CN103710567B - 一种易切削镍黄铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无铅易切削黄铜，以镍代替其中的铅，生产出一种切削性能优越、力学性能良好的易切削镍黄铜合金。在含铅量较低的镍黄铜中加入铈、钕、钴、钛、锗、钬、铝和锰可提高镍黄铜的切削性能，使之优于普通的镍黄铜；而在切削性能提高的同时，镍黄铜的力学性能受到了一定的影响，我们通过对配方中各组分用量的调整和采用本发明的特殊工艺，镍黄铜的力学性能如抗拉强度和硬度等有了显著的提高。本发明制得的易切削镍黄铜合金具有优越的切削性能和力学性能。

Description

一种易切削镍黄铜合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金及其制备方法，尤其涉及一种易切削镍黄铜合金及其制备方法。

背景技术

 铅黄铜以其优异的耐腐蚀性能，易切削性能和成型性能而广泛应用在各个领域。例如电子电器接插件、仪表零件、饮水系统的水管、水龙头、阀门、管接头以及汽车、消防和飞机等使用的液压阀门等。但是铅极易从基体材料中脱落，而且在加工过程中以及产品废弃后，铅都会通过各种途径进入人体造成危害：损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红色的合成，导致贫血；影响消化系统功能；抑制免疫系统功能等。这些铅黄铜器件报废之后，往往作为垃圾被遗弃，只有少量得到回收利用。在垃圾场土壤里，铅污染了土地、水源。垃圾焚烧时，铅蒸气散发于大气之中，对人体产生极大危害。所以，研制替代铅黄铜的无铅易切削黄铜是当前世界各国共同关注的焦点，已成为材料工作者亟待解决的重要研究课题。

CN101435034A公开了一种无铅易切削锡镁黄铜合金，包含有锌(Zn)，铜(Cu)等，其特征在于还同时包含锡(Sn)，镁(Mg)，稀土(Re)，各组分的组成按重量百分比计分别为:锌(Zn) 35.0-41.0%，锡(Sn)0.5-2.5%，镁(Mg) 0.2-2.0%，稀土(Re)0.02-0.2%，其余为铜(Cu)及总量不大于0.05%的杂质，各组分的重量百分比总和为100% 。但其中锡(Sn)、镁(Mg )和稀土(Re)的烧损率较高，且切削性能和力学性能还有待提高。

发明内容

本发明在于提供一种无铅易切削黄铜，以镍代替其中的铅，生产出一种切削性能优越、力学性能良好的易切削镍黄铜合金。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜62-63wt%、镍0.2-0.3 wt%、铅0.15-0.2 wt%、砷 0.1-0.15 wt%、铝0.02-0.08 wt%、锰0.02-0.04 wt%、锡0.04-0.07 wt%、铁0.01-0.06 wt%、铈0.01-0.03 wt%、钕0.02-0.05 wt%、钴0.01-0.05 wt%、钛0.01-0.03 wt%、锗0.02-0.05 wt%、钬0.01-0.04 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1100-1150℃，投入5-11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温10-15min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1450-1550℃，投入23-34wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在970-1030℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温10-25min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300-350℃，然后在710-730℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

在含铅量较低的镍黄铜中加入铈、钕、钴、钛、锗、钬、铝和锰可提高镍黄铜的切削性能，使之优于普通的镍黄铜；而在切削性能提高的同时，镍黄铜的力学性能受到了一定的影响，我们通过对配方中各组分用量的调整和采用本发明的特殊工艺，镍黄铜的力学性能如抗拉强度和硬度等有了显著的提高。

本发明制得的易切削镍黄铜合金具有优越的切削性能和力学性能。

具体实施例

实施例1：一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜62.5wt%、镍0.25 wt%、铅0.18 wt%、砷 0.13 wt%、铝0.05wt%、锰0.03 wt%、锡0.06 wt%、铁0.03 wt%、铈0.02 wt%、钕0.04wt%、钴0.03wt%、钛0.02wt%、锗0.03 wt%、钬0.02wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1120℃，投入8 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温12min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1500℃，投入29 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1000℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温15min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至425℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至325℃，然后在720℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

实施例2：一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜62wt%、镍0.2 wt%、铅0.15 wt%、砷 0.1 wt%、铝0.02 wt%、锰0.02wt%、锡0.04 wt%、铁0.01 wt%、铈0.01wt%、钕0.02 wt%、钴0.01 wt%、钛0.01 wt%、锗0.02 wt%、钬0.01 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1100℃，投入5 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温10 min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1450 ℃，投入23 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温20 min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在970 ℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温10 min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300℃，然后在710 ℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

实施例3：一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜63wt%、镍0.3 wt%、铅0.2 wt%、砷0.15 wt%、铝0.08 wt%、锰0.04 wt%、锡0.07 wt%、铁0.06 wt%、铈0.03 wt%、钕0.05 wt%、钴0.05 wt%、钛0.03 wt%、锗0.05 wt%、钬0.04 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1150℃，投入11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温15min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1550℃，投入34wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1030℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温25min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在730℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

实施例4：一种易切削镍黄铜合金，其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1000℃，投入4 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温8 min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1400℃，投入20 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温40min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1060℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温30 min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至380℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至270℃，然后在700℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

