CN101152692A - 锡青铜阀体、管接头的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锡青铜阀体、管接头的加工工艺，依次包括锡青铜改性处理、挤压锻坯、锻造等步骤。本发明对锡青铜进行变质改性处理，加入稀土净化、RE－Li－Bi合金复合变质剂，细化了晶粒，提高了锡青铜的延展性能，解决了锡青铜的气密性问题。坯件的锻造实施初锻时轻而快、中间锻时重而慢、在脆性区内轻敲整形的工艺。将铸造原坯、挤压锻坯、锻造锡青铜阀体、管接头产品集为一体，将原需数个工艺过程完成的工作集成在一个生产周期之中完成，提高了加工精度，简化了工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。本发明主要用于3/8″～4″(尺寸为3/8英寸－4英寸)的锡青铜阀体、管接头锻造的系列零件。

Description

锡青铜阀体、管接头的加工工艺

【技术领域】

本发明涉及锡青铜合金件，尤其涉及锡青铜阀体、管接头的加工工艺。

【背景技术】

铜合金中只有黄铜适合于压铸，主要是黄铜的熔点较低，合金的结晶间隔小，有利于克服由于快速冷却形成的凝固应力，加之锌的价格远比Cu、Al低，且货源丰富，故成本低。Zn在铜中固溶度也大，有利于强度及硬度提高。压铸铜合金一般用来制作高温强度较高、耐蚀、耐磨的构件，如水管接头、汽车拨叉、标牌、门锁、家具配件、消防喷头等，其中国内以YZCuZn₁₆Si₄压铸黄铜用的较多，Al和Si的加入有助于减少合金的氧化，改善合金的工艺性能，铸件合格率较高，压铸铜合金由于其熔炼设备有特殊要求，耗能大，加上铜合金压铸模具材料特殊，寿命短，所以国内发展受到一定限制。

锡青铜无论在大气、水蒸气、淡水或海水以及碱性溶液中，都有很高的化学稳定性，因此，倍受阀门制造行业的青睐。阀门作为一种控制流体介质的辅助设备，广泛应用于石油、船舶、化工、冶金、电力、纺织、轻工、机械制造、建筑、国防军工等国民经济各部门，已成为中流体装置中不可缺少的控制设备。

由于锡青铜在一般条件，特别在砂型铸造条件下，难以得到致密性好的铸件，这样，气密性问题就成为锡青铜在该领域进一步发挥作用的瓶颈。

目前阀体、管接头的成形方式主要是铸造，其中尤以精铸件为主导，但压铸产品性能、可靠性、成品率、材料利用率和设备能力等都受到限制，且无法满足航空、军工等领域中高性能结构件的要求。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种锡青铜阀体、管接头的加工工艺，能够解决锡青铜的气密性问题，提高加工精度，并能够简化工艺，提高生产效率，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明提出了一种锡青铜阀体、管接头的加工工艺，依次包括如下步骤：

锡青铜改性处理：先加料熔炼，再精炼处理，加变质剂改性处理，然后浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯；

挤压锻坯：用N₂或Ar气排除挤压模具型腔中的空气，防止铜合金液在挤压成形流动过程中产生氧化及夹杂，采用挤压充填速度为2.0～2.5m/s，挤压比为100～400，挤压力为500kN～100MN，挤压得到组织致密的铜合金挤压铸件；挤压模具的挤压活塞和定量室浇口套设置独立的加热装置，加热温度为400-460℃，挤压活塞和定量室浇口套两者之间单边配合间隙为0.02-0.05mm；

锻造：初锻时要轻而快，中间锻时要重而慢，并在脆性区内轻敲整形。

作为优选，所述锡青铜改性处理中加料到中频感应炉中熔炼，应尽快熔化，防止过热，炉料熔化后，进行精炼处理，再升温到1050℃，进行P-Cu脱氧，再撇渣后，加入铅和锡，再升温到150℃，进行复合精炼，加入RE-Li-Bi变质剂，静置后升温到1150-1250℃进行变质处理，然后调整温度进行浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯。

作为优选，所述锡青铜改性处理中得到的铸坯中Sn：2wt％-6wt％；Zn：3wt％-6wt％；Pb：1wt％-5wt％；Re：0.03wt％-0.25wt％；Cu：80wt％-96wt％。

作为优选，所述挤压锻坯中挤压采用加温挤，2wt％＜Sn≤3wt％时，采用780℃-880℃的挤压温度；3wt％＜Sn≤5wt％时，采用650℃-780℃的挤压温度；5wt％＜Sn≤6wt％时，采用600℃-740℃的挤压温度。

