專利名稱：一種高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種黃銅合金及其制造方法，特別涉及一種高強(qiáng)度耐腐蝕易切削黃銅合金及其制造方法。

背景技術(shù)：
黃銅具有較好的機(jī)械性能，良好的耐腐蝕及低廉的成本。為了改善黃銅的切削性能以及冷鉚、鍛造性能，一般在黃銅材料中添加1-4wt％的鉛。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5231-2001收入了11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在這11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)中，詳細(xì)規(guī)定了銅和鉛的含量，并對(duì)鐵、鎳和雜質(zhì)總和上限做了規(guī)定，對(duì)其余元素未做明確限定。
常用的鉛黃銅主要有HPb59-1、HPb58-2、HPb63-3等。這些鉛黃銅切削性能較好、耐磨性優(yōu)良，生產(chǎn)成本低，同時(shí)冷熱加工性好，可通過(guò)不同的工藝成形。因此鉛黃銅被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如電子電器接插件、儀表零件、閥門(mén)衛(wèi)浴等。
但是隨著精密機(jī)械加工行業(yè)發(fā)展，車削、銑削、鉆孔等加工速度越來(lái)越快，如高速數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速達(dá)到8000轉(zhuǎn)/分鐘以上，而目前鉛黃銅在高速的加工條件下，容易出現(xiàn)切屑纏刀，刀具壽命縮短，加工材料尺寸不穩(wěn)定等現(xiàn)象。同時(shí)由于鉛黃銅常作為受力件，在腐蝕性環(huán)境中工作，因此它也需要具有更高的力學(xué)性能和更好的耐腐蝕性能。為了滿足生產(chǎn)發(fā)展和下游行業(yè)對(duì)鉛黃銅更高的性能要求，因此迫切希望開(kāi)發(fā)一種既具有比目前鉛黃銅更加優(yōu)良的切削性能，又具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，價(jià)格低廉，易于壓力加工的黃銅合金。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種具有良好力學(xué)性能、耐腐蝕性能、冷熱加工性能，且切削性能更加優(yōu)秀的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金及其制造方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅金，它包括主元素和可選擇元素，其特征是主元素組組成配比為55～65wt％銅、0.5～3.7wt％鉛、0.1～0.5wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％，可選擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種的總含量為該黃銅合金的0.25～0.3wt％。
高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金的制造方法，首先將電解銅、可選擇元素、電解鋅、鉛錠、錫錠依次加入工頻電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1030～1080℃，可選擇元素在電解銅全部熔化后加入到感應(yīng)電爐中，錫的加入溫度控制在950～1000℃內(nèi)，在錫錠加入后，迅速用石墨鐘罩將錫錠壓至熔體內(nèi)部，待物料合部熔化后，充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后將熔體轉(zhuǎn)入保溫爐水平連鑄，保溫溫度1020～1050℃，然后將銅合金鑄錠加熱到570～700℃進(jìn)行熱擠壓，擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。
作為改進(jìn)，高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金組成配比可優(yōu)選為57～62wt％銅、1.0～3.7wt％鉛、0.1～0.4wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％，可選擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種最高含量為該黃銅合金的0.3wt％。
