CN102851533A - 一种复杂黄铜及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金材料技术领域，涉及一种复杂黄铜、其制备方法以及复杂黄铜的应用，本发明所述复杂黄铜，以重量百分比表示，包括：Cu59.0-63.0%、Mn1.2-4.0%、Si0.8-2.8%、Al1.0-2.5%、Sn0.1-0.5%；其余为Zn，所述复杂黄铜能够在无铅化的前提下，至少具有良好的切削性、抗拉强度、屈服强度以及延伸率。

Description

一种复杂黄铜及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，涉及一种复杂黄铜，所述复杂黄铜不含铅，且具有良好的机械性能、耐磨性以及切削性，为了方便本领域技术人员顺利实施，本发明还进一步的公开了所述复杂黄铜的制备方法，并且还列举了所述复杂黄铜的应用。 

背景技术

目前增压器部件（止推片、浮动轴承）使用的铜合金主要有五种：复杂黄铜CW713R和锡（铅）青铜SAE620、SAE660、SAE67N和C93500，表1显示了五种铜合金的组成成分以及相应的机械性能。 

表1  

目前，欧盟汽车法规中规定汽车部件逐步禁止使用含铅的合金材料（即要求合金中Pb<0.1%），其中蜗轮增压器部件中的无铅化在2014年实施。除了无铅化要求外，增压器部件特别是浮动轴承的加工现多采用自动车完成，必须要有良好的切削性能来保证加工的顺利完成和产品表面的粗糙度。

从表1中可以看出，CW713R复杂黄铜总体性能良好，可以满足各种条件下增压器部件的要求，但这种复杂黄铜含有铅，其余四种铜合金或适用于浮动轴承，或适用于止推片。在上述五种铜合金中，只有SAE620合金基本不含铅，但SAE620合金由于其组织特点不适用于乘用车增压器的工况。 

目前来看，还没有一种铜合金既能在元素组成上不使用铅，又能保证拥有良好的综合性能。 

  

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有铜合金无法在无铅化的前提下达到良好的综合性能（例如切削性、抗拉强度、屈服强度、延伸率等），并针对该问题提供一种复杂黄铜。所述无铅化是指不添加铅，复杂黄铜中可能微量的铅（要求必须小于0.1%）均来自原材料各种元素中作为不可避免微量杂质形式存在的铅。 

本发明所述复杂黄铜，以重量百分比表示，包括： 

Cu 59.0-63.0%、Mn 1.2-4.0%、Si 0.8-2.8%、Al 1.0-2.5%、Sn 0.1-0.5%；其余为Zn。

上述复杂黄铜中铅含量至少小于0.1%。 

合金化元素铝和硅能够显著的缩小黄铜中的α相区，提高黄铜的强度和硬度，降低复杂黄铜的塑性；锰元素在黄铜中具有较高的固溶度，提高黄铜的强度和耐蚀性；同时在黄铜中添加锰、铝以及硅，可以形成高硬度的Mn₅Si₃等金属化合物，是所述复杂黄铜具有良好的耐磨性的基础。另外，铝还能在黄铜表面形成致密而坚固的氧化铝膜，提高复杂黄铜的耐蚀性，锰和硅也能大大增强复杂黄铜对海水、氯化物和过热蒸汽的抗腐蚀作用。 

一般的，本发明将锰、硅以及铝元素控制在Al 1.0-2.5%、Mn 1.2-4.0%、Si 0.8-2.8%。铝含量大于2.5%时，复杂黄铜中的α相区将不会出现，虽可继续提高强度，但降低了复杂黄铜的塑性，锰硅的含量配制能够使复杂黄铜拥有足够的强化相（例如Mn₅Si₃等），而又不至于聚集成大颗粒，影响使用性能。 

