CN1180106C - 铜基高锡硼合金 - Google Patents
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Abstract
一种铜基高锡硼合金(Cu-Sn-B)及其线材的制造工艺。合金包含有12～18%(wt)的锡(Sn)，0.01～2%(wt)的硼(B)，铁(Fe)、铝(Al)、钛(Ti)、磷(P)、锌(Zn)五种元素中至少一种及余量的铜和杂质。其生产工艺过程为：a.配投料及熔炼——b.保温及水平连铸——c.均匀化梯度退火——d.酸洗——e.冷拉扒皮——f.中间退火——g.酸洗——h.冷拉扒皮——i.拉伸——j.消除内应力光亮退火。与现有技术相比，本发明的优点在于高锡硼铜合金是一种“无镍白铜”类合金，其强度、弹性、耐腐蚀、焊接性能和装饰性能优于锌、镍白铜；其生产工艺具有流程短、产品质量稳定、成品率高。适用于制作眼镜架及其它与人体接触的各种饰品。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜基高锡硼合金(Cu-Sn-B)及其线材的制造工艺。
背景技术
现有的眼镜架及其它许多饰品的制作广泛应用镍白铜和锌白铜，尤其是锌白铜由于其具有银白色美丽的外观，及耐高温、高弹性、耐腐蚀等优良的物理化学性能，而广泛应用于制作医疗器械、装饰物和眼镜架。然而，上述的合金中含有镍元素，而镍元素对人体有致敏反应和致癌倾向，因而国外发达国家已经限制与人体接触的合金材料中镍的含量，因此迫切要求研制和开发新型材料替代含镍白铜。德国WIELAND公司为此开发了一种铜-锰-铁系列的锰白铜，但其批量生产困难，首先是合金中含锰量高，而锰元素在熔炼中极易氧化、造渣，需要在保护性气氛下(用于防止氧化的惰性气体)熔炼；其次是该合金塑性极差，无法生产出合格的线材，一般只能生产棒材，所以铜-锰-铁系列的锰白铜没有被广泛应用。因此，开发一种既具有镍白铜和锌白铜所具有的优良的物理化学性能，又符合环境保护和人体保护要求的替代材料具有显著的现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了适应环境保护和人体健康的要求，提供一种不含有镍元素的高锡硼铜合金(Cu-Sn-B)，该合金的机械性能、生产加工性能完全可以替代并超过镍白铜和锌白铜，是一种具有高强度、高弹性、耐腐蚀、焊接性能好、具仿金色外观的环保型优质材料。
本发明的另一目的是提供一种所述的高锡硼铜合金线材的生产工艺。
本发明为达到上述目的所提供的新型合金为：
该种铜基高锡硼合金，它包含有12～18％(wt)的锡(Sn)，0.002～2％(wt)的硼(B)，及铁(Fe)、铝(Al)、钛(Ti)、磷(P)、锌(Zn)五种元素中至少一种，所述五种元素的含量分别为：铁(Fe)为0～1.0％(wt)、铝(Al)为0～2.0％(wt)、钛(Ti)为0～0.002％(wt)、磷(P)为0～0.5％(wt)、锌(Zn)为0～2.0％(wt)，合金中的余量成分为铜(Cu)和少量杂质；其中，所述合金中元素锡(Sn)的最佳含量为13～15％(wt)，所述合金中元素硼(B)的最佳含量为0.1～1％(wt)；另外，所述合金的金相组织为α相，或者为以α相为主另有少量δ相(δ相含量＜6％)，晶粒度为0.025～0.04mm。
所述的合金成分的选择原则与要求是：锡的成分范围既要求保证材料具有高强度又要保证其具有易加工性，并使合金具有美丽的颜色。硼的成分用于细化晶粒，可减少锡的枝晶偏析和反偏析，减少δ相。加入硼元素可在制品表面形成独有的抗侵蚀、抗氧化、均匀致密的金属-仿金保护薄膜，可提高合金的耐蚀性及强度，并使合金材料表面形成强化的仿金保护薄膜。
