CN103421980B

CN103421980B - 一种高强弹性黄铜及其制备方法

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Publication number: CN103421980B
Application number: CN201310305885.1A
Authority: CN
Inventors: 肖来荣; 宋宇峰; 蔡圳阳; 曾德露
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-07-21
Filing date: 2013-07-21
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-07-21
Also published as: CN103421980A

Abstract

本发明一种高强弹性黄铜及其制备方法；属于有色金属制备技术领域。本发明所述黄铜以质量百分比计包括下述组分：Cu72～82%、Al3～5%、Ni1.0～2.0%、RE0.08～0.16%、B0.05～0.2%、Fe0.7～1.1%、Mn0.08～0.2%、余量为Zn和不可避免的杂质。本发明所述黄铜，其抗拉强度≥658.8Mpa，比锡磷青铜的抗拉强度至少高出130Mpa；其屈服强度≥612Mpa，比锡磷青铜的屈服强度至少高出137Mpa；其弹性模量最高可达124.7Gpa，比锡磷青铜的弹性模量高出9.7Gpa；其电导率≥28.2%IACS，比锡磷青铜的电导率至少高出13.2%IACS。本发明制备工艺简单，成本低廉，便于工业化生产；所制备的黄铜合金性能优越，完全可以替代现有锡磷青铜在相应领域的应用。

Description

一种高强弹性黄铜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强弹性黄铜及其制备方法；特别涉及一种代替锡磷青铜的低成本、高强弹性黄铜及其制备方法；属于有色金属制备技术领域。

背景技术

目前,高弹性铜基材料以铍青铜、锡磷青铜等材料为主，广泛应用于电器接插件、弹簧、开关、触头等各种弹性元件领域及电子、通讯、仪表等工业领域。但是，铍青铜存在工作温度低,生产工艺复杂、被氧化物有毒、价格昂贵等缺点。现有锡磷青铜的组分为：Sn3.5～4.5wt%、Pb≤0.02wt%、P0.20～0.40wt%、Al≤0.002wt%、Fe≤0.02wt%、Si≤0.002wt%、Sb≤0.002wt%、Bi≤0.002wt%、余量为铜；从其成分中可以看出铜含量≥95.4wt%，而且还含有Sn；高的铜含量导致其成本必然很高，而含有的Sn，其价格就更高了，这也是导致高成本的原因之一，同时制备锡磷青铜的工艺复杂、能耗高、成品率极低这也是导致高成本的原因。

我国正处在经济高速增长时期，电子、电气等行业发展迅速，亟需大量的高性能弹性材料来替代铍青铜、锡磷青铜并填补铍青铜、锡磷青铜产量不足造成的缺口。据资料知，2011年国内锡磷青铜带的需求量已经在20万吨以上，并且需求量还在以12%的速度不断增加。因此，国内致力于研究锡磷青铜的替代品：低成本高弹性铜基材料。但迄今为止，还没有开发出一种成本低、弹性好、能够完全替代锡磷青铜作接插件应用的新型弹性合金材料。

黄铜以其成熟的制备工艺，被广泛的应用于各个行业，现有黄铜常见的有以下三大类：

第一类为铜-铝-镁-锰-铈-镧-锌合金，其具体组成成分范围为：铜48-70wt%，铝0.3-0.4wt%%，镁4-4.3wt%%，锰0.1-0.2wt%%，铈0.08-0.11wt%%，镧0.01-0.03wt%%余量为锌；其弹性模量仅为90-110Gpa、电导率仅为5-7%IACS；无法满足替代锡磷青铜的要求；

第二类为铜-铅-锡-锌合金，其具体组成成分范围为：铜55-65wt%、铅0.5-3.7wt%、锡0.1-0.5wt%、余量锌；其弹性模量仅为95-100Gpa、电导率仅为6-8%IACS；也无法满足替代锡磷青铜的要求；

第三类为铜-镍-铝-锰-硅-钛-锌合金，其具体组成成分范围为：铜72-75wt%、镍4-5wt%、铝1.8-2wt%、锰0.6-0.8wt%、硅0.4-0.6wt%、钛0.3-0.5wt%、锌18-20wt%；其弹性模量仅为110-115Gpa、电导率仅为8-11%IACS，由于电导率太低，也无法满足也无法满足替代锡磷青铜的要求；

