CN101768683B - 一种高强度耐蚀易切削黄铜合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐蚀易切削黄铜及其制造方法，其组成配比为55～65wt％铜、0.5～3.7wt％铅、0.1～0.5wt％锡，余量为锌以及不可避免的杂质，不可避免的杂质总量不大于0.5wt％。可选择元素还包括最高达0.3wt％的铁、铝、钛、磷、铋、镍中的一种或多种；制造方法为将电解铜、可选择元素、电解锌、铅锭、锡锭依次加入感应电炉内熔炼，待全部金属熔化后，搅拌10分钟，然后将熔体转入保温炉，进行水平保温连铸，然后将铜合金铸锭进行热挤压；挤压后的半成品经拉伸、中间退火、矫直、抛光后成为成品。本合金满足精密加工和耐腐蚀环境的要求，比现有铅黄铜更加优良的切削性能、力学性能和耐蚀性能。特别适用于高速、精密仪器及细小零件的制造和工作。

Description

一种高强度耐蚀易切削黄铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种黄铜合金及其制造方法，特别涉及一种高强度耐腐蚀易切削黄铜合金及其制造方法。

背景技术

黄铜具有较好的机械性能，良好的耐腐蚀及低廉的成本。为了改善黄铜的切削性能以及冷铆、锻造性能，一般在黄铜材料中添加1-4wt％的铅。中国国家标准GB/T 5231-2001收入了11个标准。在这11个标准牌号中，详细规定了铜和铅的含量，并对铁、镍和杂质总和上限做了规定，对其余元素未做明确限定。

常用的铅黄铜主要有HPb59-1、HPb58-2、HPb63-3等。这些铅黄铜切削性能较好、耐磨性优良，生产成本低，同时冷热加工性好，可通过不同的工艺成形。因此铅黄铜被广泛应用于各个领域，例如电子电器接插件、仪表零件、阀门卫浴等。

但是随着精密机械加工行业发展，车削、铣削、钻孔等加工速度越来越快，如高速数控车床的转速达到8000转/分钟以上，而目前铅黄铜在高速的加工条件下，容易出现切屑缠刀，刀具寿命缩短，加工材料尺寸不稳定等现象。同时由于铅黄铜常作为受力件，在腐蚀性环境中工作，因此它也需要具有更高的力学性能和更好的耐腐蚀性能。为了满足生产发展和下游行业对铅黄铜更高的性能要求，因此迫切希望开发一种既具有比目前铅黄铜更加优良的切削性能，又具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，价格低廉，易于压力加工的黄铜合金。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术现状而提供一种具有良好力学性能、耐腐蚀性能、冷热加工性能，且切削性能更加优秀的高强度耐蚀易切削黄铜合金及其制造方法。

本发明的技术方案是：

高强度耐蚀易切削黄铜金，它包括主元素和可选择元素，其特征是主元素组组成配比为55～65wt％铜、0.5～3.7wt％铅、0.1～0.5wt％锡，余量为锌以及不可避免的杂质，不可避免的杂质总量不大于0.5wt％，可选择元素包括铁、铝、钛、磷、铋、镍中的1种或2种或3种的总含量为该黄铜合金的0.25～0.3wt％。

高强度耐蚀易切削黄铜合金的制造方法，首先将电解铜、可选择元素、电解锌、铅锭、锡锭依次加入工频电炉内熔炼，熔炼温度为1030～1080℃，可选择元素在电解铜全部熔化后加入到感应电炉中，锡的加入温度控制在950～1000℃内，在锡锭加入后，迅速用石墨钟罩将锡锭压至熔体内部，待物料合部熔化后，充分搅拌10分钟，然后将熔体转入保温炉水平连铸，保温温度1020～1050℃，然后将铜合金铸锭加热到570～700℃进行热挤压，挤压后的半成品经拉伸、中间退火、矫直、抛光后成为成品。

作为改进，高强度耐蚀易切削黄铜合金组成配比可优选为57～62wt％铜、1.0～3.7wt％铅、0.1～0.4wt％锡，余量为锌以及不可避免的杂质，不可避免的杂质总量不大于0.5wt％，可选择元素包括铁、铝、钛、磷、铋、镍中的1种或2种或3种最高含量为该黄铜合金的0.3wt％。

