CN102719696B - 一种弹性黄铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种弹性黄铜合金材料，包括含70～71%重量铜，24～25%重量锌，2～3%重量铝，1～3%重量镍和0.5～1%重量铬，制备方法包括熔炼、热轧、固溶处理、退火冷轧和时效处理。在金属基本中加入固溶度随温度降低而降低的铬元素，通过高温固溶淬火处理形成过饱和固溶体，再经过时效处理过饱和固溶体分解，形成大量细小弥散的Cr颗粒，弥散分布在基体中形成沉淀相，从而提高合金强度、导电率和弹性。采用上述方法制备的弹性黄铜合金带材，制成保险丝夹后，其温升、电气性能等均符合技术要求，可以代替稀缺的锡磷青铜在相应领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种弹性黄铜合金及其制备方法。
背景技术
目前，锡磷青铜带材是应用最广泛的铜合金弹性材料之一，应用于制作电器接插件、开关、连接器等各种弹性元件。随着电子、通讯和汽车行业的高速发展，锡磷青铜带材的需求量与日剧增，因此迫切需要开发出锡磷青铜的替代材料及其生产方法。
英式高端插头中往往配有保险丝，这样更易保证用户的安全。而安装保险丝的保险丝夹应采用锡磷青铜材料。锡磷青铜的价格比较昂贵，尤其是锡资源短缺，迫切需要开发出一款价格更为低廉的产品。同时，开发出适合此种材料的制备工艺也显得尤为重要。
虽然已有相关文献对替代材料的成分进行了报道，主要以Cu-Zn-Al系列为主，并在此基础上添加Ni、Co、Si、Zr等其它元素，生产工艺主要采用热轧（挤压）-冷轧（拉伸）-退火工艺，但还没有开发出适合替代锡磷青铜合金材料及其制备工艺。
发明内容
本发明的目的是开发出一种代替锡磷青铜合金的弹性黄铜合金材料及其制备工艺。
本发明采用的技术方案是：一种弹性黄铜合金材料，其组成含量包括：70～71%重量的铜，24～25%重量的锌，2～3%重量的铝，1～3%重量的镍，0.5～1%重量的铬，余量为不可避免杂质。
一种弹性黄铜合金材料的制备方法，包括以下步骤：
a）、熔炼，在中频炉中先加入铜—镍中间合金和电解铜，在1100～1150℃熔炼，待熔化后加入锌锭和铝锭，最后加入铜—铬中间合金，然后在1080～1130℃铁模浇铸；
b）、热轧，将上述合金铸锭先在步进炉温为750～850℃加热60～120分钟，然后热轧成板材；
c）、固溶处理，将上述热轧板材在退火炉温为800～850℃保温30～90分钟，接着升温至900～910℃，保温1～3分钟后迅速放入水池中淬火，至板材冷却到50℃以下捞起；
d）、退火冷轧，将上述已淬火板材，酸洗粗轧，再经过退火酸洗中轧，再退火酸洗精轧，其中退火炉温600～750℃，保温0.5～2小时；
e）、时效处理，将经过粗、中、精轧成0.5～0.55mm厚合金板材放入退火炉中进行时效处理，炉温200～350℃保温0.5～2小时后，酸洗、分条包装。
本发明在原有的铜锌合金加入铝、镍和铬元素，并在制备工艺中增加固溶和时效处理，达到提高黄铜合金强度和弹性的效果。
合金中铝元素加入后缩小α相区，形成β相的趋势大，强化效果好。在熔炼中能形成氧化铝保护膜，阻止锌蒸发，从而减少锌烧损。同时，铝能提高耐磨性、耐蚀性、弹性等。在成品中，Al的表面离子化倾向比锌的大，优先形成致密而坚固的氧化铝膜，可防止合金的进一步氧化。但Al含量高时，会出现γ相，提高合金的强度和硬度，大幅度降低塑性，不利于后道加工。因此，Al加入量一般控制在1～4%左右。如HAl77-2、HAl60-1-1、Hal59-3-2经过加工后弹性模量分别可以达到102、105、100Gpa。