其余同实施例1。

实施例5：一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜65 wt%、镍0.1 wt%、铅0.3 wt%、砷 0.2 wt%、铝0.01 wt%、锰0.05 wt%、锡0.02 wt%、铁0.07 wt%、铈0.04 wt%、钕0.01 wt%、钴0.06 wt%、钛0.04 wt%、锗0.01 wt%、钬0.05 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其余同实施例1。

实施例6：一种易切削镍黄铜合金，其化学组成为：铜60 wt%、镍0.1 wt%、铅0.1 wt%、砷 0.2 wt%、铝0.09 wt%、锰0.01wt%、锡0.03 wt%、铁0.08 wt%、铈0.05 wt%、钕0.06 wt%、钴0.07 wt%、钛0.04 wt%、锗0.01 wt%、钬0.05 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1050℃，投入4 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温8 min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1400℃，投入20 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温15 min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1100℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温30 min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至420℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至380℃，然后在750℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

实施例7：根据公开号为CN101435034A公开的一种无铅易切削锡镁黄铜合金，各组分的组成按重量百分比计分别为:锌(Zn) 35.0-41.0%，锡(Sn)0.5-2.5%，镁(Mg) 0.2-2.0%，稀土(Re)0.02-0.2%，其余为铜(Cu)及总量不大于0.05%的杂质，各组分的重量百分比总和为100% ；其工艺为熔炼时先进行铜锌的熔炼，温度为1050℃-1250℃，随后加入铜镁中间合金、锑和稀土，以及其它合金成分，保温10min-40min后，进行半连续铸造，浇注温度为1150℃-1200℃，铸锭直径为Φ180mm。铸锭在达到600℃ -800℃温度时，保温时间30 min -90min，然后进行热挤压，挤压成尺寸为Φ25.4mm的圆棒，再采用单链卧式拉拔机进行冷拉拔成Φ24.4mm的无铅锑镁黄铜棒材，最后在400℃-550℃下进行退火即得最终产品。

试验例1：切削性能试验

切削力是研究切削过程重要依据，不仅设计和使用车床、刀具和夹具的必要依据，还是可以定量的评判材料切削性能的好坏。因此，为了比较各实施例制得的试样切削力的大小，分别将实施例1-7制得的试样在金属切削机床CK7525进行切削实验，并用Kistler压电三向动态测力仪Type5019的测力系统测量了主切削力、进给力和径向力，其中，测力仪系统方向定义:

    Fx一进给力，又叫轴向切削力或走刀抗力，它也在水平面内，与走刀方向平

行;

    Fy一径向力，又叫吃刀抗力，它在水平面内，并与走刀方向垂直;

Fz-主切削力，又称为切向力，它垂直于水平面，通常与切削速度的方向一致。

表1   进给量为0.2mm/r切削速度为25m/min时各试样的切削力的平均值

从表1可以看出，实施例1-4（各项技术参数均在本发明技术方案的范围内）对应的试验组的Fz主切削力、Fy进给力和Fx径向力均优于其他的实施例对应的试验组，尤以实施例1和实施例4（配方中各元素用量采用了本发明技术方案的最佳配比）对应的试验组切削性能最为优越。

2.力学性能测试

将实施例1-7制得的试样进行硬度和抗拉强度试验，拉伸实验按照GB228-87方法测定，硬度检测按照GB/T2304方法测定。试验结果见表2。

表2   各试样力学性能比较

从表2可以看出，实施例1-3（各项技术参数均在本发明技术方案的范围内）对应的试验组的抗拉强度、延伸率和硬度均优于其他的实施例对应的试验组，尤以实施例1对应的试验组力学性能最为优越。

Claims (2)

1. 一种易切削镍黄铜合金，其特征在于：其化学组成为：铜62-63wt%、镍0.2-0.3 wt%、铅0.15-0.2 wt%、砷 0.1-0.15 wt%、铝0.02-0.08 wt%、锰0.02-0.04 wt%、锡0.04-0.07 wt%、铁0.01-0.06 wt%、铈0.01-0.03 wt%、钕0.02-0.05 wt%、钴0.01-0.05 wt%、钛0.01-0.03 wt%、锗0.02-0.05 wt%、钬0.01-0.04 wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1100-1150℃，投入5-11wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温10-15min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1450-1550℃，投入23-34wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在970-1030℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温10-25min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300-350℃，然后在710-730℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。

2.如权利要求1所述的一种易切削镍黄铜合金，其特征在于：其化学组成为：铜62.5wt%、镍0.25 wt%、铅0.18 wt%、砷 0.13 wt%、铝0.05wt%、锰0.03 wt%、锡0.06 wt%、铁0.03 wt%、铈0.02 wt%、钕0.04wt%、钴0.03wt%、钛0.02wt%、锗0.03 wt%、钬0.02wt%，余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质的含量不超过0.2 wt%；

其制备方法如下：

1）预处理A：将熔炉温度升至在1120℃，投入8 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铈、锗和钕，保温12min后进行浇注，得到合金a；

2）预处理B：将熔炉温度升至在1500℃，投入29 wt%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的钴、钛、钬、铁、镍和锰，保温20-30min后进行浇注，得到合金b；

3）熔炼：将熔炉温度升至在1000℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的铅、砷 、铝和锡，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入合金a和合金b，完全熔化后搅拌均匀，升温至1100℃时保温15min，然后浇注成坯锭；

4）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至425℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至325℃，然后在720℃的温度下，将Φ180mm的坯锭挤压成不同规格的挤压棒。