CN103789569A - 新型轴承保持架材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型轴承保持架材料及其制造方法，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量。新型轴承保持架材料的制造方法，按以下步骤进行：a)：按比例配制原料；b)：中间合金棒的制备；c)：合金熔炼步骤。本发明采用多元微合金化的方法，所生产的产品在抗拉强度、硬度、延伸率等重要指标方面均达到甚至同类国际产品，而且还具有良好塑性、韧性和耐磨性，轴承使用寿命长，价格更加实惠。

Description

新型轴承保持架材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属合金材料领域，特别是涉及一种新型轴承保持架材料及其制造方法。

背景技术

轴承作为一种机械常用配件，被广泛应用于家电、航天航空、汽车、机械、仪表制造等各个领域，在现行的生产中，轴承的制造使用的一般都为黄铜以及在其基础上延伸的合金材料。

黄铜是以锌为主要合金元素的铜锌合金。黄铜具有良好的塑性和耐腐蚀性，良好的变形加工性能和铸造性能，在工业中有很强的应用价值。按化学成分的不同，黄铜可分为普通黄铜和特殊黄铜两类。铜锌合金固态下分别存在α、β、γ、σ、ε、η等六个相（见图1）。普通黄铜是Cu-Zn二元合金，α相是Zn在Cu中的固溶体。Zn在Cu中的溶解度变化不同于一般合金，其随温度的降低而增大。在903℃时，Zn的溶解度为32.5%；在456°C，Zn最大溶解度为39.0%。α固溶体有良好的力学性能和加工性能。在铸态，当Zn含量小于32%时，Zn完全溶于α固溶体，起固溶强化作用，黄铜的强度和塑性随Zn含量的增加而升高，直到30%。当Zn含量达到32%时合金组织中出现β相，塑性开始下降。当Zn含量达到36%时，成为（α+β）双相黄铜，铸态下呈两相组织；而强度在Zn=45%附近达到最大值；含Zn更高时，黄铜的组织全部为β’相，强度与塑性急剧下降。

在黄铜中加入锌以外的合金元素所得到一种比普通黄铜的机械性能、工艺性能和抗蚀性更好的铜合金叫特殊黄铜，是机械、造船、热工和化学工业应用最广的一种铜合金。

国内目前关于各种特殊黄铜材料的研制有很多，但是在制造轧路机械、建筑机械等在冲击载荷下工作的大型设备过程中，所使用的特殊黄铜、以及由特殊黄铜制备的高寿命轴承基本都是依靠到德国等发达国家进口；国内所生产的轴承中，其总体力学性能基本没有能达到：Rm≥360Mpa；HB≥80HB；A≥20%的，故研发一种在提高强度、硬度的同时，又能具有良好塑性、韧性和耐磨性的特殊黄铜，以及使用上述特殊黄铜制备高性能、高寿命、价格实惠的轴承为一重大课题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种新型轴承保持架材料及其制造方法，本发明采用多元微合金化的方法，所生产的产品在抗拉强度、硬度、延伸率等重要指标方面均达到甚至超过Rm≥360Mpa；HB≥80HB；A≥20%的同类国际产品，而且还具有良好塑性、韧性和耐磨性，轴承使用寿命长，价格更加实惠。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新型轴承保持架材料，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量。

在本发明一个较佳实施例中，按重量计算，新型轴承保持架材料由下列合金元素成分组成： Cu：59.5-61.0%，Al：0.4-0.6%，Pb：1.2-1.5%，Ni：0.3-0.5%，Fe：0.3-0.5%，Ti：0.3-0.5%，Mo：0.1-0.25%，稀土金属元素：0.1-0.25%，Zn余量。

在本发明一个较佳实施例中，所述的稀土金属元素为Sc或Ce。

在本发明一个较佳实施例中，所述的Mo和Sc的总含量小于等于0.45%。

在本发明一个较佳实施例中，所述的Mo和Ce的总含量小于等于0.40%。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种新型轴承保持架材料的制造方法，按以下步骤进行：

a)：按比例配制原料；

b)：中间合金棒的制备：将Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素的重量配比按照Cu：微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素为1.8-3：1的比例放入真空熔炼炉内熔炼，待全部熔化后在1250℃保温15-22分钟后浇注、空冷制得中间合金棒，其中，真空为：10^-1Pa；

c)：合金熔炼步骤：将剩余Cu和中间合金棒一齐放入炉内加热熔炼，全部熔化后，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始依次加入Zn、Pb、Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃保温8-15分钟开始浇铸、成型。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种新型轴承保持架材料的制造方法，按以下步骤进行：

a)：按比例配制原料；

b)：在前述配料下，增加0.13-0.18%的Al元素和0.18-0.32%Fe元素重量；

c)：先将所有的Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素按比例配制放入炉中加热至全部熔化，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始加入Zn、Pb搅拌，待熔化后加入Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃，后保温8-15分钟开始浇铸、成型。