镍在黄铜中使α相区扩大，向高锌黄铜中添加镍，可获得含有少量β相的高强度合金。同时具有提高强度、韧性、抗脱锌及抗应力腐蚀开裂作用，且压力加工性能较好。例如HNi65-5弹性模量可以达到112Gpa。有研究表明：加入Ni可以达到显著细化晶粒的效果。值得注意的是，在黄铜中加入一定量的镍和铝，具有显著的回火硬化效应。
铬可与铜形成固溶体，而且其固溶度随着温度的下降而显著减少，利用这一特性将含铬的铜合金可以在一定温度下加热，然后迅速淬入水中，这样铬粒子就固溶到了铜基体中，然后通过一定温度、时间的退火，铬粒子从铜基体中析出，这些纳米级的铬粒子弥散地分布于基体中，显著地提高合金材料的强度、电导率、弹性等。即铜中加入铬具有显著的固溶-时效效应，并能较大幅度地提高弹性等。
在金属基体中加入固溶度随温度降低而降低的铬元素，通过高温固溶淬火处理，含Cr合金经过固溶后使得Cr固溶于Cu基体中，形成过饱和固溶体，再通过时效处理过饱和固溶体分解，铬元素以一定方式析出，形成大量细小弥散的Cr颗粒，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高合金强度、导电率和弹性模量。
采用上述方法制备的弹性黄铜合金带材，制成保险丝夹后，其温升、电气性能等均符合技术要求，可以代替稀缺的锡磷青铜在相应领域的应用。
具体实施方式
以下结合附表实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
采用50Kg中频感应炉熔炼，先加入Cu-Ni中间合金、电解铜，熔炼温度1100～1150℃,待熔化后，加入锌锭、Al丝，最后加入Cu-Cr中间合金，然后浇注，温度为1080～1130℃。采用铁模浇注，铸锭尺寸为60mm×120mm×450mm，经铣面后的尺寸为48mm×120mm×450mm。合金成分如下：
铜为70%重量，锌为24%重量，铝为3%重量，镍为2.5%重量，铬为0.5%重量，其中铜和锌中杂质含量各小于0.1%重量。
弹性黄铜合金按照热轧-固溶处理-酸洗-粗轧-退火-酸洗-中轧-退火-酸洗-预精轧-退火-酸洗-精轧-时效处理-酸洗-分条-包装工艺制备。弹性黄铜合金成品厚度为0.50mm。
热轧过程中，铸锭首先在步进炉中加热60～120分钟，温度为750～850℃，然后采用φ305二辊热轧机轧制成3.5mm后的板坯。
固溶处理，在箱式退火炉中进行加热，温度850℃，保温30分钟后升到900℃，保温1-3分钟，然后将样品迅速放水池中淬火，直至样品冷却到50℃以下，将样品从水池中取出。
退火的工艺参数为：温度600～750℃，保温时间0.5～2小时。粗轧和中轧均采用φ250×350四辊轧机轧制，粗轧、中轧后板坯的厚度分别为2.0mm、1.1mm。应用φ80～φ180四辊冷轧机进行板带的预精轧和精轧,预精轧及精轧后板坯的厚度分别为0.55mm、0.5mm。酸洗过程包括酸洗、压酸水浸、尼龙刷刷、水冲、烘干、钢丝刷刮刷。
时效处理，在箱式退火炉中进行加热，温度300～350℃，保温时间0.5～1.5小时。
弹性黄铜合金成品与保险丝夹用锡磷青铜成品性能的比较如表1所示。
表1 弹性黄铜合金成品与锡磷青铜成品性能的比较
| 样品类别 | 抗拉强度（Mpa） | 延伸率（%） | 弹性模量（Gpa） | 电导率（%IACS） | 硬度（HV） |
| 弹性黄铜合金 | 630 | 16 | 111.2 | 17.6 | 197 |
| 锡磷青铜 | 601.5 | 24.25 | 113.4 | 10.6 | 202 |
