CN104894430B

CN104894430B - 一种耐磨易切削黄铜管材及其制造黄铜管的方法

Info

Publication number: CN104894430B
Application number: CN201510373680.6A
Authority: CN
Inventors: 巢国辉; 刘钦雷; 裘桂群; 刘松; 王永如
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: CN104894430A

Abstract

一种耐磨易切削黄铜管材，其组成配比为 60‑65wt%铜、0.5‑3.5wt%锰，0.5‑3.5wt%硅，0.2‑3.0 wt%铅，0.05‑0.2wt%铁，0.1‑0.3 wt%镍，0.1‑0.3 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%；以铜锌合金为基，通过能形成耐磨相的合金元素如硅、锰和少量铅元素，构成以基于α相为基体，加15～20%β相和均匀分布于α、β相基体上少量硅锰耐磨相Mn₅Si₃的易切削黄铜管材；对管材挤压成管，均匀化退火后，再采用挤压—冷轧工艺，减少或消除金属横向裂纹缺陷，使黄铜管材表面光洁度好，易切削加工，强度和韧性更高，耐磨性能更加稳定。

Description

一种耐磨易切削黄铜管材及其制造黄铜管的方法

技术领域

本发明属于有色金属加工领域，特别涉及一种耐磨易切削黄铜管材及其制造黄铜管的方法。

背景技术

黄铜是以锌为主要元素的铜合金，其导热性能、力学性能、加工性能优良。一般为了改善黄铜性能会添加锰、硅、铝、铁、铅、锡、镍等金属构成多元合金，通常称为复杂黄铜或特殊黄铜。铅黄铜中铅不固熔于Cu-Zn合金，经过压力加工后，呈游离状态孤立相分布于固溶体中，有相当强的润滑与减磨作用，使合金具有极高的可切削性能，且工作表面光洁。但铅容易析出，对人体有影响，不适用于阀门、水龙头及饮用水管道，应用领域受限。国内在无铅易切削黄铜棒材方面有较深的研究和应用，先后开发了硅黄铜、铋黄铜、铝黄铜等。但因其材料脆性问题，在轧制或拉伸过程中容易开裂，也仅限用于电子电器、接插件、仪表零件及饮水***的水管等。

中国专利200510080322.2一种高强耐磨黄铜管材的制备方法，是基于一种以β相为基的单相新型高强耐黄铜基体材材料，采用了以热加工为主的热挤制变形，会导致不均匀变形程度加大，对改善耐磨相的分布及通过冷却有效控制α相数量不利；而且管材精度控制不好（管材偏心量大），切削加工性不好，无法达到制造大型、重载设备及精密零部件加工要求。

例如，液压泵缸体内孔所镶装的铜套材料为高强耐磨黄铜管，该铜管常规中不含有铅，导致加工表面光洁度不足，在与摩擦副摩擦过程中容易划伤摩擦副或出现与摩擦副工装配合不精密；与常规的普黄铜H62、H65黄铜管相比，以上黄铜管没有耐磨相，在摩擦过程中非常容易出现磨损，最后导致零件失效。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种耐磨易切削黄铜管材及其制造黄铜管的方法，使黄铜管材不仅有较好的耐磨性能，而且表面光洁度好，切削性好，易加工。

一种耐磨易切削黄铜管材，其组成配比为 60-65wt%铜、0.5-3.5wt%锰，0.5-3.5wt%硅， 0.2-3.0 wt%铅，0.05-0.2wt%铁，0.1-0.3 wt%镍，0.1-0.3 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%，上述元素形成的金相组织以α相为基体，加15-20%β相和均匀分布于α、β相基体上的少量硅锰耐磨相构成的易切削黄铜管材。

作为改进，耐磨易切削黄铜管材组成配比为 61.0-63.0wt%铜、1.5-2.5wt%锰，0.5-1.5wt%硅，0.5-1.0 wt%铅，≤0.1 wt%铁，0.1wt%镍，0.1 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%。