作为优选，所述挤压锻坯中挤压采用常温冷挤。

作为优选，所述锻造采用加温锻，2wt％＜Sn≤3wt％时，采用780℃-880℃的锻造温度；3wt％＜Sn≤5wt％时，采用650℃-780℃的锻造温度；5wt％＜Sn≤6wt％时，采用460℃-650℃的锻造温度。

作为优选，所述锻造采用常温冷锻。

本发明的有益效果：本发明对锡青铜进行变质改性处理，加入稀土净化、RE-Li-Bi合金复合变质剂，细化了晶粒，提高了锡青铜的延展性能，解决了锡青铜的气密性问题。坯件的锻造实施初锻时轻而快、中间锻时重而慢、在脆性区内轻敲整形的工艺。将铸造原坯、挤压锻坯、锻造锡青铜阀体、管接头产品集为一体，将原需数个工艺过程完成的工作集成在一个生产周期之中完成，提高了加工精度，简化了工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为本发明的工艺流程图。

【具体实施方式】

如图1所示，高强度高延展性镁合金件的加工工艺，依次包括锡青铜改性处理1、挤压锻坯2、锻造3等三个步骤。

以紫铜为原料合金成分配比进行配料，熔炼合金时先将原材料加入熔炉，然后再加入煅烧处理后的木炭作为保护剂，使合金与空气隔绝。其中，木炭覆盖层厚度为50~70mm。之后将合金料加热到600℃，使其在熔炉中保温30min，然后继续升温至900℃，再最后将合金加热到1150℃，扒去液面熔渣和木炭，加入约0.1％的磷铜，用石墨棒搅拌熔池，补加木炭升温至1200℃，保温30min，准备连铸。

当熔炉加热至900-950℃时，合金即将熔化，此时开始加热结晶器，使其加热至600℃，保温15min后即可开始连铸，开始连铸时，因为可能出现拉漏合金熔体现象，所以拉坯速率只能达到20cm/min，随着连铸的稳定进行，拉坯速率可以提高至30~40cm/min。

锡青铜改性处理1：先加料熔炼，再精炼处理，加变质剂改性处理，然后浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯；具体是加料到中频感应炉中熔炼，应尽快熔化，防止过热，炉料熔化后，进行精炼处理，再升温到1050℃，进行P-Cu脱氧，再撇渣后，加入铅和锡，再升温到150℃，进行复合精炼，加入RE-Li-Bi变质剂，静置后升温到1150-1250℃进行变质处理，然后调整温度进行浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯。

(1)配料。根据铸件技术要求所规定的合金牌号，可查出合金的化学成分范围，从中选定化学成分；将锌、电解铜、回炉料、按化学成分进行计算，铜烧损3％，锌烧损5％，锡烧损4％，铅烧损2％；

(2)炉料处理根据元素的烧损率和成分要求，进行配料计算，得出各种炉料的加入量，并选择炉料。若炉料受到污染，则需要进行处理，保证所有的炉料清洁、无锈，并在投料前进行预热；

(3)准备。检查和准备化用具，涂刷涂料，并预热，防止气体、夹杂物和有害元素的污染；

(4)加料。加料到中频感应炉中熔炼，加料循序回炉料→锌→电解铜→熔化→覆盖剂。为了减少合金液的吸气和氧化的污染，应尽快熔化，防止过热，根据需要，有的合金液须加覆盖剂保护

(5)调配成分。炉料熔化后，进行精炼处理，以净化合金液，并进行精炼效果的检验；根据需要，进行和细分组织处理以提高性能，并检验处理效果；升温1050℃→P-Cu脱氧→撇渣→铅→锡；

(6)精炼与变质。升温1150℃→复合精炼→RE-Li-Bi变质剂→静置→升温1150~1250℃

(7)炉前快速分析成分，若不合格则添加对应成分。

(8)出炉。调整温度，进行浇注。有的合金在浇注前要进行搅拌，以防发生比重偏析。

(9)启动震荡器进行连铸拉锭。对合金熔体施以机械振动和搅拌以促进熔体的形核，并破坏已形成的枝晶，成为游离晶体，使晶核数量增加，还可以强化熔体中的传导过程，消除成分偏析，提高铜合金的形核率，抑制晶核的长大而显著细化晶粒。