再改進(jìn)，高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金組成配比可優(yōu)選為57～60wt％銅、1.5～3.5wt％鉛、0.2～0.4wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％?？蛇x擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種最高含量為該黃銅合金的0.25wt％。
再改進(jìn)，所述錫的加入方式為，溫度控制在950～1000℃內(nèi)，在錫錠加入后，迅速用石墨鐘罩將錫錠壓至熔體內(nèi)部，減少燒損與揮發(fā)。待物料全部熔化后，充分?jǐn)嚢?0分鐘。
再改進(jìn)，所述擠壓加工率應(yīng)不小于80％，以達(dá)到晶粒細(xì)化作用。
再改進(jìn)，所述中間退火溫度為材料再結(jié)晶溫度以上50～300℃，最后一道中間退火溫度為材料再結(jié)晶溫度以上150～250℃。
本發(fā)明的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金的銅含量是55～65wt％。銅含量低于55wt％時(shí)，冷加工性能差，拉拔過(guò)程中容易斷裂，成品的延伸率低，實(shí)用價(jià)值低。銅含量高于65wt％時(shí)，β相含量低，熱加工性能不佳，切削性能降低，而且制造成本增高。
鉛是提高合金切削性能的重要因素，鉛在銅中的固溶度極低，固態(tài)下，鉛以游離態(tài)的獨(dú)立相分布在晶界和相界上。鉛的熔點(diǎn)低，在合金中形成軟、彌散的小質(zhì)點(diǎn)，因此鉛的存在可以視為合金基體中產(chǎn)生的微小空間，從而割斷了基體的連續(xù)性，成為應(yīng)力集中源，在切削過(guò)程中使切屑容易斷裂脫落，同時(shí)切削時(shí)鉛在刀刃的接觸面上就有大量軟的鉛質(zhì)點(diǎn)存在，相當(dāng)于減小了切削層面積，使得刀具磨損減小，切削溫度和切削力降低，達(dá)到易切削的目的。鉛含量低于0.5wt％時(shí)，切屑較長(zhǎng)，車刀切削力較大，達(dá)不到易切削的目的。鉛含量高于3.7wt％時(shí)，切削性能沒(méi)有提高，反而降低合金的加工性能和力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)環(huán)境保護(hù)不利。
錫能少量固溶在黃銅中，在凝固過(guò)程錫在晶界和相界處析出，阻止枝晶長(zhǎng)大，促進(jìn)晶粒細(xì)化。同時(shí)它還能改善鉛在合金中的狀態(tài)，增大鉛質(zhì)點(diǎn)的浸潤(rùn)角，促使鉛由薄膜態(tài)轉(zhuǎn)化為球狀，并分布更加彌散均有。由于改善了鉛質(zhì)點(diǎn)的形態(tài)和分布，進(jìn)而使合金在機(jī)加工中易形成短斷屑點(diǎn)，減少刀頭和工件的粘結(jié)和焊和，具有更加優(yōu)良的切削性能。此外，少量錫能提高合金的強(qiáng)度和硬度，抑制黃銅脫鋅，提高合金的耐蝕能力。錫含量低于0.1wt％時(shí)，對(duì)強(qiáng)度、耐蝕性能和切削性能的提高不明顯。錫含量高于0.5wt％時(shí)，反而降低合金的切削性能，同時(shí)增加原材料成本，不利于市場(chǎng)推廣。
所述的可選擇元素鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的一種或多種的作用(1)脫氧、細(xì)化晶粒；(2)使鉛質(zhì)點(diǎn)更加細(xì)小均勻地分布在晶界、相界上，同時(shí)還可以抑制鉛偏聚脆斷傾向，進(jìn)而滿足工業(yè)上需要的優(yōu)良的切削性能和冷熱加工性能；(3)抑制脫鋅、增強(qiáng)耐蝕性。
鐵主要是起細(xì)化晶粒、阻止晶粒長(zhǎng)大的作用，能提高軟化點(diǎn)，增加強(qiáng)度，提高冷熱加工性能。鐵含量大于0.3wt％時(shí)，會(huì)降低耐蝕性能，而且在合金中形成硬質(zhì)點(diǎn)，嚴(yán)重磨損車刀。
鋁和磷主要是脫氧、提高合金的流動(dòng)性和提高合金強(qiáng)度的作用。鋁含量超過(guò)0.3wt％時(shí)，會(huì)降低切削性能和后續(xù)的冷熱加工性能。
添加鈦主要是起脫氧和細(xì)化晶粒作用。鈦含量大于0.3wt％，使合金鑄造性能降低，并且成本增高。
鉍的作用與鉛類似，起提高切削性能的作用，在合金中以脆而不硬的質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)分布于晶界上，促進(jìn)切削斷裂、脫落。鉍含量大于0.3wt％，會(huì)降低合金的冷熱加工性能，增加成本。