再改进，锌含量控制在成分32.5％-35.0wt％，铝含量在0.1wt%，以确保材料金相组织是以α相为基体，加15-20％β相和硅锰耐磨相。

再改进，铅含量为1.0-2.0 wt%，提高材料的切削性和耐磨性。

一种耐磨易切削黄铜管的制造方法，首先将电解铜、锰铜合金、硅铜合金、铁铜合金、铅锭、镍铜、锌锭依次加入感应电炉内熔炼，熔炼温度为1030～1080℃，待全部金属熔化后，保温5—30分钟；进行铜合金锭浇铸，浇铸温度1030～1050℃；然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压；热挤压后的挤压坯在450～650℃下进行均匀化退火，均匀化退火后的半成品进行冷轧—拉伸，接着在300-700℃下进行退火，最后锯切精整。

熔炼—挤压—均匀化退火—冷轧—退火300-700℃— 锯切、精整—成品。

作为改进，所述冷轧—拉伸工艺过程中单道次延伸系数必须大于1.2，纠正管材偏心效果好，成品管材的偏心量小于0.3mm。

再改进，为确保管材α相比例大于70%，所述均匀化退火温度控制在600℃。

本发明为了提高黄铜合金的耐磨性和易切削性能，在改变黄铜合金成分组成上采用加入少量的铅、锰、硅、铁、镍等元素构成复杂的多元合金，其中铜与锌的组成比例注重控制Cu为61～63%、Zn为32.5～35%，以使合金中形成以α相为基体，加入上述五种元素以形成少量（α+β）相，以使合金中α相/（α+β）相的比例保持在相当于锌当量为35％以下，以维持此多元合金中α相为基体，加15～20%的β相和均匀分布在α、β相基体上少量的锰硅耐磨相。

铅元素是提高合金切削性能的重要因素，铅在铜中的固溶度极低，固态下，铅以游离态的独立相分布的晶界和相界上。铅的熔点低，在合金中形成软、弥散的小质点，从而割断了基体的连续性，在切削过程中使切屑容易断裂脱落，同时切削时铅在刀刃的接触面上就有大量软的铅质点存在，相当于减小了切削层面积，使得刀具磨损减小，切削温度和切削力降低，达到易切削的目的。但铅黄铜金相组织含有α相和（α+β）两种，因此铅加入量应小于3.0%以下，对于提高切削性和维持恒定的α相致关重要。

锰元素，锰的加入可使金相组织的α相区缩小，在固态黄铜中有较大溶解度，具有显著的固溶强化，既提高合金强度又不降低其可塑性，对于提高黄铜合金的耐磨性和可切削性有较大作用，但锰加入量超过4%时会折出硬脆相、降低可塑性。

硅元素，黄铜中加入适量的硅元素，在铜锌合金中加入1%硅后，金相组织相当于在合金中增加40%锌的合金组织，硅的锌当量相当于10，使铜锌合金中的α/（α+β）相界移向铜侧，缩于合金组织中的α相区，硅的适量加入还可有效抑制铅的析出，维持良好易切削性延伸率和耐磨性，特别适合阀体材料、蒸气和水管配件。

硅元素在铜锌合金中主要与合金中加入的锰元素，形成金属间化合物Mn₃Si，起细化晶粒与提高合金抗磨损性能的作用；锰元素在铜锌合金中有较大的溶解度，锰的作用在于强化基体以及与合金中的硅而形成高硬度Mn₅Si3中空耐磨质点，减少磨损，提高合金的耐磨性。

铁主要是起细化晶粒、阻止晶粒长大的作用，能提高软化点，增加强度，提高冷热加工性能。铁含量大于0.3 wt%时，会降低耐蚀性能，而且在合金中形成硬件质点，严重磨损车刀。