弹性黄铜合金成品的弹性模量、硬度与锡磷青铜的弹性模量、硬度相当，而抗拉强度、电导率高于锡磷青铜相应的性能。虽然弹性黄铜合金的延伸率略低于锡磷青铜，但并不影响材料的冲压成型。
然后将弹性黄铜合金成品经冲压成型后制成保险丝夹，并进行了温升、电器性能检测，结果如表2所示。可见，温升均不超过52K，且保险丝夹经插拔20次以及30次之后，其电器性能均合格。采用上述工艺制备的弹性黄铜合金可以替代锡磷青铜在保险丝夹领域的应用。
表2 弹性黄铜合金制成保险丝夹后的检测结果
实施例2
合金成份为：铜71%重量，锌25%重量，铝2%重量，镍1%重量，铬1%重量，其中铜和锌中杂质含量各小于0.1%重量。
制备方法与实施例1基本相同，区别在于：
固溶处理，在箱式退火炉中加热温度800℃保温90分钟，接着升温至910℃保温1-3分钟，然后将样品迅速放入水池中淬火，直至样品冷却到50℃以下，将样品从水池中取出。
时效处理，在箱式退火炉中进行加热，温度200～300℃，保温时间1.5～2小时。
合金强度和弹性列表3所示
表3 合金性能
| 样品类别 | 抗拉强度（Mpa） | 延伸率（%） | 弹性模量（Gpa） | 电导率（%IACS） | 硬度（HV） |
| 弹性黄铜合金 | 642 | 15 | 112.3 | 20.8 | 201 |
表3所示为制备合金的性能，可见弹性模量达到了112.3Gpa，接近锡磷青铜的弹性模量。
Claims (5)
1.一种弹性黄铜合金材料的制备方法，弹性黄铜合金的组成含量为：70～72%重量的铜，24～25%重量的锌，2.0～3.0%重量的铝，1～3%重量的镍，0.5～1%重量的铬，余量为不可避免杂质，其特征包括以下步骤：
a）、熔炼，在中频炉熔炼，先加入铜—镍中间合金和电解铜，在1100～1150℃熔炼，待熔化后加入锌锭和铝锭，最后加入铜—铬中间合金，然后在1080～1130℃铁模浇铸；
b）、热轧，将上述合金铸锭先在步进炉温为750～850℃加热60～120分钟，然后热轧成板材；
c）、固溶处理，将上述热轧板材在退火炉温为800～850℃保温30～90分钟，接着升温至900～910℃，保温1～3分钟后迅速放入水池中淬火，直板材冷却到50～60℃下捞起；
d）、退火冷轧，将上述已淬火板材，酸洗粗轧，再经过退火酸洗中轧，再退火酸洗精轧，其中退火炉温600～750℃，保温0.5～2小时；
e）、时效处理，将经过粗、中、精轧成0.5～0.55mm厚合金板材放入退火炉中进行时效处理，炉温200～350℃保温0.5～2小时后，酸洗、分条包装。
2.根据权利要求1所述的一种弹性黄铜合金材料的制备方法，其特征是c）步所述固溶处理，将所述热轧板材在温度为850℃退火炉中保温30分钟后，升到900℃保温1～3分钟，然后将样品迅速放水池中淬火，直至样品冷却到50℃以下，将样品从水池中取出。
3.根据权利要求1所述的一种弹性黄铜合金材料的制备方法，其特征是c）步所述固溶处理，将所述热轧板材在温度为800℃退火炉中保温90分钟后，升到910℃保温1～3分钟，然后将样品迅速放水池中淬火，直至样品冷却到50℃以下，将样品从水池中取出。
4.根据权利要求1所述的一种弹性黄铜合金材料的制备方法，其特征是e）步所述时效处理为将经过粗、中、精轧成0.5～0.55mm厚合金板材放入退火炉中进行时效处理，炉温300～350℃保温0.5～1.5小时。
5.根据权利要求1所述的一种弹性黄铜合金材料的制备方法，其特征是e）步所述时效处理为将经过粗、中、精轧成0.5～0.55mm厚合金板材放入退火炉中进行时效处理，炉温200～300℃保温1.5～2.0小时。
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