鎳是基體強(qiáng)化和防止脫鋅的元素，可以抑制晶粒長(zhǎng)大、增加合金強(qiáng)度、塑性和耐蝕性。鎳含量大于0.3wt％，會(huì)增加制造成本，并會(huì)造成后續(xù)的冷加工過(guò)高的硬化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金限定了元素錫的含量范圍和元素鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳的含量上限。本發(fā)明合金以滿足精密加工機(jī)械行業(yè)發(fā)展和腐蝕工作環(huán)境的要求為目的，比現(xiàn)有鉛黃銅具有更加優(yōu)良的切削性能、力學(xué)性能和耐蝕性能。合金可用于腐蝕環(huán)境下工作的零件，特別適用于高速、精密切削場(chǎng)合，如精密儀器及細(xì)小鉆孔的零件等。并且本合金化學(xué)組份簡(jiǎn)單，易于回收和再生利用。本合金生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可利用現(xiàn)有鉛黃銅的生產(chǎn)設(shè)備制造，不需要增加新的設(shè)備。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
首先按55～65wt％銅、0.5～3.7wt％鉛、0.1～0.5wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，可選擇地加入元素最高達(dá)0.3wt％的鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的一種或多種，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％的成分配比。將電解銅、可選擇元素、電解鋅、鉛錠、錫錠依次加入感應(yīng)電爐，熔煉溫度為1030～1080℃，可選擇元素是在電解銅全部熔化后加入到感應(yīng)電爐中，錫的加入溫度控制在950～1000℃內(nèi)，在錫錠加入后迅速用石墨鐘罩將錫錠壓至熔體內(nèi)部。待物料全部熔化后，充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后將熔體轉(zhuǎn)入保溫爐水平連鑄，保溫溫度1020～1050℃，制備出Φ145mm黃銅合金鑄錠。
之后將銅合金鑄錠加熱至570～700℃進(jìn)行熱擠壓，擠壓加工率應(yīng)不小于80％。擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。其中中間退火溫度為合金再結(jié)晶溫度以上50～300℃，最后一道中間退火溫度為合金再結(jié)晶溫度以上150～250℃。每次拉伸加工率為10～30％，根據(jù)加工率大小和銅線直徑在450～600℃進(jìn)行中間退火，消除加工硬化。本發(fā)明合金擠壓規(guī)格Φ14.3mm，最終成品規(guī)格Φ12.0mm，加工生產(chǎn)流程一致。本發(fā)明制備的黃銅合金鑄錠與比較例化學(xué)成分如表1所示。
比較例合金選取HPb62-3、HPb61-1、HPb60-2和HPb59-1四個(gè)牌號(hào)。依據(jù)銅、鉛含量相近的原則，將實(shí)施例和比較例進(jìn)行對(duì)比。
表1 本發(fā)明實(shí)施例合金與比較例合金的化學(xué)成分(wt％)
其中實(shí)施例3與比較例1(HPb59-1)、實(shí)施例5與比較例2(HPb60-2)、實(shí)施例4與比較例3(HPb61-1)、實(shí)施例6與比較例4(HPb62-3)，銅和鉛含量接近，具有可比性。
本發(fā)明實(shí)施例合金及比較例合金測(cè)試性能如下 1、力學(xué)性能 表2為本發(fā)明實(shí)施例合金與比較例合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和維氏硬度值。
表2 實(shí)施例與比較例合金的抗拉強(qiáng)度、延伸率和維氏硬度值 本發(fā)明實(shí)施例合金抗拉強(qiáng)度都明顯高于對(duì)應(yīng)的比較例合金。
2、抗脫鋅腐蝕性能 耐脫鋅腐蝕性能測(cè)試按照GB10119-1988《黃銅耐脫鋅腐蝕性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。表3為本發(fā)明實(shí)施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度。
表3 發(fā)明實(shí)施例與比較例合金的抗脫鋅腐蝕深度 本發(fā)明實(shí)施例合金抗脫鋅腐蝕性能明顯優(yōu)于對(duì)應(yīng)的比較例合金。
3、切削性能 通過(guò)車削評(píng)價(jià)切削性能的實(shí)驗(yàn)具體方法如下 在相同的機(jī)械加工條件下，采用切削力測(cè)試儀測(cè)得車削過(guò)程中車刀所受作用力。并由此計(jì)算出實(shí)施例合金與比較例合金相對(duì)于HPb62-3的切削指數(shù)，HPb62-3是世界公認(rèn)的切削性能最好的鉛黃銅，其切削性能認(rèn)為是100％。