再改进，高强度耐蚀易切削黄铜合金组成配比可优选为57～60wt％铜、1.5～3.5wt％铅、0.2～0.4wt％锡，余量为锌以及不可避免的杂质，不可避免的杂质总量不大于0.5wt％。可选择元素包括铁、铝、钛、磷、铋、镍中的1种或2种或3种最高含量为该黄铜合金的0.25wt％。

再改进，所述锡的加入方式为，温度控制在950～1000℃内，在锡锭加入后，迅速用石墨钟罩将锡锭压至熔体内部，减少烧损与挥发。待物料全部熔化后，充分搅拌10分钟。

再改进，所述挤压加工率应不小于80％，以达到晶粒细化作用。

再改进，所述中间退火温度为材料再结晶温度以上50～300℃，最后一道中间退火温度为材料再结晶温度以上150～250℃。

本发明的高强度耐蚀易切削黄铜合金的铜含量是55～65wt％。铜含量低于55wt％时，冷加工性能差，拉拔过程中容易断裂，成品的延伸率低，实用价值低。铜含量高于65wt％时，β相含量低，热加工性能不佳，切削性能降低，而且制造成本增高。

铅是提高合金切削性能的重要因素，铅在铜中的固溶度极低，固态下，铅以游离态的独立相分布在晶界和相界上。铅的熔点低，在合金中形成软、弥散的小质点，因此铅的存在可以视为合金基体中产生的微小空间，从而割断了基体的连续性，成为应力集中源，在切削过程中使切屑容易断裂脱落，同时切削时铅在刀刃的接触面上就有大量软的铅质点存在，相当于减小了切削层面积，使得刀具磨损减小，切削温度和切削力降低，达到易切削的目的。铅含量低于0.5wt％时，切屑较长，车刀切削力较大，达不到易切削的目的。铅含量高于3.7wt％时，切削性能没有提高，反而降低合金的加工性能和力学性能，同时对环境保护不利。

锡能少量固溶在黄铜中，在凝固过程锡在晶界和相界处析出，阻止枝晶长大，促进晶粒细化。同时它还能改善铅在合金中的状态，增大铅质点的浸润角，促使铅由薄膜态转化为球状，并分布更加弥散均有。由于改善了铅质点的形态和分布，进而使合金在机加工中易形成短断屑点，减少刀头和工件的粘结和焊和，具有更加优良的切削性能。此外，少量锡能提高合金的强度和硬度，抑制黄铜脱锌，提高合金的耐蚀能力。锡含量低于0.1wt％时，对强度、耐蚀性能和切削性能的提高不明显。锡含量高于0.5wt％时，反而降低合金的切削性能，同时增加原材料成本，不利于市场推广。

所述的可选择元素铁、铝、钛、磷、铋、镍中的一种或多种的作用：(1)脱氧、细化晶粒；(2)使铅质点更加细小均匀地分布在晶界、相界上，同时还可以抑制铅偏聚脆断倾向，进而满足工业上需要的优良的切削性能和冷热加工性能；(3)抑制脱锌、增强耐蚀性。

铁主要是起细化晶粒、阻止晶粒长大的作用，能提高软化点，增加强度，提高冷热加工性能。铁含量大于0.3wt％时，会降低耐蚀性能，而且在合金中形成硬质点，严重磨损车刀。

铝和磷主要是脱氧、提高合金的流动性和提高合金强度的作用。铝含量超过0.3wt％时，会降低切削性能和后续的冷热加工性能。

添加钛主要是起脱氧和细化晶粒作用。钛含量大于0.3wt％，使合金铸造性能降低，并且成本增高。

铋的作用与铅类似，起提高切削性能的作用，在合金中以脆而不硬的质点状态分布于晶界上，促进切削断裂、脱落。铋含量大于0.3wt％，会降低合金的冷热加工性能，增加成本。

