CN103789574A - 一种低铜合金及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低铜合金及其制备方法和用途，属于新材料技术领域。按重量百分比计所述合金包括0.1-10%铜、1-40%铝、0.1-4%铅、0.01-0.1%镁，余量的锌和不可避免的杂质。所述合金还包括选自镍、钴、锰、铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01-2重量%。本发明还提供了该低铜合金的制备方法及该低铜合金作为易切削黄铜合金替代材料中的应用。本发明的低铜合金具有良好的切削性，其切削性能和效率与铅黄铜棒材接近，可作为一些铅黄铜合金棒材的替代品，且该低铜合金具有良好的成型加工性能和机械性能，其力学性能可以达到部分黄铜合金的标准。

Description

一种低铜合金及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种低铜合金及其制备方法和用途，属于新材料技术领域。

技术背景

锌合金是以锌为主加入其他元素组成的合金。常加的合金元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等。锌合金分为铸造锌合金和变形锌合金，变形锌合金，尤其是接近共晶成分的锌合金，由于导热性能较差，易粘结刀具，在切削加工时通常会遇到较大困难，这是限制锌合金应用的重要原因之一。切削加工性指金属材料被刀具切削加工后成为合格工件的难易程度，切削加工性的好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量，它与金属材料的化学成分、力学性能、导热性及加工硬化程度等因素有关，通常硬度和韧性作为切削加工性好坏的大致判断。一般的讲，金属材料的硬度越高越难以切削，硬度虽不高，但韧性很大，切削也很困难。不同的金相组织，不同的硬度对切削加工性能的影响是不同的。球状组织对车削加工很有利。深孔钻削和盲孔钻削是综合检验切削加工性的重要指标。在现代工业生产中切削性能的好坏直接影响到产品的质量和生产效率，间接的带来生产成本的巨大变化。作为有色金属棒材、型材大部分产品用于机加工行业的基本原材料，需要进行进一步的加工。使用自动车床或仪表车床加工，产品广泛的应用于电子、制笔、制锁等众多五金行业。合金棒材切削性能的好坏对生产效率和生产成本起到非常重要的作用。传统都是采用黄铜合金作为易切削合金材料，但铜价格趋贵，材料成本较高，制约了它的使用。

现有技术中采用易切削变形锌合金来替代易切削铅黄铜已有研究，如中国专利申请（公开号：CN101812615A）涉及一种含铋无铅易切削变形锌合金；该锌合金由下述组份按重量百分组成：铝(A1)8～12％；铜(Cu)0.6～1.5％；镁(Mg)0.03～0.1％；铋(Bi)0.1～0.8％；其余为锌(Zn)和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。该种合金采用Bi作为易切削元素导致生产成本较高，且强化相较少机械性能较低。又如中国专利申请（公开号：CN101851713A）涉及一种易切削高强度锌合金，该锌合金各组分组成按重量百分比计分别为：铝1％～25％，铜0.5％～3.5％，镁0.005％～0.3％，锰0.01％～0.1％，以及铋0.005％～0.15％或／和锑0.01％～0.1％，以及总量不大于0.05％的杂质。该种合金中易切削元素Bi和Sb的含量较低，在切削过程中的断屑能力和切削效率一般。再如中国专利申请（公开号：CN102011027A）涉及一种无铅易切削锌合金，该锌合金的化学成分的重量百分比如下：铝5～28％，铜1～8％，镁0.01～0.08％，铋0.05～1.0％，铅少于0.01％，其它元素0.05～0.5％，余量为锌，所述其它元素为稀土元素、钛、硼中的两种或两种以上。该种合金的铜含量较高，合金的塑性会因此降低。

因此，研究开发出一种既具有优良切削性能，又具有良好力学性能的变形锌合金，实现对已有易切削铅黄铜的替换具有重要意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种具有优良切削性能又具有良好力学性能的低铜合金。

本发明的上述目的可通过以下技术方案实现，一种低铜合金，按重量百分比计该合金包括0.1-10%铜、1-40%铝、0.1-4%铅、0.01-0.1%镁，余量的锌和不可避免的杂质。本发明在锌合金的配方中通过铜元素的添加，使其与锌元素形成金属间化合物，提高合金的强度，改善锌基合金的脆性。又在合金中添加铝元素，产生固溶强化的效能，提高合金的强度、硬度，并降低合金比重，使合金具有优异的综合物理和力学性能，与常用的铅黄铜合金接近，可代替常用的黄铜合金。其次，本发明在合金中添加了易切削元素铅，使其以游离态的形式分布于相界间，在受到外界切削力的时候，在铅颗粒周围引起应力集中，从而起到断屑的作用，并提升切削效率。此外，本发明在低铜合金中添加微量的金属元素镁，使其以化合物的形式分布于晶间，起到抗晶间腐蚀的作用，并通过各元素之间产生的协同作用，使本发明的低铜合金在易切削的同时具有具有很高的强度，其强度和导电率可以达到部分黄铜的技术参数。