本发明的有益效果是：本发明综合利用了各元素的力学性能和加工性能，在提高强度、硬度的同时，又使材料保持具有良好塑性、韧性和耐磨性；经过检测，材料总体力学性能均达到外国同类轴承保持架材料的力学性能，经上述材料铸造的新型产品其性能指标均达到甚至超过Rm≥360Mpa，HB≥80HB，A≥20%，本发明完全能满足轧路机械、建筑机械等冲击载荷下工作的大型设备使用轴承的高端要求，而且轴承使用寿命长，价格更加实惠。

附图说明

图1是铜锌合金在固态下存在的六相视图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种新型轴承保持架材料，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量。

优选的，所述的新型轴承保持架材料，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：59.5-61.0%，Al：0.4-0.6%，Pb：1.2-1.5%，Ni：0.3-0.5%，Fe：0.3-0.5%，Ti：0.3-0.5%，Mo：0.1-0.25%，稀土金属元素：0.1-0.25%，Zn余量。

优选的，所述的稀土金属元素为Sc或Ce。

优选的，所述的Mo和Sc的总含量小于等于0.45%。

优选的，所述的Mo和Ce的总含量小于等于0.40%。

在上述配比方案的基础上，本发明设计两套新型轴承保持架材料的制造方法：

方法一：

一种新型轴承保持架材料的制造方法，按以下步骤进行：

a)：按重量百分比计算，配比下列原料：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量；

b)：中间合金棒的制备：将Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素的重量配比按照Cu：微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素为1.8-3：1的比例放入真空熔炼炉内熔炼，待全部熔化后在1250℃保温15-22分钟后浇注、空冷制得中间合金棒，其中，真空为：10^-1Pa；

c)：合金熔炼步骤：将剩余Cu和中间合金棒一齐放入炉内加热熔炼，全部熔化后，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始依次加入Zn、Pb、Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃保温8-15分钟开始浇铸、成型。

方法二：

一种新型轴承保持架材料的制造方法，按以下步骤进行：

a)：按重量百分比计算，配比下列原料：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量；

b)：在上述配制原料的基础上，增加0.13-0.18%的Al元素和0.18-0.32%Fe元素重量；

c)：先将所有的Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素按比例配制放入炉中加热至全部熔化，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始加入Zn、Pb搅拌，待熔化后加入Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃，后保温8-15分钟开始浇铸、成型。

实施例1

一种新型轴承保持架材料，按重量百分比计算，配比下列原料：Zn：36.6%，Pb：1.20%，Fe：0.325%，Ni：0.316%，Al：0.40%；Ti：0.332%；Cu：60.5%，Mo：0.15%，Sc：0.177%。

其制造方法，具体按以下步骤进行：

1)：中间合金棒的制备：将Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、Sc按照Cu：微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、Sc为2：1的比例放入真空感应熔炼炉内熔炼，待全部熔化后在1250℃保温18分钟后浇注、空冷制得中间合金棒，其中，真空为：10^-1Pa；

2)：合金熔炼步骤：将剩余Cu和中间合金棒一齐放入炉内加热熔炼，全部熔化后，在1250℃保温10分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始依次加入Zn、Pb、Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃保温10分钟开始浇铸、成型。

实施例2

一种新型轴承保持架材料，按重量百分比计算，配比下列原料：Zn：36.9%，Pb：1.51%，Fe：0.385%，Ni：0.461%，Al：0.579%，Ti：0.346%，Cu：59.5%，Mo：0.109%，Ce：0.21%。

其制造方法，具体按以下步骤进行：

1)：在上述配制原料的基础上，增加0.16%的Al元素和0.28%Fe元素重量；

2)：先将所有的Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、Ce按比例配制放入炉中加热至全部熔化，在1250℃保温10分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始加入Zn、Pb搅拌，待熔化后加入Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃，后保温12分钟开始浇铸、成型。

实施例3

一种新型轴承保持架材料，按重量百分比计算，配比下列原料：Zn：35.5%，Pb：1.12%，Fe：0.23%，Ni：0.255%，Al：0.32%，Ti：0.15%，Cu：62.1%，Mo：0.22%，Ce：0.105%。

其制造方法，具体按以下步骤进行：

1)：中间合金棒的制备：将Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、Ce按照Cu：微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、Ce为2.5：1的比例放入真空感应熔炼炉内熔炼，待全部熔化后在1250℃保温20分钟后浇注、空冷制得中间合金棒，其中，真空为：10^-1Pa；

2)：合金熔炼步骤：将剩余Cu和中间合金棒一齐放入炉内加热熔炼，全部熔化后，在1250℃保温12分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始依次加入Zn、Pb、Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃保温12分钟开始浇铸、成型。

对比例1-对比例3的试样取自于德国进口轴承保持器的保持架体材料，在表1中列出了强度、硬度、延伸率和摩擦系数的性能测试结果。表1中还列出了实施例1-实施例3的强度、硬度、延伸率和摩擦系数的性能测试结果。

 