总之现有黄铜因其综合性能无法达到替换锡磷青铜的要求；而不被用于替换锡磷青铜。

发明内容：

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种低成本的高强弹性黄铜合金。

本发明所述的一种高强弹性黄铜，以质量百分比计包括下述组分：

余量为Zn和不可避免的杂质。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，包括下述步骤：

步骤一配料

根据设计的高强弹性黄铜组分，分别配取原料铜、原料镍、原料铁、铜-RE中间合金、铜锰中间合金、铜硼中间合金、原料铝、原料锌；

步骤二熔炼

将步骤一配取的原料铜、原料镍、原料铁、铜-RE中间合金、铜锰中间合金、铜硼中间合金、原料铝、原料锌依次加入熔炼炉中进行熔化，加入原料锌时，控制炉温为750-850℃，待原料锌完全溶化后，升温至1150-1200℃进行熔炼，然后在1100-1130℃下进行浇铸，得到黄铜合金铸锭。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，原料铜的纯度≥99.9%；原料镍的纯度≥96%；原料铝的纯度≥99%；原料锌的纯度≥99%；原料铁的纯度≥99.9%。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，对步骤二所得黄铜合金铸锭均匀化处理后进行3-6道次热轧，用酸清洗干净后，按3-5道次冷轧、退火、酸洗的工艺循环操作，直至得到所需厚度的预成品，再将预成品进行3-5道次冷轧、时效处理、酸洗、得到成品；均匀化处理的制度为：温度800-850℃、保温时间1.5-2.5h；所述热轧的温度为800-850℃；退火的制度为：温度630-670℃、保温1.5-2.5h、保温后的冷却方式为空气冷却；时效处理的制度为：温度220-270℃，保温50-70min、保温后的采用空气冷却。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，均匀化处理前，除去黄铜合金铸锭表面氧化层。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，每道次热轧的变形量为10-50%。

本发明所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，每次冷轧的变形量为10-30%。

本发明一种高强弹性黄铜的制备方法中，进行酸洗时，采用的酸洗液为稀硫酸。

本发明一种高强弹性黄铜的制备方法中，熔炼炉为中频感应炉，浇铸采用铁模铸造。

采用本发明所述黄铜组分以及制备工艺制得的成品，其抗拉强度≥658.8MPa，比锡磷青铜的抗拉强度至少高出130Mpa；其屈服强度≥612Mpa，比锡磷青铜的屈服强度至少高出137Mpa；其弹性模量最高可达124.7GPa，比锡磷青铜的弹性模量高出9.7Gpa；其电导率≥28.2%IACS，比锡磷青铜的电导率至少高出13.2%IACS；其延伸率最高也可超过锡磷青铜的延伸率。

原理和优势

本发明所制备的成品与锡磷青铜产品相比较，本发明所制备的黄铜不仅性能比锡磷青铜产品的要优越，而且其成本低，制备工艺稳定，成品率高；与现有黄铜产品相比较，本发明的弹性模量以及其它性能均远高于上述产品。其原因分析如下：

1.铝元素加入后能够缩小α相区，增大形成β相的趋势,具有较好的强化效果，提高黄铜的耐磨性、耐蚀性、弹性等。在熔炼中能形成氧化铝保护膜，阻止锌蒸发,从而减少锌烧损。在成品中，Al的表面离子化倾向比锌的大,优先形成致密而坚固的氧化铝膜，可防止合金的进一步氧化。但Al含量过高时，会出现γ相，提高合金的强度和硬度，大幅度降低塑性，不利于后续加工。因此,Al加入量一般控制在3-5wt%左右。

2.镍在黄铜中使α相区扩大，向高锌黄铜中添加镍，可获得含有少量β相的高强度合金，细化合金组织；同时镍具有提高强度、韧性、抗脱锌及抗应力腐蚀开裂作用,且镍黄铜压力加工性能较好。值得注意的是,在黄铜中加入一定量的镍和铝,具有显著的回火硬化效应。

3.微量硼可有效的变质细化黄铜在铸造凝固过程中形成的粗大的柱状晶。观察发现添加微量硼元素的黄铜的变质细化组织具有较好的高温稳定性，对α→β相转变影响较小。但过量的硼会减缓α→β相转变，提高转变温度，从而影响热加工性能。因而硼的添加量为0.05～0.2wt%。镍、硼能够都能够细化合金组织，提高合金的机械性能，二者的结合使得合金的机械性能得到进一步提升。

4.Fe在α相中的固溶度大约为0.1～0.2wt%，超过此值便与Zn生成化合物Fe2Zn颗粒，首先从合金液相中析出成为晶核，细化合金组织，同时铁可以推迟合金再结晶过程，阻碍晶粒长大，所以本发明中Fe的加入量为0.7～1.1wt%。Fe和Mn、Al同时加入效果更好。