镍是基体强化和防止脱锌的元素，可以抑制晶粒长大、增加合金强度、塑性和耐蚀性。镍含量大于0.3wt％，会增加制造成本，并会造成后续的冷加工过高的硬化。

与现有技术相比，本发明高强度耐蚀易切削黄铜合金限定了元素锡的含量范围和元素铁、铝、钛、磷、铋、镍的含量上限。本发明合金以满足精密加工机械行业发展和腐蚀工作环境的要求为目的，比现有铅黄铜具有更加优良的切削性能、力学性能和耐蚀性能。合金可用于腐蚀环境下工作的零件，特别适用于高速、精密切削场合，如精密仪器及细小钻孔的零件等。并且本合金化学组份简单，易于回收和再生利用。本合金生产工艺简单，可利用现有铅黄铜的生产设备制造，不需要增加新的设备。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细说明。

首先按55～65wt％铜、0.5～3.7wt％铅、0.1～0.5wt％锡，余量为锌以及不可避免的杂质，可选择地加入元素最高达0.3wt％的铁、铝、钛、磷、铋、镍中的一种或多种，不可避免的杂质总量不大于0.5wt％的成分配比。将电解铜、可选择元素、电解锌、铅锭、锡锭依次加入感应电炉，熔炼温度为1030～1080℃，可选择元素是在电解铜全部熔化后加入到感应电炉中，锡的加入温度控制在950～1000℃内，在锡锭加入后迅速用石墨钟罩将锡锭压至熔体内部。待物料全部熔化后，充分搅拌10分钟，然后将熔体转入保温炉水平连铸，保温温度1020～1050℃，制备出Φ145mm黄铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至570～700℃进行热挤压，挤压加工率应不小于80％。挤压后的半成品经拉伸、中间退火、矫直、抛光后成为成品。其中中间退火温度为合金再结晶温度以上50～300℃，最后一道中间退火温度为合金再结晶温度以上150～250℃。每次拉伸加工率为10～30％，根据加工率大小和铜线直径在450～600℃进行中间退火，消除加工硬化。本发明合金挤压规格Φ14.3mm，最终成品规格Φ12.0mm，加工生产流程一致。本发明制备的黄铜合金铸锭与比较例化学成分如表1所示。

比较例合金选取HPb62-3、HPb61-1、HPb60-2和HPb59-1四个牌号。依据铜、铅含量相近的原则，将实施例和比较例进行对比。

表1 本发明实施例合金与比较例合金的化学成分(wt％)

实施例4	60.5	1.58	0.25	37.59	0.08	-	-	-	-	-
												实施例5	59.6	2.12	0.30	37.74	0.21	-	-	0.03	-	-
实施例6	61.8	3.62	0.38	34	-	0.18	0.02	-	-	-
												实施例7	64.7	0.86	0.14	34.24	-	-	-	0.06	-	-
比较例1(HPb59-1)	58.2	1.71	0.02	39.83	0.16	0.08	-	-	-	-
												比较例2(HPb60-2)	59.8	2.03	-	38.05	0.07	-	-	-	0.05	-
比较例3(HPb61-1)	60.7	1.12	0.08	38.05	0.05	-	-	-	-	-
												比较例4(HPb62-3)	61.7	3.59	0.02	34.46	-	0.15	-	-	-	0.08

其中实施例3与比较例1(HPb59-1)、实施例5与比较例2(HPb60-2)、实施例4与比较例3(HPb61-1)、实施例6与比较例4(HPb62-3)，铜和铅含量接近，具有可比性。

本发明实施例合金及比较例合金测试性能如下：

1、力学性能

表2为本发明实施例合金与比较例合金的抗拉强度、延伸率和维氏硬度值。

表2 实施例与比较例合金的抗拉强度、延伸率和维氏硬度值

材料编号	抗拉强度/MPa	延伸率/％	维氏硬度
				实施例1	510～550	7～11	165～175
实施例2	500～530	9～12	160～170
				实施例3	490～530	11～14	150～165
实施例4	470～485	14～17	150～160
				实施例5	485～500	11～14	150～165
实施例6	460～475	11～14	155～165
				实施例7	460～470	17～22	150～160
比较例1	440～460	13～16	145～155
				比较例2	450～460	12～15	140～150
比较例3	440～450	13～17	145～155
				比较例4	430～450	9～12	140～150