实践中发现，原有铸造和锻造推荐的锡青铜化学成分很难完成锻造(挤压)阀体、管接头的要求，同时也不符合欧洲对锡青铜化学成分使用的惯例，为同时满足二者的要求，提出Sn：2~6wt％Zn 3~6wt％Pb：1~5w％tRe：0.03~0.25wt％Re：0.03~0.25wt％Cu：80~96wt％的改良锻造(挤压)铜合金化学成分，浇注温度1150~1250℃，微观组织的改变主要从工艺上入手，采取如下措施细化晶粒提高延伸率。

(1)稀土(RE)净化、RE-Li-Bi合金复合变质

稀土强氧化剂是铜及铜合金熔体极佳的净化剂，脱氧能力仅次于钙，产物热稳定性好且易上浮；稀土还有脱氢作用，与氢形成稀土氢化物如LaH等，减少气体和夹杂，净化合金，与Pb、Sb、Bi、P形成高熔点化合物，消除Sb的危害，两相区温度区间变窄，增加外来晶核，细化晶粒尺寸，提高铸件致密性。

铋改善合金流动性，与RE、P协同使用，不但能消除它的有害作用，还能增加晶核数量，起到变质熔体的作用，特别是Bi在凝固时膨胀，有利于补缩，提高铸件致密性。

锂表面活性极强，是很好的脱氧剂(Li₂O)、脱氢剂(LiOH)，用量≯0.03％，过量则会吸氢。锂能选择性地吸附在晶核面上，降低晶格界面的长大速度，有利于等轴晶的形成。细化晶粒，提高致密性。

(2)覆盖剂加入阻止氧化和呼氢反应、复合精炼剂进一步除氢、脱氧、去杂质。

覆盖剂或木炭层隔绝铜合金与空气通道。

精炼剂由粉状稀土、铋粉、石墨粉等组合而成。以惰性气体Ar、N₂为载体，将干燥的粉状熔剂，用离心旋转喷吹法吹入熔池离底约50～100mm处，充分改善熔剂与熔体的接触条件，提高精练除气效率、喷吹石墨粉能有效去除熔体中的氧。经处理后，氢含量可从＞3ml/100g降至≤0.2ml/100g，远低于熔点温度下氢在固态铜中的溶解度。氧从5.0×10^-3左右降到≤2.2×10^-5。

(3)振荡结晶与净化

启动震荡器(机械振荡、电磁振荡)进行连铸拉锭。电磁净化处理的基本原理是：设置一种工艺装置，使液态金属处于一种磁场中，而且让液态金属本身带有电流，这样液态金属就成为处于磁场之中的载流导体。载流导体与磁场相互作用，液态金属和夹杂物都受到电磁力，但由于夹杂物与液态金属之间电阻率相差很大，它们所受电磁力也相差很大，从而就可以促使两者分离，将夹杂物上浮去除。

锡青铜中，铅的作用：铅的硬度很低，润滑好。它在合金中既不溶于铜中形成固溶体，也不组成新的化合物，而是以独立相的形态存在。当铅以细小分散的颗粒均匀分布在基体上时，就象铸铁中的石墨一样，具有很好的自润滑作用，能降低合金的摩擦系数，从而显著地提高了合金的耐磨性。

锡的作用：随锡含量的增加，由于锡在铜中的固溶强化作用，使合金的抗拉强度和伸长率有所增加。含锡量过低时，则作为硬质点的δ相数量较少，因而合金不抗磨；如果含锡量硬度高，则铸件脆性大、硬度高，从而导致摩擦系数增大；另外含锡量过高，铸件成本也会增大。

铈的作用：在锡青铜中加入铈能细化合金的铸态组织、均匀化组织和再结晶退火组织，显著改善合金的显微组织和力学性能。另外，铈能净化合金，消除有害杂质，延伸性能增加。

挤压锻坯2：用N₂或Ar气排除挤压模具型腔中的空气，防止铜合金液在挤压成形流动过程中产生氧化及夹杂，采用挤压充填速度为2.0～2.5m/s，挤压比为100～400，挤压力为500kN～100MN，挤压得到组织致密的铜合金挤压铸件；挤压模具的挤压活塞和定量室浇口套设置独立的加热装置，加热温度为400-460℃，挤压活塞和定量室浇口套两者之间单边配合间隙为0.02-0.05mm。

(1)金属在稳定流动阶段(基本挤压阶段)

此时受力状态与镦粗阶段有较大的不同，包括挤压筒壁、模子锥面和定径带作用在金属上的正压力和摩擦力，以及挤压轴通过垫片作用在金属上的挤压力。

(2)定径带长度

当定径带长度的选择合理时，经一次挤压后，即可获得比模具定径带表面还光滑的挤压制品。其原因是所粘附的匀薄而稳定的金属膜实际上起到了提高定径带光滑度的作用。定径带的长度为2~3mm时，条纹最细。这一结果与下述试验结果是一致的。即当定径目的长度发生变化(大于3mm)时，模孔入口侧定径带上形成的薄而稳定的粘附膜的长度却基本保持不变，约为2~3mm左右。