本发明采取的生产所述的铜基高锡硼合金线材的制造工艺过程为：a.配投料及熔炼——b.保温及水平连铸——c.均匀化梯度退火——d.酸洗——e.冷拉扒皮——f.中间退火——g.酸洗——h.冷拉扒皮——i.拉伸——j.消除内应力光亮退火；
其中，投料熔炼顺序为：铜+锡+(铜-铁)，加热熔化后，再加(铜-硼)+铝+锌，出炉前加铜磷合金和铜钛合金细化晶粒，熔炼温度为1050～1300℃；其保温及水平连铸温度为950～1200℃；水平连铸中采用了反推工艺，铸造速度为0.5～2.0m/min，拉长(节距)为10～30mm，停1～2秒后反推1～2mm；铸造过程中采用反推工艺，目的是消除铸坯表面横向裂纹，最佳的水平连铸工艺可以使反偏析层控制为0.2～0.5mm；均匀化梯度退火温度为550～850℃，时间为3～10小时，在保护性气氛N2+(3～25％)H2中进行，在保护性气体中加入3～25％H2，可使产品表面光洁；中间退火温度为400～700℃，时间为1～5小时；消除内应力光亮退火(成品退火)温度为50～450℃，时间为40～120min。
所述的拉伸过程中的冷加工率为10～70％。
在所述的熔炼工艺中采用木炭覆盖，木炭层厚度为150～220mm，并在炉内加入有冰晶石(Na3AlF6)，木炭的作用在于吸收熔体中的H2、O2气体，而冰晶石的加入，可使各种氧化物形成复盐，在连铸后易于除去。
水平连铸时采用石墨结晶器，可减少高锡硼铜合金拉铸时的拉伸阻力，加上反推工艺的应用，可保证铸坯具有较光洁的表面。
与现有技术相比，本发明的优点在于高锡硼铜合金是一种“无镍白铜”类合金材料，其强度、弹性、耐腐蚀、焊接性能和装饰性能较锌白铜明显要好，且其生产方法具有工艺流程短、产品质量稳定、成品率可高达70～80％。适用于制作眼镜架及其它与人体接触的各种饰品，也可以用来制造各种高强、高弹性易焊接成型、耐蚀、具有表面不经处理仿金色外观且对人体无侵害的各种装饰物，是镍白铜、锌白铜的优良替代品。
附图说明
图1本发明的工艺流程图。
具体实施例
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
表1(见第5页)列出了本发明7个合金成分配方及其性能参数，从中可以发现其中最佳实施例的合金成分配方如下(见表2)：
表2.最佳实施例的合金成分配方：
| 元素 | Sn | B | Fe | Ti | P | Zn | Cu |
| 含量 | 14.04 | 0.30 | 0.55 | 0.0007 | 0.23 | 0.23 | 余量 |
高锡硼铜合金Cu-Sn-B的生产工艺过程(参见附图1)为：a.配投料及熔炼——b.保温及水平连铸——c.均匀化梯度退火——d.酸洗——e.冷拉扒皮——f.中间退火——g.酸洗——h.冷拉扒皮——i.拉伸——j.消除内应力光亮退火。
其中，投料熔炼顺序为：铜+锡+(铜-铁)，加热熔化后，再加(铜-硼)+铝+锌，出炉前加铜磷合金和铜钛合金细化晶粒，熔炼温度为1050～1300℃；保温及水平连铸温度为950～1200℃；水平连铸中采用了反推工艺，铸造速度为0.5～2.0m/min，拉长(节距)为10～30mm，停1～2秒后反推1～2mm；铸造过程中采用反推工艺，目的是消除铸坯表面横向裂纹，最佳的水平连铸工艺可以使反偏析层控制为0.2～0.5mm；均匀化梯度退火温度为550～850℃，时间为3～10小时，在保护性气氛N2+(3～25％)H2中进行，在保护性气体中加入3～25％H2，目的在于使产品表面光洁；中间退火温度为400～700℃，时间为1～5小时；消除内应力光亮退火(成品退火)温度为50～450℃，时间为40～120min。
拉伸过程中的冷加工率为10～70％。
熔炼工艺中采用木炭覆盖，木炭层厚度为150～220mm，并在炉内加入有冰晶石(Na3AlF6)，木炭的作用在于吸收熔体中的H2、O2气体，而冰晶石的加入，可使各种氧化物形成复盐，在连铸后易于除去。
