一种cu-ni-sn系合金制品的加工方法
技术领域
1.本发明涉及合金加工技术领域，具体地说是一种cu-ni-sn系合金制品的加工方法。
背景技术：
2.cu-ni-sn系合金是一种新型弹性合金，具有强度高、硬度高、抗腐蚀、时效后变形小、无毒环保等优点，同时还具有低摩擦系数和低磨损率的特性，被广泛用于高载荷与高速等环境下的轴承、轴套和轴瓦等零件。sn含量高于4%时，在低于500℃下进行时效处理，合金各相发生转变：初期合金内α固溶体发生调幅分解，形成高sn与低sn交替的调幅组织，随后在富sn区发生do
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和l12有序相转变，在此阶段合金强度达到峰值，后期有序相转变为do3型γ不连续沉淀相，并在晶界处形成α+γ相不连续沉淀，合金性能开始下降。
3.为了让cu-ni-sn系合金获得较高的性能，通常会采用大于50%的冷加工率+时效处理的方法，或冷加工+时效处理循环组合的方式进行。高冷加工率制备的板材进行二次加工(弯曲、冲压成型)会引起产品开裂，时效后的板材虽然塑性有所提升，但由于强度过高且存在一定数量的不连续沉淀，二次加工对设备能力要求很大。因此亟需发明一种新的制备方法，成品前预加工率控制在30%以内，保证板材晶粒形貌近似为等轴晶，力学性能接近各向同性，降低二次加工难度与设备要求，二次加工后采用新的时效工艺依然可以达到高强度、高硬度的性能要求。
4.同时cu-ni-sn系合金在制备过程中极易产生sn偏析。现有工艺通常采用快速冷凝法、粉末冶金法、机械合金化法与喷射沉积法等制备方式来减少sn偏析，但这些制备方式存在设备昂贵、工艺复杂和制备成本高等问题。相对低成本的真空熔炼法对sn偏析的改善能力较弱，因此需要发明一种新的热处理方式解决真空熔炼铸锭的sn偏析问题。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提供一种用于解决真空熔炼铸锭的sn偏析以及低预变形时效性能低的问题的cu-ni-sn系合金制品的加工方法。该方法用于均匀化处理cu-ni-sn系合金真空熔炼铸锭，并通过所述时效工艺使得低预变形的cu-ni-sn系合金板材加工成产品后达到高强度、高硬度的性能技术要求。
6.本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：一种cu-ni-sn系合金制品的加工方法，该加工方法包括以下步骤：铸造：材料化学成分按重量百分比为：5.0~6.0%的ni，5.0~6.0%的sn，余量为cu，按上述百分比取电解铜、电解镍和锡块，装入坩埚后，封炉并抽真空，真空度0~20pa。将真空感应熔炼炉送电进行原料熔化，熔化温度为1200~1400℃，待熔化完全后，降低功率，将炉温控制在1150~1180℃，精炼30~40min，精炼完成后充入氩气至真空度达到0.06~0.08mpa，倾炉2~3次，带电浇铸，浇铸温度为1120~1150℃，冷却15~30min，取样分析成分；均匀化处理与锻造：铸锭车光后进行均匀化处理，均匀化处理的加热温度800~900
℃，保温时间20~30h，保温结束后进行锻造，终锻温度680~740℃，经三镦三拔后加工为板坯；热轧：将锻坯表面修理后再装入加热炉，加热温度800~840℃，保温时间1~2h，终轧温度620~700℃，热轧总加工率为60~80%，道次加工率为10~20%；多次固溶处理与冷轧：将热轧后板坯装入加热炉，加热温度780~800℃，保温时间1~2h，保温结束后迅速入水冷却至室温，对板材表面进行修理，表面无缺陷后进行冷轧。两次固溶处理间总加工率为50~70%，道次加工率为15~20%，板材成品前冷轧总加工率10~30%，道次加工率5~10%；板材二次加工与多级时效：板材二次加工为产品后进行多级时效，一级时效温度180~320℃，保温时间80~140min；二级时效温度380~440℃，保温时间180~240min。
7.本发明优选的均匀化处理的加热温度820~860℃，保温时间22~24h。
8.本发明优选的一级时效温度为200~300℃，保温时间为100~120min；二级时效温度为380~400℃，保温时间为180~200min。
9.机理及技术效果真空熔炼的铸锭在820~860℃下进行22~24h长时间均匀化处理后，可有效消除铸锭内应力，解决铸造结晶过程中枝晶偏析严重所造成的sn分布不均问题，并使柱状晶转变为等轴晶，经过该方法处理的铸锭可进行三镦三拔锻造而不开裂。