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。

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，有研究表明：加入Ni可以达到显著细化晶粒的效果。

本发明与普通黄铜管材相比的技术优点：以铜锌合金为基，通过能形成耐磨相的合金元素如硅、锰和少量铅元素，构成以基于α相为基体，加15～20%β相和均匀分布于α、β相基体上少量硅锰耐磨相Mn₅Si₃的易切削黄铜管材；并采用挤压—冷轧工艺，减少或消除金属横向裂纹缺陷，使黄铜管材表面光洁度好，易切削加工，强度和韧性更高，耐磨性能更加稳定。

附图说明

图1为本发明α相能谱图。

图2为本发明β相能谱图。

图3为本发明硅锰相能谱图。

图4为不同退火温度的金相组织放大200倍，其中4a为300℃ 1小时，4b为600℃1小时。

图5为电镜扫描图放大200倍，其中5a为300℃ 1小时，5b为600℃1小时。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细说明。

首先制备锰Mn、铁Fe、硅Si中间合金，保证Mn、Si重量比接近3：1，且锰铜合金含锰Mn25%；铁铜合金含铁Fe10%；硅铜合金含硅Si20%。

黄铜合金管制备方法为：按60-65wt%铜、0.5-3.5wt%锰，0.5-3.5wt%硅， 0.2-3.0wt%铅，0.05-0.2 wt%铁，0.1-0.3 wt%镍，0.1-0.3 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%的成分配比，将电解铜、锰铜合金、硅铜合金、铁铜合金、铅锭、镍铜、锌锭依次加入感应电炉内熔炼，熔炼温度为1030～1080℃，待金属全部熔化后，将温度提高至1050℃以上，喷火去杂质，喷火完毕，保温5～30分钟；进行铜合金锭浇铸，浇铸温度为1030～1050℃，制备出Φ190-200mm黄铜合金铸锭。然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压，挤压管坯规格为Φ50*3mm；热挤压后的挤压坯在450～650℃下进行均匀化退火。退火后的半成品进行冷轧—拉伸，最后锯切、精整、包装。

冷轧—拉伸工艺：

生产成品规格Φ35*2.5，采用Φ50×3—>600℃退火2h—>冷轧管机冷轧Φ45×2.7延伸系数1.52—>550℃成品退火2h，成品管材的偏心量小于0.3mm，金相组织中α相比例大于70%。

从图4～5所示可以看出，600℃以下退火及拉管态时，β相组织几乎没有或无明显β相；但600℃退火后有出现了小部分的β相；在低温退火后，材料组织上就会出现大量的点状相（硅锰耐磨相）。

参看图1～3所示，经能谱分析，基体为α相，凹面为β相，点状相为耐磨相，扫描照片结果和金相照片相吻合。600℃退火时，材料本身的少量β相完全转变成α相，在冷却过程中，β相从过饱和的α相析出，出现少量的β相。参看图4～5所示，300℃退火时，材料只进行了回复，未发生再结晶，保留了拉管的组织形貌，存在少量的细小的β相。因此，采用冷轧工艺是避免因多道次拉伸所必须的高温退火，最终确保α相比例大于70%，15-20％β相和均匀分布于α、β相基体上少量硅锰耐磨相Mn₅Si。

本发明制备的黄铜合金管坯与比较例化学成分如表1所示。

表1 本发明实施例合金与比较例合金的化学成分（wt%）

材料编号	Cu	Mn	Si	Ni	Pb	Fe	Al	Zn	其他
										实施例1	61.5	2.15	1.0	0.2	0.8	0.08	0.15	余量
实施例2	62	2.2	0.9	0.2	0.9	0.07	0.15	余量
										实施例3	61.8	2.3	0.9	0.2	1.0	0.09	0.2	余量
比较例1	58.5	—	—	—	0.5	0.2	—	余量	0.8
										比较例2	61.8	—	—	—	0.08	0.15	—	余量	0.3