5.Al与Ni具有形成A1₃Ni化合物的趋势,通过弥散强化、条幅分解、固溶强化等机理显著提高材料的性能,而Mn固溶于Cu-Zn基体中,显著提高基体的性能,并促进Al与Ni形成A13Ni化合物。三种元素的协同作用大大地提高材料的性能,尤其是弹性性能。铝、镍、硼等元素置换基体中的铜原子，引起晶格收缩畸变，使弹性模量升高，同时这些元素固溶于基体中，产生固溶强化；三种元素的协同作用将大大地提高材料的性能,尤其是弹性性能。

6.少量稀土元素的加入对铜的力学性能有益，稀土元素可以和合金中的杂质Pb、Bi等形成高熔点化合物，呈细小球形质点均匀分布于晶粒内，细化晶粒，提高铜的高温塑性。加入RE的黄铜合金力学性能，导电率，弹性模量等性能均有显著提高。

总之，在合理的组分配比条件下，在Al、Ni、RE、B、Fe、Mn、Zn各元素各自发挥单独功效的同时实现了Cu、Al、Ni、RE、B、Fe、Mn、Zn的协同作用，并在合理的制备工艺和制备参数条件下，使得本发明所制备的黄铜合金具有意想不到的优异性能；与锡磷青铜相比较，由于本发明的黄铜合金中，铜的含量相对较低，没有采用价格贵的Sn，所以其原料成本远低于锡磷青铜；由于采用了成熟的黄铜制备工艺，大大的提高了成品率，这就进一步的降低了生产成本。

具体实施方式：

实施例中黄铜合金的制备工艺如下：

步骤一配料

根据设计的高强弹性黄铜组分，分别配取原料铜、原料镍、原料铁、铜-RE中间合金、铜锰中间合金、铜硼中间合金、原料铝、原料锌；原料铜的纯度≥99.9%；原料镍的纯度≥96%；原料铝的纯度≥99%；原料锌的纯度≥99%；原料铁的纯度≥99.9%；

步骤二熔炼

将步骤一配取的原料铜、原料镍、原料铁、铜-RE中间合金、铜锰中间合金、铜硼中间合金、原料铝、原料锌依次加入中频感应炉中进行熔化，加入原料锌时，控制炉温为750-850℃，待原料锌完全溶化后，升温至1150-1200℃进行熔炼，然后在1100-1130℃下进行铁模浇铸，得到尺寸为24mm×60mm×160mm的黄铜合金铸锭,将黄铜合金铸锭经铣面和断头去尾后得到尺寸为20mm×50mm×140mm待加工件；

步骤三加工

对步骤二所得待加工件进行均匀化处理后，进行5道次热轧，每道次热轧的变形量为10-50%，得到3mm后的薄板，用酸清洗干净后，按5道次冷轧、退火、酸洗的工艺循环操作，直至得到厚度为1.5mm厚的预成品，每道次冷轧的变形量为10-30%，再将预成品进行5道次冷轧得到厚度为0.80mm的板材、时效处理后酸洗干净得到厚度为0.80mm的弹性黄铜成品，每道次冷轧的变形量为10-30%；均匀化处理的制度为：温度825℃、保温时间1h；所述热轧的温度为825℃；退火的制度为：温度650℃、保温1h、保温后的冷却方式为空气冷却；时效处理的制度为：温度250℃，保温60min、保温后的采用空气冷却。进行酸洗时，采用的酸洗液为稀硫酸。

实施例1

合金成分为：72wt%的铜，3wt%的铝，1wt%的镍，0.7wt%的铁，0.05wt%的硼，0.08wt%的RE，0.08wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率均高于锡磷青铜，弹性模量与锡磷青铜相当，延伸率低于锡磷青铜。

实施例2

合金成分为：72wt%的铜，4wt%的铝，1.5wt%的镍，0.9wt%的铁，0.13wt%的硼，0.12wt%的RE，0.1wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率均高于锡磷青铜，弹性模量与锡磷青铜相当。延伸率低于锡磷青铜。

实施例3

合金成分为：72wt%的铜，5wt%的铝，2wt%的镍，1.1wt%的铁，0.2wt%的硼，0.16wt%的RE，0.12wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率均高于锡磷青铜。弹性模量与锡磷青铜相当。延伸率低于锡磷青铜。

实施例4

合金成分为：75wt%的铜，3wt%的铝，1wt%的镍，0.7wt%的铁，0.05wt%的硼，0.08wt%的RE，0.08wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率、弹性模量均高于锡磷青铜。延伸率低于锡磷青铜。

实施例5

合金成分为：75wt%的铜，4wt%的铝，1.5wt%的镍，0.8wt%的铁，0.11wt%的硼，0.12wt%的RE，0.1wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

实施例6

合金成分为：75wt%的铜，5wt%的铝，1.8wt%的镍，1.1wt%的铁，0.2wt%的硼，0.16wt%的RE，0.12wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

