CN100999794A - 高锰易切削铜锌合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高锰易切削铜锌合金，其特征在于：其重量百分比组成为：Cu 45～70％，Mn 7～30％，Pb 0.2～4％，X 0.0001～2％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al九种元素中的至少一种。本发明合金具有类似铅黄铜的易切削性能；合金含有较高组分的锰，具有部分地替代锌铜的作用，同时使合金的原料成本下降；合金的压力加工性能良好，可用于生产压力加工产品，也可以用于生产铸造产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种高锰易切削铜锌合金。
背景技术
易切削铅黄铜是以铜、锌为主要组元、添加铅的传统铜合金，世界各国均有系列的合金牌号，美国ASTM标准已收入22个不同成分的标准，中国国家标准GB/T5231-2001也收入11个标准，其应用领域很广泛，是使用量最大的黄铜材料，占有重要地位。公开号分别为TW509727b、EP0903416、JP7197152、US5445687的专利申请公开的是改善易切削黄铜的力学性能和抗腐蚀性能的合金，其是在原有易切削黄铜的基础上，添加2～5种少量其它元素发明的铜合金。由于该类合金的主要组元仍然为铜和锌，而目前铜、锌的资源越来越紧缺，价格也越来越高，使材料成本居高不下，因此，迫切希望开发一种既具有易切削黄铜的优良切削性能、良好的力学性能和抗腐蚀性能，价格又相对低廉，易于压力加工，可替代易切削铅黄铜的合金。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种既具有易切削黄铜的优良切削性能、良好的力学性能和抗腐蚀性能，价格又相对低廉的易于压力加工成各种状态的高锰易切削铜锌合金。
本发明的技术方案是：该高锰易切削铜锌合金，其重量百分比组成为：Cu 45～70％，Mn 7～30％，Pb 0.2～4％，X 0.0001～2％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al九种元素中的至少一种。
本发明的高锰易切削铜锌合金的重量百分比组分的优选之一是：Cu 55～64％，Mn 12～25％，Pb 0.5～4％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。本优选组分合金切削性能和普通铅黄铜相似，可进行热、冷压力加工，和普通易切削黄铜相比，强度、硬度提高，对氨熏实验不敏感。本优选组分的铜锌合金，进一步更优选的重量百分比组分是Cu 58～63％，Mn 15～22％，Pb 1～3.8％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质；另一更优选的重量百分比组分为Cu 55～57％，Mn 15～25％，Pb 0.5～3.8％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
本发明的高锰易切削铜锌合金的重量百分比组分优选之二是：Cu 65～70％，Mn 7～20％，Pb 0.2～2.5％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。本优选组分的铜含量和美国ASTM标准C33000系列合金接近，用7～20％的锰替代锌，合金的各项性能指标变化不大，仍然具有较高的延伸率，冷加工性能优良。添加锰后，对氨熏实验不敏感。
本发明的高锰易切削铜锌合金的重量百分比组分优选之三是：Cu 45～54％，Mn 15～30％，Pb 0.5～3％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。该优选组分的合金，强度、硬度高，热加工性能优良。由于铜含量低，具有更低的成本。本优选组分的合金，进一步更优选的重量百分比组分是Cu 45～54％，Mn 20～30％，Pb 1～3％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
本发明的高锰易切削铜锌合金选择较高的锰含量，是因为锰的合金化优点以及锰的价格。锰的原子半径和铜、锌接近，是置换式固溶体，和锌的作用相似，起到固溶强化作用，提高合金的强度、硬度，在合理的配比范围，具有类似易切削铅黄铜的延伸性能。锰在以锌为主要合金元素的合金中，锰的锌当量系数是0.5，有替代铜的作用，扩大α相区。锰含量太低，经济性不明显，锰含量太高，将超越本发明合金的目的，所以合金的锰含量选7～30wt％。
Pb是改善合金切削性能的重要元素，在易切削铜合金中以游离的独立相存在，在本发明合金中，也是呈游离态存在，游离的铅质点既有切削润滑作用，又使切屑呈碎屑状。合金可高速切削，获得光洁表面。即使添加少量铅，切削性能改善也明显，合适的配比是0.2～4wt％。
本发明的所述合金中X代表Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al九种元素中的至少一种，其重量百分比成分进一步优选为Fe 0.001～0.5％，As 0.02～0.06％，P 0.005～0.04％，B 0.001～0.02％，Cr 0.1～0.6％，Li 0.0001～0.1％，Ni 0.001～2％，Sn 0.001～1％，Al 0.001～1.5％中的至少一种；X的总量不超过2％。
X代表Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al九种元素中的至少一种，其作用分别是：
Fe：少量铁能细化铸造组织和再结晶组织，改善加工性能，少许提高强度，本发明合金中优选0.001～0.5wt％范围，含量太高，析出粗大富铁相，影响冷加工。
As：对黄铜的抗脱锌腐蚀有很好的作用，合适的添加量优选是0.02～0.06wt％。
P：通常用于铜及铜合金的脱氧，增加熔体的流动性，在黄铜中有改善脱锌腐蚀和切削性能的作用，含量小于0.005wt％作用不明显，大于0.04wt％效果不再增加，优选常用量0.005～0.04wt％.
