的增强：本发明通过创新的原料配比和工艺优化，降低了原材料的投入成本，与传统材质ZHAl66-6-3-2相比，生产制作成本降低25%左右。
附图说明
[0019]图1为ZHAl66-6-3-2铜合金微观组织形貌图;
图2为实施例制备的新型承温耐磨铜合金的微观组织形貌图;
图3为实施例制备的新型承温耐磨铜合金的力学性能曲线图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0021]本具体实施方式中以制备630T铜丝母为例，包括以下步骤：
S1、根据新型承温耐磨铜合金的组成及其质量百分比称取电解铜板、电解镍板、锌锭、铝锭、电解锰板以及硅-铬-铁合金作为原料，留待后步使用;
本具体实施方式中，制备630T铜丝母的原料及其质量百分比如下表1所示;
表1 本实施例制备630T铜丝母的原料及其质量百分比
[0022]其中，硅-铬-铁合金的组成及其质量百分比为：Si：30%，Cr：30%，Fe(纯铁)：40%。
[0023]S2、根据630T铜丝母的设计尺寸规格选取相应的离心铸造模具及工装，并进行细致检查，确保离心模具表面无裂纹、锈蚀等缺陷，使用石墨涂料均匀涂布在离心铸造模具型腔的内壁上，涂层厚度为0.5mm~1mm;石墨涂料涂布完成后，将离心铸造模具放入烘烤窑进行烘烤，烘烤温度为300℃~350℃，烘烤时间为2小时，最后在180℃~230℃的温度下保温3小时，留待后步使用;
S3、冶炼：
S3-1、合金熔炼：
首先，在中频炉内加入步骤S1称取的电解铜板、电解镍板以及硅-铬-铁合金，送电熔炼至炉内材料呈现红热状态，保温50~100分钟，继续升温至1540℃~1560℃，待炉内材料完全熔化后，首次加入精炼剂(冰晶石)，搅拌精炼3~5分钟，一次停电扒渣;
其次，一次停电扒渣完成后，将电解锰板、铝锭加入炉内，送电保持温度继续熔炼;
再次，待中频炉内原料完全熔化后，升温至1420℃~1460℃，二次加入精炼剂(冰晶石)，精炼1~2分钟，二次停电扒渣;
最后，待中频炉内合金液完全转变为液相后(即全部化开后)，将锌锭加入合金液中，待锌锭完全熔化后三次加入精炼剂(DHCT-L)搅拌均匀，控制出炉温度为1080℃~1200℃;
S3-2、精炼除气：首先，铜合金液从中频炉转入铜水包中，在铜合金液面上加入CuRe15和CuTi20作为晶粒细化剂，晶粒细化剂的重量占铜合金溶液重量的0.6%，并且CuRe15和CuTi20的质量比为1:1;然后，在铜水包底部连接气瓶，向铜合金溶液中吹入惰性气体(干燥的N2)，调节气体的流量为10L/min~15L/min，向浇包内吹入惰性气体进行除渣、排气和搅拌，待铜合金溶液温度降至1000℃~1060℃时，停止吹气，进行扒渣，准备浇铸;
S3-3、首先，启动离心铸造设备，根据铜丝母铸件的设计尺确定离心机转速n为：
;
式中，n为离心铸造模具转速，单位为r/min;G为重力系数(一般取60-80);r0为铜丝母铸件内圆的半径，单位为cm;
然后，待离心铸造设备转速稳定后，将步骤S3-2精炼炉中的浇包转移至离心浇铸小车，浇铸过程应平稳、连续，铜合金液完全注入离心铸造模具型腔内5-10s后开启冷却喷淋系统，铜合金液快速冷却凝固，离心铸造设备持续运转30~40分钟后停机，制得铜丝母铸件坯料;
S4、冷却及清整：将步骤S3-3制备的铜丝母铸件坯料冷却至少3小时，然后开箱并清理批缝，最后将铜丝母铸件坯料从离心铸造模具中脱出，在空气中自然冷却至室温，制得铜丝母铸件;
S5、机械加工：根据设计尺寸要求对铜丝母铸件进行成品机械加工，并做标识以便于追溯，制得新型承温耐磨铜丝母。
[0024]对本实施例制备的铜丝母进行性能检查，检测结果如下。
[0025]一、化学成分检测结果，如下表2所示。
[0026]表2 本实施例制备的铜丝母的化学成分检测结果
[0027]二、不同温度下的力学性能检测结果，如下表3所示。
[0028]表3 不同温度下的力学性能检测结果
[0029]压力机对材料机械性能的要求如下表4所示。
[0030]表4 压力机对材料机械性能的要求
[0031]备注：螺旋压力机技术条件JB/T11869-2014。
[0032]根据表3检测结果可知，在室温和220℃以下的条件下(如图3所示)，该合金材料展现了卓越的机械性能，并且各项性能指标保持稳定，完全符合电动、摩擦系列锻压设备对铜丝母机械性能的要求。
[0033]三、耐磨性检测。
[0034]磨头材料：40Cr钢(调质态，240-270HB);使用介质：黄油:机油=5:1;
耐磨次数：2000次;冲程距离：60mm;负载：24N;循环速度：60r/min;
温度：从室温到320℃。
[0035]耐磨性检测结果如下表5所示。
[0036]表5 耐磨性检测结果
[0037]由表5可知，通过耐磨试验的检测结果对比，在室温至140℃，以上两种材质的质量损失相当，ZHAl66-6-3-2材质的铜合金在超过140℃以上时，耐磨性性能急剧下降，而本发明制备的铜丝母的耐磨性超过240℃时，耐磨性有所下降，通过此对比试验可得，本发明的铜合金材质在室温和240℃及以下时，该铜合金具有良好的耐磨性。
[0038]以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
说明书附图(3)