10.由于cu-ni-sn系合金中α相为面心立方结构，极易发生加工硬化。因此，不大于30%的预冷加工既可降低冷加工所引起的强度与硬度的升高，保证板材晶粒形貌近似为等轴晶，力学性能各向同性，降低二次加工难度与设备要求，也能一定程度上抑制时效过程中α+γ相的不连续沉淀，阻碍条幅组织粗化，降低时效难度，保证合金的综合性能。但由于预冷加工率较低，调幅分解的促进能力有限，单次的长时间高温时效虽然可以使得材料硬度满足要求，但也会导致γ相沿晶界析出，降低晶界结合力，降低强度甚至发生开裂现象。预先进行180~320℃/80~140min时效处理，可以使得析出相主要集中在晶内，再进行380~440℃/180~240min时效处理，可保证合金强度。此外较低的冷加工率会使材料内存在残余应力，一级时效消除残余应力后再进行二级时效，对成品质量极有好处。
11.本工艺流程简单，能够有效解决sn偏析问题，并改善铸造组织，使其能承受如锻造等大变形量的热加工。冷加工率小于30%的板材，对后续二次加工的设备要求低，易成型，适于工业化生产。二次加工后通过多级时效可显著提升产品的力学性能，抗拉强度可达830mpa，屈服强度可达740mpa，维氏硬度可达270，延伸率不小于10%，其性能适用于高载荷与高速等环境下的轴承、轴套和轴瓦等零件。
12.下面将通过实例对本发明具体实施方式作详细说明，以下说明仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。
13.实例1铸造：以电解铜、电解镍和锡块为原料，各成分质量分别为：17750g电解铜、1100g电解镍和1160g锡块，共重20010g。将原料装入坩埚，封炉并抽真空，真空度12pa。将真空感应熔炼炉送电进行原料熔化，熔化温度为1320℃，待熔化完全后，降低功率，将炉温控制在1180℃，精炼40分钟，精炼完成后充入氩气至真空度达到0.08mpa，倾炉3次，带电浇铸，浇铸温度为1150℃，冷却15min，取出铸锭，铸锭尺寸为φ100*280mm，取样分析成分，测得合金成
分为：ni为5.61%，sn为5.90%；均匀化处理与锻造：将铸锭车光至φ98mm。装炉进行均匀化处理，加热温度830℃，保温时间24h，保温结束后进行三镦三拔锻造，终锻温度700℃，加工为板坯，厚度40.5mm；热轧：将板坯表面修理，修磨至38.2mm。装炉加热，加热温度830℃，保温时间1h，轧至12.0mm，终轧温度660℃，总加工率为69%，平均道次加工率18%；多次固溶处理与冷轧：重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至10.5mm，冷轧至3.5mm，总加工率为67%，平均道次加工率为16%；重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至3.4mm，冷轧至2.4mm，总加工率为29%，平均道次加工率为8%；多级时效：将板材装炉加热，设定一级加热温度200℃，保温时间120min，二级加热温度380℃，保温时间180min，保温结束后随炉冷却。
14.对比实验：将同一板材采用单级时效制度获得对比板材，对比板材的时效制度分别为380℃保温180min、380℃保温240min和380℃保温300min，测得的实例1板材和对比板材性能如表1所示。
15.表1 抗拉强度/mpa屈服强度/mpa维氏硬度延伸率/%实例183574427313380℃/180min73061727613380℃/240min74563028217380℃/300min71862228016.5实例2铸造：配料与实例1相同，将原料装入坩埚，封炉并抽真空，真空度10pa。将真空感应熔炼炉送电进行原料熔化，熔化温度为1360℃，待熔化完全后，降低功率，将炉温控制在1160℃，精炼35分钟，精炼完成后充入氩气至真空度达到0.07mpa，倾炉3次，带电浇铸，浇铸温度为1140℃，冷却20min，取出铸锭，铸锭尺寸为φ100*280mm，取样分析成分，测得合金成分为：ni为5.62%，sn为5.86%；均匀化处理与锻造：铸锭车光至φ98mm。装炉进行均匀化处理，加热温度820℃，保温时间24h，保温结束后进行三镦三拔锻造，终锻温度690℃，加工为板坯，厚度39.6mm；热轧：将板坯表面修理，修磨至37.7mm。装炉加热，加热温度830℃，保温时间1.5h，轧至11.8mm，终轧温度640℃，总加工率为69%，平均道次加工率17%；多次固溶处理与冷轧：重新装炉，固溶处理加热温度790℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至10.8mm，冷轧至3.5mm，总加工率为68%，平均道次加工率为18%；重新装炉，固溶处理加热温度790℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至3.4mm，冷轧至2.4mm，总加工率为29%，平均道次加工率为8%；多级时效：将板材装炉加热，设定一级加热温度180℃，保温时间80min，二级加热温度440℃，保温时间240min，保温结束后随炉冷却。测得的实例2板材性能如表2所示。