水平连铸时采用石墨结晶器，减少了高锡硼铜合金拉铸时的拉伸阻力，加上反推工艺的应用，可保证铸坯具有较光洁的表面。
最终成品规格Φ0.1～10mm，金相组织是α相或α+δ相(δ相含量＜6％)的合金，晶粒度为0.025～0.04mm，颜色为18～24K金色。
本实施例的高锡硼铜合金及其线材的物理性能达到：
导电率(％IACS)： 8
密度(g/cm3)： 8.7
导热率(W/m.K) ＜50
弹性系数(KN/mm2)： 82 (注：锌白铜为130)
本实施例的高锡硼铜合金及其线材的机械性能(及与锌白铜比较)见表3：
表3.高锡硼铜合金及其线材的机械性能(及与锌白铜比较)：
从以上数据看，颜色为18～24K金色高锡硼铜合金的弹性比淡银白色的锌白铜明显要好，且可加工性和机械性能也明显优于锌白铜。
表1.本发明7个合金成分配方及其性能参数(注：表中“---”，化学成分指不含，力学性能指未测。)
Claims (11)
1、一种铜基高锡硼合金，它包含有12～18％(wt)的锡Sn，0.002～2％(wt)的硼B，及铁Fe、铝Al、钛Ti、磷P、锌Zn五种元素中至少一种，所述五种元素的含量分别为：铁Fe为0～1.0％(wt)、铝Al为0～2.0％(wt)、钛Ti为0～0.002％(wt)、磷P为0～0.5％(wt)、锌Zn为0～2.0％(wt)，合金中的余量成分为铜Cu和少量杂质。
2、根据权利要求1所述的铜基高锡硼合金，其特征在于所述合金中元素锡Sn的含量为13～15％(wt)。
3、根据权利要求1所述的铜基高锡硼合金，其特征在于所述合金中元素硼B的含量为0.1～1％(wt)。
4、根据权利要求1所述的铜基高锡硼合金，其特征在于所述合金的金相组织为α相，或者为以α相为主另有少量δ相，δ相含量＜6％，晶粒度为0.025～0.04mm。
5、一种生产所述的铜基高锡硼合金线材的制造工艺，其特征在于其生产工艺过程为：a.配投料及熔炼——b.保温及水平连铸——c.均匀化梯度退火——d.酸洗——e.冷拉扒皮——f.中间退火——g.酸洗——h.冷拉扒皮——i.拉伸——j.消除内应力光亮退火；
其中，熔炼温度为1050～1300℃；保温及水平连铸温度为950～1200℃；均匀化梯度退火温度为550～850℃，时间为3～10小时，在保护性气氛中进行；中间退火温度为400～700℃，时间为1～5小时；消除内应力光亮退火温度为50～450℃，时间为40～120min。
6、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于其投料熔炼顺序为：铜+锡+(铜—铁)，熔化后，再加(铜—硼)+铝+锌，出炉前加铜磷合金和铜钛合金细化晶粒。
7、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于水平连铸中采用了反推工艺，铸造速度为0.5～2.0m/min，拉长为10～30mm，停1～2秒后反推1～2mm。
8、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于所述的保护性气氛为N2+(3～25％)H2。
9、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于所述的拉伸过程中的冷加工率为10～70％。
10、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于在所述的熔炼工艺中采用木炭覆盖，木炭层厚度为150～220mm，并在炉内加入有冰晶石Na3AlF6。
11、根据权利要求5所述的制造工艺，其特征在于水平连铸时采用石墨结晶器。
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