CN111926273B - 一种高强高韧h62黄铜的组合加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强高韧H62黄铜的组合加工方法，属于有色合金加工技术领域。该加工方法主要是将等通道转角挤压及后续热处理工艺应用于强度较低的商业H62合金，可以在不改变试样形状和尺寸的情况下，通过控制组织结构来提高其强韧性。本发明具有成材率高、工艺操作与设备要求简单的特点，具有良好的工业应用前景。

Description

一种高强高韧H62黄铜的组合加工方法
技术领域
本发明属于有色合金加工技术领域，具体涉及一种高强高韧H62黄铜合金的组合加工方法。
背景技术
黄铜是由铜和锌所组成的铜合金，仅由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜，H62黄铜的铜含量在60.5%～63.5%，由于其强度较高、硬度大、塑性好、切削加工性好、耐腐蚀性好、易焊接，被广泛用于汽车、造船和精密机械制造业等，还可用于制造通过各种深拉伸和弯折加工生产的受力零件，如销钉、铆钉、垫圈、螺母、导管、筛网、气压表弹簧、散热器零件等。但随着科技水平的提高，工业技术的发展，对于黄铜综合强韧性有了更高的要求，即需要在保留其优良塑性的同时，提高黄铜的抗拉强度。普通黄铜中锌大量固溶与铜，固态下分别具有一定成分范围的α、β、γ、δ、ε、η等六个相，当铜含量在60.5%～63.5%时主要由α、β两相组成，其中α相为以Cu为基体、Zn为溶质原子的固溶体，塑性好、强度较低，β相为以CuZn电子化合物为基的固溶体，强度和硬度比α相高，高温塑性比α相好，但常温下塑性比α相差。通过改善加工工艺调节两相的状态，可以在保留材料优良韧性的同时获得更高的强度。
目前提高铜合金强度的方法主要包括：固溶强化、细晶强化、第二相强化和加工硬化。其中晶粒细化被公认为是一种能同时提高材料强度和韧性的有效手段，借助大塑性变形加工技术（SPD）实现组织超细化以提高金属材料的性能正逐渐成为常规加工手段，该方法适用范围宽，可以制备大体积试样，且无残留缩孔，不易引入杂质。而在众多的SPD技术中，等通道转角挤压技术（Equal Channel Angular Pressing，ECAP ）被公认为是一种具有工业应用前景的技术，ECAP能够在不改变试样形状和尺寸的前提下获得大塑性变形，且整个试样的结构和性能较为均一，对于纯金属、合金、金属间化合物等具有显著的晶粒细化效果。
有学者对于纯铜ECAP加工进行研究，发现经16道次的ECAP加工后，纯铜晶粒得到细化，同时出现大量的位错，材料变形机制由粗晶态的位错滑移向晶界滑移转变，得到的超细晶材料塑性变形能力和强度都非常高。大连交通大学的王德胜等人已对于ECAP法细化H62黄铜晶粒做过初步的研究，他们进行了最高四道次的挤压，发现随着挤压道次的增加晶粒得到一定程度的细化，但未达到细晶的级别，抗拉强度和硬度提高，延伸率下降。但对于H62黄铜进行高道次ECAP加工的研究还未见报道，值得进行进一步研究。
发明内容
为了提高商业H62合金的抗拉强度、韧性，本发明提供了一种高强高韧H62黄铜的组合加工方法，主要是将等通道转角挤压及后续热处理工艺应用于强度较低的商业H62合金，可以在不改变试样形状和尺寸的情况下，通过控制组织结构来提高其强韧性，该方法操作步骤及设备要求简单，易于实现。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强高韧H62黄铜的组合加工方法，包括以下步骤：
步骤1，将商业黄铜合金块材在模具中进行等通道转角挤压，获得超细晶合金材料；
步骤2，将超细晶材料合金进行退火热处理，得到黄铜合金。
进一步地，在步骤1前，需要将商业H62合金块材线切割成符合加工模具的柱状试件。
进一步地，在步骤1前，将得到的商业H62合金柱状试件在560℃保温10h后空冷或水冷均匀化处理。
进一步地，步骤1中需要在试件的表面和模具表面均匀涂覆固体润滑剂。
进一步地，所述的固体润滑剂是石墨。
进一步地，步骤1中所述等通道转角挤压至少进行一道次。
进一步地，所述的等通道转角挤压为8道次。
进一步地，等通道转角挤压的温度为350℃。
进一步地，步骤2中，退火温度为300℃，保温时间0.5～1h。
与其他获得高强韧性材料的加工方法相比，本发明提供的加工方法具有以下优点：对商业H62黄铜合金进行连续的ECAP挤压，在不改变试件的形状和尺寸的情况下细化H62黄铜合金晶粒，而后通过后续退火处理，消除ECAP挤压产生的位错等非平衡缺陷，同时保留其超细晶的组织结构，在保留合金较好韧性的同时显著提高其抗拉强度，最终得到高强高韧的H62黄铜合金材料。该组合加工方法工艺操作和设备要求简单，能够很好的与现代工业生产相结合，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1为实施例1中采用的商业H62黄铜合金的室温金相组织图。
图2为实施例1中采用的商业H62黄铜合金的经560℃保温10h后水冷处理的室温金相组织图。
图3为实施例1中350℃ECAP 8道次挤压后H62黄铜合金的室温金相组织图。
图4为实施例1中350℃ECAP 8道次挤压+300℃30min退火处理H62黄铜合金的室温金相组织图。
图5为实施例3中350℃ECAP 8道次挤压+300℃60min退火处理H62黄铜合金的室温金相组织图；
图6为实施例中原始态、ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金室温下XRD图谱。
图7为实施例1中ECAP加工8道次（a）以及300℃30min退火处理后（b）H62黄铜合金试样的TEM图。
图8为实施例中原始态、ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金试样的拉伸曲线图。