本发明实施例合金抗拉强度都明显高于对应的比较例合金。

2、抗脱锌腐蚀性能

耐脱锌腐蚀性能测试按照GB10119-1988《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行测试。表3为本发明实施例与比较例合金的抗脱锌腐蚀深度。

表3 发明实施例与比较例合金的抗脱锌腐蚀深度

材料编号	最大脱锌深度/um
		实施例1	500
实施例2	500
		实施例3	400
实施例4	450
		实施例5	450
实施例6	400
		实施例7	350
比较例1	600
		比较例2	600
比较例3	600
		比较例4	600

本发明实施例合金抗脱锌腐蚀性能明显优于对应的比较例合金。

3、切削性能

通过车削评价切削性能的实验具体方法如下：

在相同的机械加工条件下，采用切削力测试仪测得车削过程中车刀所受作用力。并由此计算出实施例合金与比较例合金相对于HPb62-3的切削指数，HPb62-3是世界公认的切削性能最好的铅黄铜，其切削性能认为是100％。

试验设备为CA-6140卧式普通车床，刀具材料Ys8，车床参数为主轴转速500r/min，进给速度0.2mm/r，切深0.5mm。以HPb62-3合金切削性能为100％，测得发明实例与比较例合金的切削性能如表4所示。

表4 发明实例与比较例合金的切削性能

材料编号	切削性指数/％
		实施例1	81
实施例2	110
		实施例3	92
实施例4	90
		实施例5	96
实施例6	114
		实施例7	106
比较例1	85
		比较例2	88
比较例3	83
		比较例4	100

本发明实施例合金切削性能明显优于对应的比较例合金。

Claims (7)

1.一种高强度耐蚀易切削黄铜合金，它包括主元素和可选择元素，其特征是主元素组成配比为55.4～59.6wt％铜、1.64～3.43wt％铅、0.26～0.36wt％锡、37.74～41.07％wt锌，可选择元素包括铁、铝、铋、镍中1种或2种或3种的总含量为该黄铜合金的0.23～0.56wt％。

2.根据权利要求1所述的高强度耐蚀易切削黄铜合金，其特征是主元素的组成配比为55.4wt％铜、2.98wt％铅、0.32wt％锡，41.07wt％锌，可选择元素为0.15wt％铁、0.08wt％铝。

3.根据权利要求1所述高强度耐蚀易切削黄铜合金，其特征是主元素的组成配比为57.5wt％铜、3.43wt％铅、0.36wt％锡，38.15wt％锌，可选择元素为0.18wt％铁，0.12wt％铝，0.26wt％铋。

4.根据权利要求1所述高强度耐蚀易切削黄铜合金，其特征是主元素的组成配比为58.1wt％铜、1.64wt％铅、0.26wt％锡、39.65wt％锌，可选择元素为0.19wt％铁、0.03wt％铝、0.13wt％镍。

5.根据权利要求1所述的高强度耐蚀易切削黄铜合金的制造方法，首先将电解铜、可选择元素、电解锌、铅锭、锡锭依次加入感应电炉内熔炼，熔炼温度为1030～1080℃，可选择元素在电解铜全部熔化后加入到感应电炉中，锡的加入温度控制在950～1000℃内，在锡锭加入后迅速用石墨钟罩将锡锭压至熔体内部，待物料合部熔化后，充分搅拌10分钟，然后将熔体转入保温炉水平连铸，保温温度1020～1050℃，然后将铜合金铸锭加热到570～700℃进行热挤压，挤压后的半成品经拉伸、中间退火、矫直、抛光后成为成品。

6.根据权利要求4所述的高强度耐蚀易切削黄铜合金的制造方法，其特征在于所述的热挤压加工率不小于80％。

7.根据权利要求4所述的高强度耐蚀易切削黄铜合金的制造方法，其特征在于所述的中间退火温度为材料再结晶温度以上50～300℃，最后一道中间退火温度为材料再结晶温度以上150～250℃。