16.表2
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抗拉强度/mpa屈服强度/mpa维氏硬度延伸率/%实例282673027012实例3铸造：配料与实例1相同，将原料装入坩埚，封炉并抽真空，真空度8pa。将真空感应熔炼炉送电进行原料熔化，熔化温度为1380℃，待熔化完全后，降低功率，将炉温控制在1160℃，精炼40分钟，精炼完成后充入氩气至真空度达到0.08mpa，倾炉2次，带电浇铸，浇铸温度为1130℃，冷却15min，取出铸锭，铸锭尺寸为φ100*280mm，取样分析成分，测得合金成分为：ni为5.59%，sn为5.88%；均匀化处理与锻造：铸锭车光至φ98mm。装炉进行均匀化处理，加热温度880℃，保温时间20h，保温结束后进行三镦三拔锻造，终锻温度720℃，加工为板坯，厚度40.6mm；热轧：将板坯表面修理，修磨至38.6mm，装炉加热，加热温度820℃，保温时间1h，轧至10.5mm，终轧温度620℃，总加工率为73%，平均道次加工率20%；多次固溶处理与冷轧：重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至9.7mm，冷轧至3.1mm，总加工率为68%，平均道次加工率为18%；重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至3.0mm，冷轧至2.4mm，总加工率为20%，平均道次加工率为6%；多级时效：将板材装炉加热，设定一级加热温度200℃，保温时间120min，二级加热温度380℃，保温时间180min，保温结束后随炉冷却，测得的实例3板材性能如表3所示。
17.表3 抗拉强度/mpa屈服强度/mpa维氏硬度延伸率/%实施例381372827210实例4铸造：配料与实例1相同，将原料装入坩埚，封炉并抽真空，真空度10pa。将真空感应熔炼炉送电进行原料熔化，熔化温度为1330℃，待熔化完全后，降低功率，将炉温控制在1150℃，精炼35分钟，精炼完成后充入氩气至真空度达到0.06mpa，倾炉3次，带电浇铸，浇铸温度为1140℃，冷却30min，取出铸锭，铸锭尺寸为φ100*280mm，取样分析成分，测得合金成分为：ni为5.56%，sn为5.92%；均匀化处理与锻造：铸锭车光至φ98mm。装炉进行均匀化处理，加热温度860℃，保温时间22h，保温结束后进行三镦三拔锻造，终锻温度700℃，加工为板坯，厚度39.7mm；热轧：将板坯表面修理，修磨至38.8mm。装炉加热，加热温度800℃，保温时间2h，轧至9.7mm，终轧温度620℃，总加工率为75%，平均道次加工率19%；多次固溶处理与冷轧：重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至8.6mm，冷轧至2.8mm，总加工率为69%，平均道次加工率为16%；重新装炉，固溶处理加热温度800℃，保温时间1h，保温结束后迅速入水冷却至室温，将板坯表面修理，修磨至2.7mm，冷轧至2.4mm，总加工率为11%，平均道次加工率为5%；多级时效：将板材装炉加热，设定一级加热温度200℃，保温时间120min，二级加热温度380℃，保温时间180min，保温结束后随炉冷却，测得的实例4板材性能如表4所示。
18.表4 抗拉强度/mpa屈服强度/mpa维氏硬度延伸率/%实施例478668226714.5实例结论由于将板材二次加工为产品后无法测试其抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能，所以将制备的板材直接进行多级时效处理来评估产品性能。
19.由实例1板材和对比板材性能对比可知，相比于单级时效，经过多级时效处理后的板材综合性能最佳。
20.由实例1~实例4板材性能参数可知，为降低产品后续二次加工难度和成本，保证板材晶粒形貌近似为等轴晶，将时效前预加工率控制在10~30%以内。通过多级时效可显著提高其抗拉强度、屈服强度、延伸率与维氏硬度。采用该方法制备的板材既可利于二次加工，也可保证二次加工为产品后具有良好的力学性能，适用于高载荷与高速等环境下的轴承、轴套和轴瓦等零件。
21.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的实施方式进行修改或者等同替换，而不脱离本发明实施方式的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。