B：单独或和As联合作用，具有优秀的抗脱锌腐蚀效果。最佳含量0.001～0.02wt％。
Cr：增加合金的强度和耐磨性。含量太低效果不明显，含量太高熔铸性能变差，合适优选比例0.1～0.6wt％。
Li：脱氧，防止铸造产生气孔和针孔。由于该元素在熔体中易氧化烧损，控制优选范围0.0001～0.1wt％。
Ni：改善合金的冷加工性能，增加强度，大于2％，硬度增加，加工性能变差，优选0.001～2wt％。
Sn：改善腐蚀性能，增加强度和耐磨性。优选0.001～1wt％。
Al：提高合金的强度、硬度等力学性能，可以在合金表面形成一层致密的氧化膜，增加耐蚀性能，延缓变色，提高抗应力腐蚀性和改善脱锌腐蚀。铝的锌当量系数高，显著缩小α相区，降低冷加工性能，可以根据不同的铜含量和加工方法来选择。
与现有技术相比，本发明高锰易切削铜锌合金以经济性和适用性为目的，具有类似铅黄铜的易切削性能；合金含有较高组分的锰，部分地替代锌铜的作用，同时使合金的原料成本下降；合金的压力加工性能良好，其中优选组分之一和之二的合金，既可进行热加工也可进行冷加工，优选组分之三的合金，适宜热加工。本发明合金可用于制造结构件和连接件，特别适用于切削的场合，如螺钉、螺帽及需要钻孔的零件等。合金抛光后呈显银白色，对于制造需要表面镀白的日用品部件，既易于加工，还能使镀层磨损后仍露出白颜色，感观良好。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例合金样品制备方法为：配料一中频感应熔炼一铸φ70的铸锭一车皮一热挤压φ12mm棒坯一拉伸，其流程大体和常规的铅黄铜合金生产相同。比较样品采用同工艺条件下美国的含铅黄铜，牌号分别为C36000、C33000合金。
本发明的高锰易切削铜锌合金的各实施例的具体成分含量列于表1(见下页)。
铸锭车皮时根据车屑形状评价铸态切削性能，具体方法是，以比较样品C36000为100％(C36000是世界公认的切削性定为100％的含铅黄铜)，发明合金根据切屑的形态、大小综合比较，得出各发明合金相对于C36000的切削性能指数；挤压坯料取样测试拉力、硬度；挤压坯料进行拉伸，并测试加工率为19.4％时的力学性能。氨熏试验根据中国国家标准GB/T10567.2-1997《铜及铜合金加工材残留应力检验方法氨熏试验法》进行。本发明的高锰易切削铜锌合金的各实施例的性能测试如表2(见第5页)所示。
表1本发明实施例合金组分(wt％)
| 实施例 | Cu | Mn | Pb | Al | Ni | Sn | Cr | Fe | As | B | Li | P | Zn |
| 1 | 45 | 30 | 1 | 0.5 | - | - | - | - | - | - | 0.002 | - | 余量 |
| 2 | 45 | 20 | 0.5 | 1.5 | - | - | - | - | - | - | - | - | 余量 |
| 3 | 50 | 25 | 2 | 0.001 | - | - | - | - | - | - | 0.1 | 0.04 | 余量 |
| 4 | 54 | 15 | 3 | - | 1.4 | - | - | - | - | - | - | 0.015 | 余量 |
| 5 | 55 | 20 | 0.5 | - | - | - | - | - | - | 0.0013 | 0.0015 | - | 余量 |
| 6 | 55 | 15 | 3 | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.01 | 余量 |
| 7 | 57 | 25 | 3.8 | - | 1.8 | - | - | - | - | - | - | 0.02 | 余量 |
| 8 | 58 | 15 | 1 | - | - | - | 0.1 | 0.001 | - | - | - | - | 余量 |
| 9 | 59 | 15 | 2.8 | - | - | - | - | 0.001 | - | - | - | - | 余量 |
| 10 | 60 | 22 | 3 | - | - | 0.2 | - | 0.1 | - | - | - | - | 余量 |
| 11 | 61 | 18 | 3.8 | - | - | 0.05 | - | - | 0.06 | - | 0.004 | - | 余量 |
| 12 | 60 | 12 | 2.5 | - | 0.5 | - | 0.6 | - | 0.02 | 0.012 | - | - | 余量 |
| 13 | 62 | 15 | 3.0 | - | - | - | - | - | - | 0.001 | - | 0.007 | 余量 |
| 14 | 63 | 20 | 2.5 | - | 1.8 | - | - | 0.01 | - | - | - | - | 余量 |
