CN105908012A - 一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法，其特点是该黄铜合金材料的化学成分按重量份计为Cu 58～64份，Bi 0.4～1.5份，Sn 0.3～0.7份，Se0.03～0.2份，Zn 34～41份，其它杂质总和小于0.2份。采用常规备料、配料、熔炼及冷热加工制成所需规格的合金材料。其抗拉强度为σb 400MPa～550MPa，硬度HRB 65～80，延伸率δ＞10％。Pb、Fe、Cd含量达到国家标准，且兼顾优异的切削性能和冷热加工性能，适用于各种连接件、阀门、阀杆轴承、水暖卫浴、电子电器、钟表仪器。

Description

一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法，属于金属材料的合成领域。
背景技术
铅黄铜广泛应用于各种连接件、阀门、阀杆轴承、水暖卫浴、电子电器、钟表仪器等领域。然而铅是一种对环境和人体有害的元素，2006年以来，包括美国、欧盟、日本、中国等世界各国对铜合金中的铅含量和在饮用水中铅的浸出量分别作了严格限制，铅黄铜的应用面临严格的限制和挑战。
开发无铅易切削铜合金来替代铅黄铜成为当今世界金属材料制造业的重大课题。目前，以铋代铅的无铅黄铜研究最多，纵观国内外专家学者对铋黄铜的各种研究，存在添加元素种类多、加入量较大、加入稀土元素价格高昂、原料成本高及工业化应用难等问题，且很难兼顾优异的切削性能和冷热加工性能。
因此，有必要研究开发添加元素种类少、加入量小、材料制备工艺简单、性价比高的无铅黄铜合金材料，进一步优化材料的切削性能及冷热加工性能。
铋，与铅有许多相似的性质，铋本身性脆，其熔点为271.4℃，铋和铅一样不固溶于黄铜，主要分布在晶界和相界，切削时能起到断开切削的作用。由于铋熔点低，又主要在晶界和相界处分布(见附图1)，在黄铜热加工过程中，铋会以熔融的状态存在，铋含量过高会导致热加工时出现裂纹现象，因此铋含量不宜过高。
锡，细化晶粒作用明显，锡能使长条状α相和β相变为球状(见附图2)，晶粒的比表面积无疑将大大增加，在晶界和相界上，单位面积分布的铋将大大减少，提高了铋的分散性，减少了薄膜状铋的存在概率，可提高材料的物理性能、切削性能及抗热裂性能。锡在后续的热处理时，发生从β相向α+γ相共析转变，一定程度上消除脆性的β相，提高材料的塑性。
硒，也能起到细化晶粒的作用，硒使长条状α相和β相基本消失(见附图3)，凹的β相被α相包围隔离，且α相(塑性相)体积百分量增大，β相(脆性相)体积百分含量相对减少。同时，硒的加入对铋有反润湿作用，对薄膜状的铋有球化作用，有利于提高其冷、热塑性。再者，硒能与铜、锌、铋等元素形成脆性化合物分布于晶界和晶内，也能改善合金切削性能的作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料及其制备方法，其特点是以普通黄铜为基体，添加适量的Bi、Sn及Se，制备多元铜合金材料，满足行业对易切削、抗热裂铜合金材料的需求。
本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。
环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料的化学成分按重量份计为
其它杂质总和小于0.2％。
环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼
阴极铜58～64份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.03～0.05份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1150℃～1250℃，加入0.03～0.2份的高纯硒，相继加入0.3～0.7份的高纯锡和0.4～1.5份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入34～41份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型；
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至620～680℃，保温5～10min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内进行挤压加工；
(3)酸洗及冷拉加工
上述挤压加工坯料酸洗，洗去表面氧化物，然后进行冷拉加工，根据客户要求设定产品加工率，加工成半硬态、硬态；
(4)退火
上述冷拉加工后的材料置于退火炉内，进行去应力退火、均匀化退火、中间退火、成前退火及光亮退火，加热到设定退火温度，保温设定时间，出炉完成退火；
(5)矫直锯切
材料在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料的制备方法，合金元素硒、锡、铋，均以高纯金属≥99.99％形式加入，加料时间一般不超过3～5min，每种物料加入间隔时间不低于10～15min。
性能测试：
环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料，可加工成各类型号产品，其化学成分及性能如表1、2、3所示。
1、化学成分
表1化学成分检测结果(单位wt％)
2、物理性能与切削性能
物理性能在万能测试机上测定，切削性能按照国标GB/T26306-2010《易切削铜合金棒》中规定的切削性能测试方法测定。
表2物理性能与切削加工性能检测结果
备注：表2中切削性能与HPb62-3(100％)相比较。
3、热加工性能
为了检测材料的热加工性能，把样品切断成25mm长的小试样，分别在720℃、760℃、800℃加热条件下，在轴线方向上进行热锤击，目测判断锤击后的表面状态。试样表面不产生裂纹表示为“○”、产生小裂纹表示为“△”，产生大裂纹表示为“×”，检测结果如表3所示。
表3热加工性能检测结果
本发明具有以下优点：
1、该合金材料不含铅，满足最新环保标准要求。
2、合金元素铋、锡、硒同时加入，铋起断削作用，锡起细化、球化晶粒作用，硒起细化晶粒、降低β相含量、促进铋反润湿作用，各合金选择最适当的配比量，共同作用，产生一定的累积效果，满足材料各方面的使用性能。
3、合金主要成分Cu、Bi、Sn及Se，可在一定范围内适当调整，并配套不同的挤压、拉拔及退火工艺，满足不同客户对产品使用性能的要求。
4、兼顾优良的切削性能及抗热裂性能：切削性能达到HPb62-3的80％以上；高温650℃～800℃抗热裂性能良好，适用于热挤压、热锻、热冲压等热加工工艺；物理性能达到铅黄铜HPb59-1水平。
5、合金元素加入量少，原料成本可降低5～10％，生产设备及工艺简单，适宜大规模产业化生产。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整。
实施例1
(1)熔炼
阴极铜58份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.03份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1150℃，加入0.03份的高纯硒，相继加入0.3份的高纯锡和0.4份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020℃，加入43份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000℃，打渣浇铸或牵引成型。
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至70±5℃℃，保温5min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用Φ6.2五孔挤压模具进行挤压加工，挤压比52。
(3)酸洗、冷拉及退火
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。上述挤压坯料冷却后收缩20丝，的Φ6的挤压坯料，在倒拉机上拉拔并对焊收成圈线。
拉拔及退火工艺：
(4)矫直锯切
Φ3.2产品，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
实施例2
(1)熔炼
阴极铜64份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.05份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1250℃，加入0.2份的高纯硒，相继加入0.7份的高纯锡和1.5份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入36份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型。
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至650±5℃，保温10min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用Φ14单孔挤压模具进行挤压加工，挤压比51。
(3)酸洗及冷拉
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。挤压时收缩30丝，得Φ13.7挤压坯料，在链式拉拔机上拉拔至Φ13。
(4)矫直锯切
Φ13拉拔样在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
实施例3
(1)熔炼
阴极铜60份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.04份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1200℃，加入0.1份的高纯硒，相继加入0.7份的高纯锡和0.8份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入40份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型。
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至640±5℃，保温8min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用Φ33.6单孔挤压模具进行挤压加工，挤压比7.5。
(3)酸洗及冷拉
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。挤压时收缩60丝，得Φ33挤压坯料，在链式拉拔机上拉拔至Φ32。
(4)矫直锯切
Φ32拉拔样在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
实施例4
(1)熔炼
阴极铜59份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.03份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1200℃，加入0.1份的高纯硒，相继加入0.4份的高纯锡和1.0份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入41份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型。
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至670±5℃，保温8min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用Φ7五孔挤压模具进行挤压加工，挤压比40.8。
(3)酸洗、冷拉及退火
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。上述挤压坯料冷却后收缩20丝，的Φ6.8的挤压坯料，在倒拉机上拉拔并对焊收成圈线。
拉拔及退火工艺如下：
(4)矫直锯切
Φ6拉拔样在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
实施例5
(1)熔炼
阴极铜62份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.05份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1150℃，加入0.15份的高纯硒，相继加入0.6份的高纯锡和1.3份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入38份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型。
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至640±5℃，保温10min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用Φ25.2单孔挤压模具进行挤压加工，挤压比15.7。
(3)酸洗及冷拉
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。挤压时收缩40丝，得Φ24.8挤压坯料，在链式拉拔机上拉拔至Φ24。
(4)矫直锯切
Φ24拉拔样在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
实施例6
(1)熔炼
阴极铜61份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.04份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1250℃，加入0.2份的高纯硒，相继加入0.7份的高纯锡和0.8份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入39份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型；
(2)挤压
浇铸或牵引成型的铸锭，成分及表面质量检测合格后，放入感应炉中，加热至630±5℃，保温5min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内，使用27×27单孔挤压模具进行挤压加工，挤压比12.2。
(3)酸洗及冷拉
上述挤压坯料冷却至常温后，进行酸洗，洗去表面氧化物。挤压时收缩60丝，得Φ26.4×26.4挤压坯料，在链式拉拔机上拉拔至25.4×25.4。
(4)矫直锯切
25.4×25.4产品在矫直机上矫直，取样测定各项性能，性能达标后，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。