本发明还发现，在上述锰硅铝范围下，铜含量低于59%，复杂黄铜中的α相不能出现，铜含量过高，α相数量增加，γ相不再出现，切削性能将快速恶化，表现为切屑呈连续卷状，因此要求铜含量在59.0-63.0%。另外，本发明还将锰硅的质量比设在1.3-1.8之间，这一比例区间和形成锰硅化合物Mn₅Si₃的质量比相比，硅有50%左右的过量，硅是缩小α相区最强的元素，能够显著增加合金锌当量，过量的硅进一步提高了复杂黄铜β（β＇）相的硬度和脆性，并且有少量的γ相出现，这种γ相细小硬脆，破坏切屑的连续性，从而提高复杂黄铜的切削性能，锰硅两元素质量比过高，切屑会呈连续卷状，不利于加工时排屑，过低，将恶化合金的塑性。 

另外0.01%以上的锡就可以提高合金的抗脱锌腐蚀能力，为降低贵金属元素的使用量，且具有明显的效果，把锡含量控制在0.1-0.5%。 

铁和镍是两种在复杂黄铜制备中可能引入的杂质元素，例如，为节约生产成本，本发明所需要的各种元素原料用于制备复杂黄铜后，可以将在这一过程中产生的料屑重新作为原料用于制备复杂黄铜，而料屑中就很有可能会引入铁和镍，因此，对铁和镍元素对所述复杂黄铜性能影响方面的研究至少有助于复杂黄铜制备成本的降低，本发明发现铁含量过高会形成高硬质点，对刀具寿命不利，故一般限制在0.7%以下，镍在复杂黄铜中以固溶状态存在，试验发现，镍含量高于0.4%时，会影响切削性，通常限制在0.3%以下。 

本发明发现，上述复杂黄铜的抗拉强度不小于630MPa，屈服强度不小于350MPa，延伸率不小于15%，硬度不小于170HB。 

需要特别指出的是，本发明所述复杂黄铜，作为一种多元合金，所表现出来的性质来源于多元素的协同作用。上面介绍了单个或者两个元素（例如硅和锰）对复杂黄铜性能的影响，但作为一个复杂黄铜合金整体，配方中所述的元素之间还可以优先形成可以互相溶解的各种金属间化合物（例如Mn₅Si₃、CuAlMn等），这些金属间化合物对复杂黄铜性能的影响非常复杂，本发明经过大量实验发现，在上述复杂黄铜配方的基础上，要获得具有良好切削性和稳定相组织的复杂黄铜，应当至少使铝锰硅之间满足如下关系： 

12＜10×{[Si]-[Mn]/3}+5[Al] ＜51，[Si]表示Si在合金中的重量百分比，其他类推。

依照上述配方得到的复杂黄铜具有良好的切削性，例如可以通过以下描述来反映复杂黄铜的切削性： 

由所述复杂黄铜制得的15mm圆棒，在无切削液条件下，用炭化钨工具切削；切削条件为：在6°倾角及0.3mm的刀尖半径，1500-2500mm转速，0.5mm的切削深度，及Ｆ100的进给速度切削；切削形状为Ｃ形或不超过3个旋的螺旋状。

进一步的优化方案是使铝锰硅之间满足如下关系： 

25＜10×{[Si]-[Mn]/3}+5[Al] ＜40，[Si]表示Si在合金中的重量百分比，其他类推。这样在不降低复杂黄铜其他性能（例如抗拉强度、屈服强度、延伸率等）的情况下，能够进一步的提高复杂黄铜的相组织稳定性及切削性。

对于本发明所述的复杂黄铜相组织，在上面文字中已有涉及，事实上，本发明所述复杂黄铜的相结构是以β相为基，包括β相、α相、Mn₅Si₃相以及γ相，常温下体心立方结构的β（β＇）硬度高，能够为复杂黄铜提供强度保证，而Mn₅Si₃等金属间化合物可提供高硬度质点，为缓冲高硬度质点带来的脆性，需要使复杂黄铜相组织中含有一定数量面心立方的α相，这样能够使本发明所述复杂黄铜具有良好的强度和塑性。一般的，α相的比例在5-20%之间，呈球状均布。 