試驗(yàn)設(shè)備為CA-6140臥式普通車床，刀具材料Ys8，車床參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速500r/min，進(jìn)給速度0.2mm/r，切深0.5mm。以HPb62-3合金切削性能為100％，測(cè)得發(fā)明實(shí)例與比較例合金的切削性能如表4所示。
表4 發(fā)明實(shí)例與比較例合金的切削性能 本發(fā)明實(shí)施例合金切削性能明顯優(yōu)于對(duì)應(yīng)的比較例合金。
權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金，它包括主元素和可選擇元素，其特征是主元素組成配比為55～65wt％銅、0.5～3.7wt％鉛、0.1～0.5wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％，可選擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種的總含量為該黃銅合金的0.25～0.3wt％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金，其特征主元素的組成配比為57～62wt％銅、1.0～3.7wt％鉛、0.1～0.4wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％；可選擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種最高含量為該黃銅合金的0.3wt％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金，其特征主元素的組成配比為57～60wt％銅、1.5～3.5wt％鉛、0.2～0.4wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％；可選擇元素包括鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的1種或2種或3種最高含量為該黃銅合金的0.25wt％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金的制造方法，首先將電解銅、可選擇元素、電解鋅、鉛錠、錫錠依次加入感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1030～1080℃，可選擇元素在電解銅全部熔化后加入到感應(yīng)電爐中，錫的加入溫度控制在950～1000℃內(nèi)，在錫錠加入后迅速用石墨鐘罩將錫錠壓至熔體內(nèi)部，待物料合部熔化后，充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后將熔體轉(zhuǎn)入保溫爐水平連鑄，保溫溫度1020～1050℃，然后將銅合金鑄錠加熱到570～700℃進(jìn)行熱擠壓，擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金的制造方法，其特征在于所述的熱擠壓加工率不小于80％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅合金的制造方法，其特征在于所述的中間退火溫度為材料再結(jié)晶溫度以上50～300℃，最后一道中間退火溫度為材料再結(jié)晶溫度以上150～250℃。
全文摘要
一種高強(qiáng)度耐蝕易切削黃銅及其制造方法，其組成配比為55～65wt％銅、0.5～3.7wt％鉛、0.1～0.5wt％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt％?？蛇x擇元素還包括最高達(dá)0.3wt％的鐵、鋁、鈦、磷、鉍、鎳中的一種或多種；制造方法為將電解銅、可選擇元素、電解鋅、鉛錠、錫錠依次加入感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，待全部金屬熔化后，攪拌10分鐘，然后將熔體轉(zhuǎn)入保溫爐，進(jìn)行水平保溫連鑄，然后將銅合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓；擠壓后的半成品經(jīng)拉伸、中間退火、矯直、拋光后成為成品。本合金滿足精密加工和耐腐蝕環(huán)境的要求，比現(xiàn)有鉛黃銅更加優(yōu)良的切削性能、力學(xué)性能和耐蝕性能。特別適用于高速、精密儀器及細(xì)小零件的制造和工作。
文檔編號(hào)C22C1/02GK101768683SQ20101012469
公開(kāi)日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者巢國(guó)輝, 王永如, 洪燮平, 王加順 申請(qǐng)人:寧波金田銅業(yè)(集團(tuán))股份有限公司