表1

本发明的性能测试结果表明：平均抗拉强度401.2MPa，高于德国进口轴承保持器的保持架体材料抗拉强度（德国进口保持器平均抗拉强度373.9 MPa）；平均硬度HB95.7，高于德国进口轴承保持器的保持架体材料硬度（德国进口保持器平均硬度为HB84）性能；平均延伸率34.8%，高于德国进口轴承保持器的保持架体材料延伸率（德国进口保持器平均延伸率为20.3%）；平均摩擦系数0.098，低于德国进口轴承保持器的保持架体材料摩擦系数（德国进口保持器平均摩擦系数为0.19）。

本发明进一步从微观组织分析，通过自行设计的合金成分的轴承保持架用铜合金铸态组织跟以前比发生明显变化，实现自液相中析出α相，随温度下降，在903℃发生包晶反应：L+α→β，随着温度的降低，α相中会分析β，铅相以单质Pb的形式存在，因此铸态形成α+β+Pb组织。

本发明采用多元微合金化的方法，在传统黄铜中加入适当的合金元素Al、Fe、Ni、Pb、Ti、Mo、稀土金属元素，Al、Ni和Ti元素均能大量溶于α或β相，起固溶强化作用，在提高合金的强度和硬度的同时能显著改善黄铜的抗蚀性。其中：添加Pb主要为了改善切削加工性能，并提高耐磨性；Al能提高黄铜的强度和硬度，同时能使黄铜表面形成保护性的氧化膜，因而改善黄铜在大气中的抗蚀性；加入Fe可起到提高黄铜再结晶温度和细化晶粒的作用，使力学性能提高，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性；Ni可提高黄铜的再结晶温度和细化晶粒，提高力学性能和抗蚀性，降低应力腐蚀开裂倾向；Ti同样可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒，使材料的强韧性提高；Mo能改善材料的耐腐蚀性、强度和耐磨性能；添加适量的稀土金属元素能够进一步稳定和提高材料性能。

本发明综合利用了各元素的力学性能和加工性能，在提高强度、硬度的同时，又使材料保持具有良好塑性、韧性和耐磨性；经过检测，材料总体力学性能均达到外国同类轴承保持架材料的力学性能，经上述材料铸造的新型产品其性能指标均达到甚至超过Rm≥360Mpa，HB≥80HB，A≥20%，其可代替进口产品批量生产，具有极高的经济价值；本发明完全能满足轧路机械、建筑机械等冲击载荷下工作的大型设备使用轴承的高端要求，而且轴承使用寿命长，价格更加实惠。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种新型轴承保持架材料，其特征在于，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：57.0-62.0%，Al：0.3-0.7%，Pb：1.0-2.0%，Ni：0.2-0.6%，Fe：0.2-0.5%，Ti：0.15-0.5%，Mo：0.1-0.3%，稀土金属元素：0.1-0.3%，Zn余量。

2.根据权利要求1所述的新型轴承保持架材料，其特征在于，按重量计算，由下列合金元素成分组成：Cu：59.5-61.0%，Al：0.4-0.6%，Pb：1.2-1.5%，Ni：0.3-0.5%，Fe：0.3-0.5%，Ti：0.3-0.5%，Mo：0.1-0.25%，稀土金属元素：0.1-0.25%，Zn余量。

3.根据权利要求1或2所述的新型轴承保持架材料，其特征在于，所述的稀土金属元素为Sc或Ce。

4.根据权利要求3所述的新型轴承保持架材料，其特征在于，所述的Mo和Sc的总含量小于等于0.45%。

5.根据权利要求3所述的新型轴承保持架材料，其特征在于，所述的Mo和Ce的总含量小于等于0.40%。

6.一种生产权利要求1所述的新型轴承保持架材料的制造方法，其特征在于，按以下步骤进行：

a)：按比例配制原料；

b)：中间合金棒的制备：将Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素的重量配比按照Cu：微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素为1.8-3：1的比例放入真空熔炼炉内熔炼，待全部熔化后在1250℃保温15-22分钟后浇注、空冷制得中间合金棒，其中，真空为：10^-1Pa；

c)：合金熔炼步骤：将剩余Cu和中间合金棒一齐放入炉内加热熔炼，全部熔化后，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始依次加入Zn、Pb、Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃保温8-15分钟开始浇铸、成型。

7.一种生产权利要求1所述的新型轴承保持架材料的制造方法，其特征在于，按以下步骤进行：

a)：按比例配制原料；

b)：在前述配料下，增加0.13-0.18%的Al元素和0.18-0.32%Fe元素重量；

c)：先将所有的Cu与微量合金元素Ni、Fe、Ti、Mo、稀土金属元素按比例配制放入炉中加热至全部熔化，在1250℃保温8-15分钟，随后开始降温，待温度降至970℃时，开始加入Zn、Pb搅拌，待熔化后加入Al搅拌，随后升至浇铸温度1030℃，后保温8-15分钟开始浇铸、成型。

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