(3)热挤压

金属在变形过程中产生的硬化可以通过再结晶软化。但这种软化需要充分的时间进行，当挤压速度增加时，软化来不及进行，导致变形抗力增加，使挤压力增加。当挤压温度为450℃时，条纹最细，表面精度最高。

(4)常见缺陷

组织不均匀性

挤压锻坯的组织在断面上和长度上出现不均匀性，主要是由于不均匀变形而引起的。根据挤压流动变形特点的分析可知，在锻坯断面上，由于外层金属在挤压过程中受模子形状约束和摩擦阻力作用，使外层金属主要承受剪切变形，且一般情况下金属的实际变形程度由外层向内逐渐减少，所以在挤压锻坯断面上会出现组织的不均匀性；在锻坯长度上，同样是由于模子形状约束和外摩擦的作用，使金属流动不均匀性逐渐增加，所承受的附加剪切变形程度逐渐增加。从面使晶粒遭受破碎的程度由锻坯的前端向后端逐渐增大，导致锻坯长度上的组织不均匀。

造成挤压锻坯组织不均匀性的另一因素是挤压温度与速度的变化。一般在挤压比不高，挤压速度极慢的情况下，坯料在挤压筒内停留时间长，坯料前部在较高温皮下进行塑性变形，金属在变形区内和出模孔后可以进行充分的再结晶，故晶粒较大；坯料后端由于温度低(由于挤压筒的冷却作用)，金属在变形区内和出模孔后再结晶不完全，故晶粒较细，甚至出现纤维状冷加工组织。

层状组织

在挤压锻坯中，常常可以观察到层状组织。所谓层状组织，也称片状组织，其特征是锻坯在折断后，呈现出与木质相似的断口，分层的断口表面凹凸不平。分层的方向与挤压锻坯轴向平行，继续塑性加工或热处理均无法消除这种层状组织。

(5)挤压工艺流程

根据锻坯要求，考虑挤压工艺性和机械加工的工艺要求，制定出挤压件图。

挤压力、挤压模具端面尺寸与挤压制品断面尺寸的大小密切相关。

用N₂或Ar气排除挤压模具型腔中的空气，防止铜合金液在挤压成形流动过程中产生氧化及夹杂。采用挤压充填速度为2.0～2.5m/s，铜的挤压比可达100～400，挤压力为500kN～100MN，可生产出组织致密的铜合金挤压铸件。

挤压模具的挤压活塞和定量室浇口套设计了独立的加热装置。加热温度为400~460℃，挤压活塞和定量室浇口套两者之间单边配合间隙取0.02~0.05mm。

挤压工艺参数如表一所示。

表一：

	成份/wt％	挤压温度/℃	工模具温度/℃	挤压比	流出速率/m.min-1
						加温挤	2＜Sn≤3	780~880	400~450	~100	50~150

	3＜Sn≤55＜Sn≤6	650~780600~740	400~450380~420	~100~80	30~5020~30
						冷挤	2＜Sn≤6	常温	400~450

采用冷挤压法可提高挤压速度；抑制再结晶或再结晶长大的进行，防止制品表面产生粗晶环(对于型材来说，称其为表面粗晶层更合适)；改善表面质量、提高光亮度。

(6)挤坯预处理-磷化皂化

磷化膜外观呈从灰或暗灰色，其膜又有细小裂缝的多孔结构，使材料表面的耐蚀性、吸湿性、减摩性能得到改善；磷化膜表面经填充、浸油或涂漆处理，在大气条件下具有较好的抗蚀能力，内于膜层的吸附能力强，常作为涂料的底层。磷化膜具有较高的电绝缘性能，一般应用在电机、变压器的钢片的电绝缘层，膜与零件表面有良好的结合力。经磷经处理后，零件的原金属机械性能、强度、磁性等基本不变。磷化膜有良好的润滑性能，用作零件冷压、冷拉时的润滑层，能减少摩擦，避免和减少对模具的机械损伤，延长模具的使用寿命。

磷化膜本身的摩擦系数并不很低，为了提高冷挤压润滑效果，通常在磷化后再施行皂化处理。皂化是利用硬酯酸钠或肥皂作润滑剂，使其与磷化层中的磷酸锌(Zn₃(PO₄)₂)反应生成硬酯酸锌((C₁₇H₃₅COO)₂Zn，俗称锌肥皂或金属肥皂)的一种润滑处理方法。其化学反应式如下：