实施例7

合金成分为：78wt%的铜，3wt%的铝，1wt%的镍，0.7wt%的铁，0.05wt%的硼，0.08wt%的RE，0.08wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率、弹性模量均高于锡磷青铜。延伸率略低于锡磷青铜。

实施例8

合金成分为：78wt%的铜，4wt%的铝，1.5wt%的镍，0.9wt%的铁，0.12wt%的硼，0.14wt%的RE，0.1wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

实施例9

合金成分为：78wt%的铜，5wt%的铝，2wt%的镍，1wt%的铁，0.18wt%的硼，0.15wt%的RE，0.099wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

实施例10

合金成分为：82wt%的铜，3wt%的铝，1wt%的镍，0.7wt%的铁，0.08wt%的硼，0.1wt%的RE，0.08wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率、弹性模量、延伸率接近锡磷青铜。

实施例11

合金成分为：82wt%的铜，4wt%的铝，1.5wt%的镍，0.9wt%的铁，0.14wt%的硼，0.12wt%的RE，0.1wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率、弹性模量均明显高于锡磷青铜，弹性模量以及延伸率为所有样品中最高。

实施例12

合金成分为：82wt%的铜，5wt%的铝，2wt%的镍，1.1wt%的铁，0.2wt%的硼，0.16wt%的RE，0.12wt%的Mn，余量为锌和总量不大于0.05%不可避免的杂质。

由上述成分加工得到的0.80mm的弹性黄铜成品经性能检测，其检测值见表1，其抗拉强度、屈服强度、导电率、弹性模量、延伸率均接近锡磷青铜。

表1

综上所述，本发明的弹性黄铜合金的抗拉强度达到658.8MPa至765.3MPa,弹性模量达到113.8至124.7Gpa,性能优异。将本发明的弹性黄铜合金与锡磷青铜的性能进行比较，弹性模量与锡磷青铜相当或是优于锡磷青铜，延伸率略低于锡磷青铜，而抗拉强度、屈服强度、电导率均明显高于锡磷青铜，完全可以替代锡磷青铜在部分领域的应用并可进行性能扩展。

以上实施例是对本专利的进一步说明和解释，而不是对本发明的限制，在本发明的精神权利保护范围，所做的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强弹性黄铜，其特征在于，以质量百分比计由下述组分组成：

Cu 72～82％；

Al 3～5％；

Ni 1.0～2.0％；

RE 0.08～0.16％；

B 0.05～0.2％；

Fe 0.7～1.1％；

Mn 0.08～0.2％；

余量为Zn和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强弹性黄铜，其特征在于，以质量百分比计由下述组分组成：

Cu 76～82％；

Al 3～5％；

Ni 1.0～2.0％；

RE 0.08～0.16％；

B 0.05～0.2％；

Fe 0.7～1.1％；

Mn 0.08～0.12％；

余量为Zn和不可避免的杂质。

3.一种制备如权利要求2所述的高强弹性黄铜的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一配料

步骤二熔炼

将步骤一配取的原料铜、原料镍、原料铁、铜-RE中间合金、铜锰中间合金、铜硼中间合金、原料铝、原料锌依次加入熔炼炉中进行熔化，加入原料锌时，控制炉温为750-850℃，待原料锌完全熔化后，升温至1150-1200℃进行熔炼，然后在1100-1130℃下进行浇铸，得到黄铜合金铸锭。

4.根据权利要求3所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，其特征在于：原料铜的纯度≥99.9％；原料镍的纯度≥96％；原料铝的纯度≥99％；原料锌的纯度≥99％；原料铁的纯度≥99.9％。

5.根据权利要求3所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，其特征在于：对步骤二所得黄铜合金铸锭均匀化处理后进行3-6道次热轧，用酸清洗干净后，按3-5道次冷轧、退火、酸洗的工艺循环操作，直至得到所需厚度的预成品，再将预成品进行3-5道次冷轧、时效处理、酸洗、得到成品；均匀化处理的制度为：温度800-850℃、保温时间1.5-2.5h；所述热轧的温度为800-850℃；退火的制度为：温度630-670℃、保温1.5-2.5h、保温后的冷却方式为空气冷却；时效处理的制度为：温度220-270℃，保温50-70min、保温后的采用空气冷却。

6.根据权利要求5所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，其特征在于：均匀化处理前，除去黄铜合金铸锭表面氧化层。

7.根据权利要求5所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，其特征在于：每道次热轧的变形量为10-50％。

8.根据权利要求5所述的一种高强弹性黄铜的制备方法，其特征在于：每次冷轧的变形量为10-30％。