| 15 | 65 | 20 | 2.5 | 0.2 | - | - | - | 0.005 | - | - | - | 0.005 | 余量 |
| 16 | 67 | 15 | 0.5 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 余量 |
| 17 | 70 | 15 | 1.5 | 1.5 | - | - | - | - | - | - | - | - | 余量 |
| 18 | 70 | 15 | 1.5 | - | - | - | - | 0.01 | - | - | - | - | 余量 |
| 19 | 70 | 7 | 0.2 | 0.8 | - | 1 | - | - | 0.03 | - | - | - | 余量 |
| C36000 | 61 | - | 3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 余量 |
| C33000 | 67 | - | 0.5 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 余量 |
从表2(见下页)可见，相对于C36000和C33000，本发明合金的强度和硬度提高，合金的压力加工性能良好；切削性可达传统含铅黄铜C36000的80％以上，有的合金甚至能达到100％，说明本发明合金的切削性能优异；通过应力腐蚀实验后，牌号为C36000和C33000的传统含铅黄铜均有开裂现象，而本发明合金表面无可见裂纹，说明本发明合金耐应力腐蚀性能较优。
其中，对实施例13和18号合金还进行了切削力测试，实验条件为：工件直径：φ10.32mm，切削点数：4点，主轴转速：1120r/min，切削速度：36.3107m/min，进给量：0.1mm/r，背吃刀量：0.8mm。切削性测试结果见表3(见下页)所示。
表2本发明实施例1合金性能测试结果
| 实施例 | 挤制态 | 加工率19.4％ | 铸锭切屑(％) | 氨熏实验 | |||
| 抗拉虽度(Mpa) | 延伸率(％) | 维氏硬度HV5 | 抗拉强度(Mpa) | 延伸率(％) | |||
| 1 | 550 | 23 | 147 | - | - | 100 | 不裂 |
| 2 | - | - | 281 | - | - | 80 | - |
| 3 | 475 | 14 | 138 | - | - | 100 | - |
| 4 | 515 | 5.0 | 199 | - | - | - | - |
| 5 | 420 | 26 | 117 | 610 | 5.0 | 80 | 不裂 |
| 6 | 440 | 38 | 130 | - | - | 100 | - |
| 7 | 430 | 38.5 | 104 | 510 | 12 | 85 | 不裂 |
| 8 | 454 | 28 | 109 | 610 | 7 | - | 不裂 |
| 9 | 420 | 22.5 | 102 | - | - | 100 | - |
| 10 | 445 | 65 | 108 | 520 | 12.0 | 100 | 不裂 |
| 11 | 405 | 38 | 105 | 525 | 10.5 | 98 | 不裂 |
| 12 | 415 | 48 | 101 | 500 | 9.5 | 100 | 不裂 |
| 13 | 407 | 34 | 99.2 | 553 | 13 | - | 不裂 |
| 14 | 450 | 33 | 111 | 475 | 11 | 80 | 不裂 |
| 15 | 435 | 38 | 105 | - | - | 95 | |
| 16 | 342 | 43 | 125 | 577 | 15 | - | 不裂 |
| 17 | 370 | 39 | 95.5 | 505 | 16.0 | 80 | 不裂 |
| 18 | 390 | 36 | 90.1 | 475 | 14.0 | 80 | 不裂 |
| 19 | 391 | 37 | 91.4 | 534 | 20 | - | 不裂 |
| C36000 | 370 | 41.5 | 92.2 | 475 | 14 | 100 | 裂 |
| C33000 | 370 | 51 | 82.8 | 465 | 19 | 90 | 裂 |
表3本发明合金切削力测试结果
| 样品编号 | 切向力(N) | 轴向力(N) | 径向力(N) |
| 实施例13号合金 | 112.7480 | 101.9713 | 77.6808 |
| 实施例18号合金 | 133.7571 | 77.0792 | 51.1476 |
| 对比样C36000 | 98.4577 | 112.1325 | 80.4297 |
从表3可以看到，实施例的轴向力和径向力小于对比样，若用对比样C36000合金的切向力除以实施例合金的切向力得出切削性，13号合金为87.33％，18号合金为73.61％，合金的综合切削性能良好。