图9为实施例中原始态、ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金试样的硬度图。
具体实施方式
鉴于等通道转角挤压加工技术在提高商业H62黄铜合金的强韧性方面的广阔应用前景及优势，本发明围绕商业H62黄铜合金的等通道转角挤压和后续热处理组合工艺进行了细致的研究，旨在改善商业H62黄铜合金的微观组织结构以提高其强韧性。
下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。本发明所述的连续ECAP挤压和后续退火热处理组合加工以提高H62黄铜合金强韧性的方法不只局限于该具体实例。所有试验用商业H62黄铜（Cu0.61Zn0.38）合金试样在ECAP加工前均采用线切割按照其模具的尺寸进行切割，并在560℃保温10h后空冷或水冷均匀化处理，按常规预处理工艺处理以获得清洁、干燥的表面。根据试样表面实际状况，预处理工艺可选择以下步骤的不同组合，即：磨光、清洗（如：超声波清洗）、除油（如：无水乙醇清洗）、涂敷固体润滑剂（如：石墨）。
实施例1
采用线切割将购得的商业H62黄铜合金加工成19.5mm×19.5mm×40mm的柱状试件，购得的商业H62黄铜合金块体经挤压工艺获得，由α相和β相两相组成，其中α相为以Cu为基体、Zn为溶质原子的固溶体，β相为以CuZn电子化合物为基的固溶体，晶粒成长条状，如图1所示。而后将其在560℃保温10h后空冷或水冷做均匀化处理，均匀化处理得到的H62黄铜合金β相含量降低，晶粒尺寸增大，晶粒形状呈现由长条状向等轴状过度状态，如图2所示。
将试件按常规预处理获得清洁表面，在试件表面和模具表面均匀涂覆固体润滑剂，然后置入预热至350℃的模具中保温7～10min，再施加压力进行连续8道次ECAP挤压，相邻挤压道次之间试样旋转180°以提高挤压组织的均匀性，加工后晶粒发生显著细化，β相呈短棒状分布，同时有颗粒状β´相再结晶析出，如图3所示。再经过300℃30min退火处理后，β相含量增加，晶粒尺寸均匀度提高，同时栾晶和位错含量增加，如图4所示。
购得的商业H62黄铜合金抗拉强度不足400MPa，而在350℃的温度下，经8道次的ECAP挤压后，抗拉强度达到了530MPa，总体延伸率为30.34%，再经300℃30min热处理后抗拉强度提升至620MPa，总体延伸率仍在30%左右，显微硬度提高至160HV左右。
图7为ECAP加工8道次以及300℃30min退火处理后H62黄铜合金试样的TEM图，可以看出试样的形貌发生变化。
实施例2
采用线切割将购得的商业H62黄铜合金加工成19.5mm×19.5mm×40mm的柱状试件，而后将其在560℃保温10h后空冷或水冷做均匀化处理。
将试件按常规预处理获得清洁表面，在试件表面和模具表面均匀涂覆固体润滑剂，然后置入预热至350℃的模具中保温7～10min，再施加压力进行连续8道次ECAP挤压，相邻挤压道次之间试样旋转180°以提高挤压组织的均匀性，再经过300℃45min退火处理后，β相含量增加，晶粒均匀度提高。
购得的商业H62黄铜合金抗拉强度不足400MPa，而在350℃的温度下，经8道次的ECAP挤压后，抗拉强度达到了530MPa，总体延伸率为30.34%，再经300℃45min热处理后抗拉强度提升至617MPa，总体延伸率26.5%，显微硬度提高至167HV左右。
实施例3
采用线切割将购得的商业H62黄铜合金加工成19.5mm×19.5mm×40mm的柱状试件，而后将其在560℃保温10h后空冷或水冷做均匀化处理。
将试件按常规预处理获得清洁表面，在试件表面和模具表面均匀涂覆固体润滑剂，然后置入预热至350℃的模具中保温7～10min，再施加压力进行连续8道次ECAP挤压，相邻挤压道次之间试样旋转180°以提高挤压组织的均匀性。再经过300℃60min退火处理后，β相含量增加，晶粒均匀度提高，如图5所示。
购得的商业H62黄铜合金抗拉强度不足400MPa，而在350℃的温度下，经8道次的ECAP挤压后，抗拉强度达到了530MPa，总体延伸率为30.34%，再经300℃60min热处理后抗拉强度提升至608MPa，总体延伸率25.5%，显微硬度提高至170HV左右。
上述实施例中，原始态、ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金室温下XRD图谱如图6所示，可以看出α相与β´相的变化过程。
从图8可以看出，与原始态H62黄铜合金试样相比， ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金试样韧性得到大大提高。
从图9可以看出，与原始态H62黄铜合金试样相比， ECAP加工8道次以及后续热处理前后H62黄铜合金试样强度得到大大提高。

Claims (4)

1.一种高强高韧H62黄铜的组合加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，将商业H62黄铜合金块材线切割成符合加工模具的柱状试件后在560℃保温10h后空冷或水冷均匀化处理，然后在模具中进行8道次等通道转角挤压，等通道转角挤压的温度为350℃，获得超细晶合金材料；
步骤2，将超细晶材料合金进行退火热处理，退火温度为300℃，保温时间0.5～1h，得到高强高韧H62黄铜合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中需要在试件的表面和模具表面均匀涂覆固体润滑剂。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的固体润滑剂是石墨。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：相邻挤压道次间试样旋转180°。
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