γ相比例小于3%，在不影响复杂黄铜其他性能（例如抗拉强度、屈服强度、延伸率等）的情况下，确保良好的切削性。 

本发明还提供了一种复杂黄铜的制备方法，依次包括：配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；热锻步骤以及退火步骤； 

或者

配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；挤压步骤；拉伸步骤；退火步骤以及矫直步骤。

本领域技术人员可以根据生产目的合理的选择使用该方法，例如需要生产复杂黄铜热锻件时，可以选择含有热锻步骤的复杂黄铜制备方法，而如果需要生产复杂黄铜棒材，可以选择含有挤压步骤的复杂黄铜制备方法。 

技术人员通常可以根据冶炼黄铜的方法将上述各步骤具体化，以便于技术人员将本发明所提供的复杂黄铜配方应用到生产中，但本发明发现如果不加以进一步说明，所得到的复杂黄铜的性能往往是不理想的，事实上，这些得到的复杂黄铜的相组织与本发明所述复杂黄铜的相组织存在差别。 

为此，本发明发现至少挤压步骤中的挤压温度、热锻步骤中的热锻温度以及退火步骤中的退火温度能够对复杂黄铜相组织形态的控制做出贡献。 

通常本发明所述挤压步骤中的挤压温度在570-700℃，所述热锻步骤中的热锻温度在600-750℃，用上述温度范围进行热加工时，复杂黄铜处于相当于Cu-Zn二元相图的β相区，具有很好的热塑性。 

而在随后380-480℃温度下退火，α相析出，β相发生有序序转变成β＇。高于此温度，α相不能有效析出，低于此温度，α相析出温度非常缓慢，同时加工所产生的应力不能消除。通过挤压温度、热锻温度以及退火温度的配合，能够确保复杂黄铜相组织形态：即γ相比例小于3%；α相的比例在5-20%，并呈球状分布。 

本发明所述复杂黄铜均采用常规元素，制备方法简单，生产成本和质量控制成本低，可以进行规模化生产，具有的优良综合性能能够使其应用于各种机械部件，例如，汽车涡轮增压器中的浮动轴承、止推片；汽车同步器齿环、液压件（柱塞泵铜部件等）、空调压缩机斜盘、园林机械用蜗轮、缝制设备中的连杆、供水设备中的铜部件等。 

  

附图说明

图1是实施例1所述复杂黄铜φ15mm棒材制备方法的流程图； 

图2是实施例2所述复杂黄铜φ120×10mm锻件制备方法的流程图；

图3是实施例1在制备复杂黄铜φ15mm棒材挤压状态的金相组织图（放大倍数为100倍，β+Mn-Si相）；

图4是实施例1所述复杂黄铜φ15mm棒材的金相组织图（放大倍数为400倍，β+Mn-Si+α+γ相）；

图5是实施例2所述复杂黄铜φ120×10mm锻件的金相组织图（放大倍数为400倍，β+Mn-Si+α+γ相）。

  

具体实施方式

    以下实施例中所使用的各种原料金属或非金属，均为市售纯金属或纯非金属。 

实施例1 

一种复杂黄铜φ15mm棒材，按照重量百分比，投入Cu59.5%、Al1.8%、Mn1.8%、Si1.3%、Sn0.2%、杂质元素Fe0.25%和Ni0.2%、余下为Zn。

制备方法包括：配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；挤压步骤；拉伸步骤；退火步骤；矫直步骤； 

配料步骤：按照上述投入比例称量：铜476Kg、铝14.4 Kg、锰 14.4 Kg、硅10.4 Kg 、锡1.6 Kg、铁 2 Kg、镍 1.6 Kg、锌 279.6 Kg；

熔炼步骤：把配好的原料在中频感应电炉熔炼，原料熔化完毕，成分分析合格后铸造。

铸造步骤：铸造可采用水平或半连续铸造，铸造温度1050℃-1100℃，铸锭规格φ120mm； 

挤压步骤：铸锭坯在630-650℃温度下进行挤压，挤压规格φ16mm；

拉伸步骤：对挤压步骤产生的复杂黄铜进行拉伸，拉伸到φ15mm；

退火步骤：对经拉伸的复杂黄铜进行退火，退火温度450-480℃；

矫直步骤：对退火后的复杂黄铜进行矫直，从而得到φ15mm成品。

最终所得的复杂黄铜棒的成分见表2，性能见表3。 

  