还对实施例9和16号合金进行了脱锌腐蚀实验。脱锌腐蚀试验根据中国国家标准GB10119-88《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行，试验样和对比样平行条件进行，测试结果列于表4。
表4本发明合金脱锌腐蚀结果
| 样品 | 实施例9号合金 | 对比样C36000 | 实施例16号合金 | 对比样C33000 |
| 腐蚀深度(mm) | ≤0.26 | ≤0.41 | ≤0.37 | ≤0.41 |
从表4可见，本发明高锰易切削铜锌合金的抗脱锌性优于C36000和C33000含铅黄铜。
另外，我们还采用表5中所示的实施例20号合金配方进行水平连铸坯料，经拉伸-扒皮-退火-酸洗-拉伸的工艺路线，生产出线材(流程大体与常规的合金生产相同)。不同状态的机械性能见表6。
表5本发明合金组分(wt％)
| 实施例 | Cu | Mn | Pb | Ni | Fe | Zn |
| 20 | 63 | 12 | 1 | 1 | 0.1 | 余量 |
表6本发明合金力学性能
| 合金 | 规格 | 状态 | 抗拉强度(Mpa) | 屈服强度(Mpa) | 延伸率(％) | 维氏硬度HV5 |
| 实施例20号合金 | φ2.8 | Y2 | 580-620 | 500-530 | 6 | 180 |
| φ2.3 | Y | 690-730 | 580-690 | 2 | 197 |
合金的室温金相显微组织为α+少量β+Pb相组织。
依据GB/T 10567.2-1997《铜及铜合金加工材残留应力检验方法氨熏试验法》标准，对φ2.3硬态样品进行抗应力腐蚀性能测试，发现合金材料表面无裂纹，同规格对比样H62合金线出现裂纹。
综合考虑各种实验结果，本发明高锰易切削铜锌合金具有类似铅黄铜的易切削性能；合金含有较高组分的锰，具有部分地替代锌铜的作用，同时使合金的原料成本下降；合金的压力加工性能良好，可用于生产压力加工产品也可以用于生产铸造产品。
上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1、一种高锰易切削铜锌合金，其特征在于：其重量百分比组成为：Cu 45～70％，Mn7～30％，Pb 0.2～4％，X 0.0001～2％，余量为锌和不可避免的杂质；其中X为Fe、As、P、B、Cr、Li、Ni、Sn、Al九种元素中的至少一种。
2、根据权利要求1所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 55～64％，Mn 12～25％，Pb 0.5～4％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。
3、根据权利要求2所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 58～63％，Mn 15～22％，Pb 1～3.8％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
4、根据权利要求2所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 55～57％，Mn 15～25％，Pb 0.5～3.8％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
5、根据权利要求1所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 65～70％，Mn 7～20％，Pb 0.2～2.5％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。
6、根据权利要求1所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 45～54％，Mn 15～30％，Pb 0.5～3％，X 0.001～2％，余量为锌和不可避免的杂质。
7、根据权利要求6所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金中各元素的重量百分比组成为：Cu 45～54％，Mn 20～30％，Pb 1～3％，X 0.001～1.5％，余量为锌和不可避免的杂质。
8、根据权利要求1、2、5或6所述的高锰易切削铜锌合金，其特征在于：所述合金成分X的重量百分比含量为Fe 0.001～0.5％，As 0.02～0.06％，P 0.005～0.04％，B 0.001～0.02％，Cr 0.1～0.6％，Li 0.0001～0.1％，Ni 0.001～2％，Sn 0.001～1％， Al 0.001～1.5％中的至少一种；X的总量不超过2％。
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