Claims (3)

1.一种环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料，其特征在于该黄铜合金材料的化学成分按重量份计为
其它杂质总和小于0.2％。
2.如权利要求1所述环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
(1)熔炼
将阴极铜58～64份加入熔炼炉中，在木炭保护剂覆盖下，升温熔化；待阴极铜完全熔化后，加入磷铜中间合金0.03～0.05份脱氧，避免加硒过程中产生二氧化硒中毒；调整炉温至1150℃～1250℃，加入0.03～0.2份的高纯硒，相继加入0.3～0.7份的高纯锡和0.4～1.5份的高纯铋，完全熔化后，搅拌熔池，调整熔池温度为1020～1050℃，加入34～41份电解锌，升温化渣，调整熔池温度为1000～1050℃，打渣浇铸或牵引成型；
(2)挤压
将浇铸或牵引成型的铸锭，检测合格后，放入感应炉中，加热至620～680℃，保温5～10min，使晶粒均匀细化，置入卧式挤压机内进行挤压加工；
(3)酸洗及冷拉加工
将上述挤压加工坯料酸洗，洗去表面氧化物，然后进行冷拉加工，根据客户要求设定产品加工率，加工成半硬态、硬态；
(4)退火
将上述冷拉加工后的材料置于退火炉内，进行去应力退火、均匀化退火、中间退火、成前退火及光亮退火，加热到设定退火温度，保温设定时间，出炉完成退火；
(5)矫直锯切
将退火后材料在矫直机上矫直，锯切成指定长度，表面质量检查合格后包装入库。
3.如权利要求2所述环保型无铅易切削抗热裂黄铜合金材料的制备方法，其特征在于合金元素硒、锡、铋，均以高纯金属≥99.99％形式加入，加料时间一般不超过3～5min，每种物料加入间隔时间不低于10～15min。
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