Zn₃(PO₄)₂+6C₁₇H₃₅COONa→3(C₁₇H₃₅COO)₂Zn+2Na₃PO₄

锻造3：初锻时要轻而快，中间锻时要重而慢，并在脆性区内轻敲整形。

(1)初锻时要轻而快。由于锻造时会产生锻造变形热，使锻件温度升高。而且，青铜的粘附力大，流动性差，锻造时更易产生变形热。如果初锻时便重锻，在变形剧烈的地方，有可能积累过多的变形热，使锻件在初始温度的基础上，再局部温升过高而引起过烧。此时显著变形，就会开裂。

(2)中间锻时要重而慢。锻件在变形时，虽然会产生锻造变形热.但这些热量不抵它在空气中和砧面上的热量损失。所以，经初锻后，便可进行重锻，以便它能迅速达到所需要的零件形状。但重锻不宜过重过快，若过重，则材料一次变形量太大，某些局部的变形量有可能超过了材料的塑性极限，造成开裂；若过快，则有可能因材料的局部变形热积累过多，使其局部温度升高到过烧温度，此时变形，也会开裂。

(3)在脆性区内轻敲整形。

锻造工艺参数如表二所示。

表二：

	成份/wt％	锻造温度/℃	工模具温度/℃
				加温锻	2＜Sn≤33＜Sn≤55＜Sn≤6	780～880650～780460～650	300～450300～450300～450
冷锻	2＜Sn≤6	常温	400～460

由于锻造时会产生锻造变形热，使锻件温度升高。而且，青铜的粘附力大，流动性差，锻造时更易产生变形热。重锻和快速，在变形剧烈的地方，有可能积累过多的变形热，使锻件在初始温度的基础上，再局部温升过高而引起过烧。此时显著变形，就会开裂。

锻造铜合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。锻造成形方法能获得满足更多需要的高性能铜锻件，是铸造铜合金产品所无法取代的。

本发明主要用于3/8″-4″(尺寸为3/8英寸-4英寸)的锡青铜阀体、管接头锻造的系列零件。

Claims (7)

1.锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：依次包括如下步骤：

锡青铜改性处理(1)：先加料熔炼，再精炼处理，加变质剂改性处理，然后浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯；

挤压锻坯(2)：用N₂或Ar气排除挤压模具型腔中的空气，防止铜合金液在挤压成形流动过程中产生氧化及夹杂，采用挤压充填速度为2.0～2.5m/s，挤压比为100～400，挤压力为500kN～100MN，挤压得到组织致密的铜合金挤压铸件；挤压模具的挤压活塞和定量室浇口套设置独立的加热装置，加热温度为400-460℃，挤压活塞和定量室浇口套两者之间单边配合间隙为0.02-0.05mm；

锻造(3)：初锻时要轻而快，中间锻时要重而慢，并在脆性区内轻敲整形。

2.如权利要求1所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述锡青铜改性处理(1)中加料到中频感应炉中熔炼，应尽快熔化，防止过热，炉料熔化后，进行精炼处理，再升温到1050℃，进行P-Cu脱氧，再撇渣后，加入铅和锡，再升温到150℃，进行复合精炼，加入RE-Li-Bi变质剂，静置后升温到1150-1250℃进行变质处理，然后调整温度进行浇注，并启动震荡器进行连铸拉锭得到铸坯。

3.如权利要求2所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述锡青铜改性处理(1)中得到的铸坯中Sn：2wt％-6wt％；Zn：3wt％-6wt％；Pb：1wt％-5wt％；Re：0.03wt％-0.25wt％；Cu：80wt％-96wt％。

4.如权利要求3所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述挤压锻坯(2)中挤压采用加温挤，2wt％＜Sn≤3wt％时，采用780℃-880℃的挤压温度；3wt％＜Sn≤5wt％时，采用650℃-780℃的挤压温度；5wt％＜Sn≤6wt％时，采用600℃-740℃的挤压温度。

5.如权利要求3所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述挤压锻坯(2)中挤压采用常温冷挤。

6.如权利要求3所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述锻造(3)采用加温锻，2wt％＜Sn≤3wt％时，采用780℃-880℃的锻造温度；3wt％＜Sn≤5wt％时，采用650℃-780℃的锻造温度；5wt％＜Sn≤6wt％时，采用460℃-650℃的锻造温度。

7.如权利要求3所述的锡青铜阀体、管接头的加工工艺，其特征在于：所述锻造(3)采用常温冷锻。

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