本发明实施例合金及比较例其中比较例1为H59-1黄铜管材，比较例为H62黄铜管材（下表相同）合金测试性能如下：

1、力学性能

表2为本发明实施例合金管与比较例合金管的抗拉强度、延伸率。

表2 实施例与比较例合金的抗拉强度、延伸率

材料编号	抗拉强度/MPa	延伸率/%
			实施例1	450～520	15～20
实施例2	440～500	15～18
			实施例3	440～480	20～24
比较例1	400～450	20～24
			比较例2	430～480	8～10

2、耐磨性能

通过对力学性能测试分析，实施例与比较例在相同加工状态下，进行耐磨性能测试比较。测试工况参数为：

转速：800 r/min；载荷：50MPa；润滑油：68#液压油；摩擦副：GCr15轴承钢；总圈数：20000转。

表3 发明实施例与比较例合金的耐磨性能

材料编号	摩擦系数	磨损量/um
			实施例1	0.105	343
实施例2	0.085	265
			实施例3	0.090	310
比较例1	0.116	487
			比较例2	0.109	362

本发明实施例合金的摩擦系数小于0.1，磨损量少，耐磨性能明显优于比较例合金，具有较好的耐磨性。

3、切削性能

以C36000合金切削性能为100%基准，实施例与比较例切削性能比较。

表4 发明实施例与比较例合金的切削性能比较

材料编号	切削性能/%
		实施例1	60
实施例2	60
		实施例3	65
比较例1	20
		比较例2	60

本发明实施例合金切削性能优于比较例合金，易加工，且表面光洁度好。

Claims

1.一种耐磨易切削黄铜管材，其特征在于其组成配比为 60-65wt%铜、0.5-3.5wt%锰，0.5-3.5wt%硅， 0.2-3.0 wt%铅，0.05-0.2wt%铁，0.1-0.3 wt%镍，0.1-0.3 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%，上述元素形成的金相组织以α相为基体，加15-20%β相和均匀分布于α、β相基体上的少量硅锰耐磨相构成的易切削黄铜管材。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨易切削黄铜管材，其特征在于所述耐磨易切削黄铜管材组成配比为 61.0-63.0wt%铜、1.5-2.5wt%锰，0.5-1.5wt%硅，0.5-1.0 wt%铅，≤0.1wt%铁，0.1wt%镍，0.1 wt%铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt%。

3.根据权利要求1所述的一种耐磨易切削黄铜管材，其特征在于所述锌含量控制在32.5％-35.0wt％，铝含量在0.1wt%，以确保材料金相组织是以α相为基体，加β相和硅锰耐磨相。

4.根据权利要求1所述的一种耐磨易切削黄铜管材，其特征在于所述铅含量为1.0-2.0wt%，提高材料的切削性和耐磨性。

5.根据权利要求1所述的一种耐磨易切削黄铜管的制造方法，其特征在于首先将电解铜、锰铜合金、硅铜合金、铁铜合金、铅锭、镍铜、锌锭依次加入感应电炉内熔炼，熔炼温度为1030～1080℃，待全部金属熔化后，保温5—30分钟；进行铜合金锭浇铸，浇铸温度1030～1050℃；然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压；热挤压后的挤压坯在450～650℃下进行均匀化退火，均匀化退火后的半成品进行冷轧—拉伸，接着在300-700℃下进行退火，最后锯切精整。

6.根据权利要求5所述的一种耐磨易切削黄铜管的制造方法，其特征在于为确保管材α相比例大于70%，所述均匀化退火温度控制在600℃。

7.根据权利要求5所述的一种耐磨易切削黄铜管的制造方法，其特征在于所述冷轧—拉伸工艺过程中单道次延伸系数必须大于1.2，纠正管材偏心效果好，成品管材的偏心量小于0.3mm。

8.根据权利要求5所述的一种耐磨易切削黄铜管的制造方法，其特征在于所述冷轧—拉伸工艺：

生产成品规格为Φ35*2.5mm，采用Φ50×3mm—>600℃退火2h—>冷轧管机冷轧Φ45×2.7mm延伸系数1.52—>550℃成品退火2h，成品管材的偏心量小于0.3mm，金相组织中α相比例大于70%。