实施例2

一种复杂黄铜φ120×10mm锻件，按照重量百分比，投入Cu59.5%、Al1.8%、Mn1.8%、Si1.3%、Sn0.2%、杂质元素Fe0.25%和Ni0.2%、余下为Zn。

制备方法包括：配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；热锻步骤；退火步骤。 

配料步骤：按照上述投入比例称量：铜476Kg、铝14.4 Kg、锰 14.4 Kg、硅10.4 Kg 、锡1.6 Kg、铁 2 Kg、镍 1.6 Kg、锌 279.6 Kg； 

熔炼步骤：把配好的原料在中频感应电炉熔炼，原料熔化完毕，成分分析合格后铸造。

铸造步骤：铸造可采用水平或半连续铸造，铸造温度1050℃-1100℃，铸锭（棒）规格φ42mm； 

热锻步骤：铸棒下料98mm长。锻造加热温度690-720℃，热锻温度650-680℃，在摩擦压力锻压机上锻造成φ120×10mm的盘状件。

退火步骤：锻件退火，退火温度450-480℃； 

最终所得的复杂黄铜锻件的成分见表2，性能见表3。

  

实施例3-8

实施例3-5除各元素含量和规格与实施例1不同外，其余条件均与实施例１相同；实施例6-8除各元素含量和规格与实施例2不同外，其余条件均与实施例2相同。

表2　复杂黄铜的化学成分 

表3 复杂黄铜性能表

Claims (12)

1.一种复杂黄铜，以重量百分比表示，包括：

Cu 59.0-63.0%、Mn 1.2-4.0%、Si 0.8-2.8%、Al 1.0-2.5%、Sn 0.1-0.5%；其余为Zn。

2.根据权利要求1所述的一种复杂黄铜，其特征在于Mn与Si的质量比在1.3-1.8之间。

3.根据权利要求1所述的一种复杂黄铜，其特征在于12＜10×{[Si]-[Mn]/3}+5[Al] ＜51，[Si]表示Si在复杂黄铜中的重量百分比，其他类推。

4.根据权利要求3所述的一种复杂黄铜，其特征在于25＜10×{[Si]-[Mn]/3}+5[Al] ＜40。

5.根据权利要求1所述的一种复杂黄铜，其特征在于所述复杂黄铜还包括杂质元素Fe以及Ni，所述Fe<0.7%，Ni<0.3%。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种复杂黄铜，其特征在于所述复杂黄铜的相结构以β相为基，所述复杂黄铜的相结构包括β相、α相、Mn₅Si₃相以及γ相。

7.根据权利要求6所述的一种复杂黄铜，其特征在于α相的比例在5-20%之间，呈球状均布。

8.根据权利要求6所述的一种复杂黄铜，其特征在于γ相比例小于3%。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种复杂黄铜，其特征在于所述复杂黄铜的抗拉强度不小于630MPa，屈服强度不小于350MPa，延伸率不小于15%，硬度不小于170HB。

10.一种权利要求1或2或3或4或5所述复杂黄铜的制备方法，依次包括：配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；热锻步骤以及退火步骤；

或者

配料步骤；熔炼步骤；铸造步骤；挤压步骤；拉伸步骤；退火步骤以及矫直步骤；

所述挤压步骤中的挤压温度为570℃-700℃，所述热锻步骤中的锻造温度为600℃-750℃。

11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于退火步骤中的退火温度为380℃-480℃。

12.权利要求1或2或3或4或5所述一种复杂黄铜用于制造汽车涡轮增压器中的浮动轴承和止推片；汽车同步器齿环；柱塞泵铜部件；空调压缩机斜盘；园林机械用蜗轮；缝制设备中的连杆；供水设备中的铜部件。

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