在上述的低铜合金中，作为优选，按重量百分比计该合金包括0.5-4%铜、2-20%铝、0.5-2%铅、0.01-0.06%镁，余量的锌和不可避免的杂质。

在上述的低铜合金中，该合金还包括选自镍、钴、锰、铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01-2重量%。在低铜合金中微量添加铁、钴、镍、锰中的一种或多种元素会在合金基体中形成小而硬的相，提高合金材料的强度和硬度，可根据不同的用途添加。

其中，所述不可避免的杂质元素在整个合金中的含量之和≤0.8%，并且，所述杂质元素中硅元素在整个合金中的含量≤0.08%。在本发明中硅元素作为一种限制元素，是因为随着硅含量的增加，含锰元素的合金会生产系列硅锰金属间化合物，这类化合物是一种易聚集的较大的高硬度颗粒，易使切削性能变差，并损坏刀具。

在上述的低铜合金中，进一步优选，按重量百分比计该合金由0.5-5%铜、2-20%铝、0.5-2%铅、0.03-0.06%镁、0.05-0.5%铁，余量的锌和不可避免的杂质组成。本发明在合金中添加了铁元素，且铁含量为0.05-0.5%，合金中添加适量的铁元素能细化合金材料晶粒，固化基体结构，抑制合金裂纹的成长，但是添加过量的铁元素反而会降低合金材料的加工性能。

在上述的低铜合金中，进一步优选，按重量百分比计该合金由1-3%铜、4-12%铝、1-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%钴，余量的锌和不可避免的杂质组成。在本发明的合金中添加钴元素，有利于细化合金晶粒，提高合金的机械性能。但钴含量添加过低，细化作用不明显；而添加过高，易造成脆性，强度和切削性反而下降，因此，本发明合金中添加的钴含量为0.05-0.5%。

在上述的低铜合金中，进一步优选，按重量百分比计该合金金由2-4%铜、5-15%铝、0.8-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%镍，余量的锌和不可避免的杂质组成。本发明合金中添加了镍元素，镍元素可使铜液结晶时晶粒细小，同时净化铜的基体和晶界，并提高合金的力学性能。在合金中的镍为高熔点元素，需要严格控制其含量，避免与其它金属元素形成硬脆的高熔点金属间化合物，从而影响合金的加工性能，也会因不得到有效金属的补缩而产生缩孔、裂纹等缺陷。因此，在本发明的合金中，添加0.05-0.5%的镍，能细化合金材料的晶粒，增加合金材料的韧性。

在上述的低铜合金中，进一步优选，按重量百分比计该锌合金由0.5-2%铜、6-12%铝、0.5-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%锰，余量的锌和不可避免的杂质组成。在本发明合金中加入的锰元素可以降低合金的导电、导热性，提高合金的耐蚀性，同时还能改善合金的切削性能。但锰元素会降低合金的熔点，使合金的熔铸性变差。因此，综合考虑合金的熔点、切削性、导热性和加工性，在本发明的合金中，金属元素锰优选重量百分比含量为0.05-0.5%。

在上述的低铜合金中，进一步优选，按重量百分比计该合金由1-3%铜、5-10%铝、1-2%铅、0.02-0.07%镁、0.05-0.5%镍、0.1-0.3%锰，余量的锌和不可避免的杂质组成。在本发明的低铜合金中，既添加了镍元素又添加了锰元素，使元素之间产生协同作用，起细化合金晶粒，提高合金的耐蚀性能，力学性能和切削性能的作用。

本发明的第二个目的在于提供上述低铜合金的制备方法，该方法按所述低铜合金的成分及其重量百分比称取原料，合金配料时所用的熔点高于1000℃的金属元素都采用中间合金的形式加入，其中铜元素以含铜60重量%的Cu-Zn中间合金形式加入，锰元素以含锰30重量%的Zn-Mn中间合金形式加入，镍元素以含镍15重量%的Zn-Ni中间合金形式加入，钴元素以含钴5重量%的Zn-Co中间合金形式加入，铁元素以含铁5重量%的中间合金形式加入，铝、铅、镁、锌元素根据所述合金元素的含量，采用纯金属的形式加入；合金的熔铸工艺采用普通的工频炉、中频炉或反射炉熔炼，熔炼后采用普通的硬模铸造、半连铸或水平连续铸的方法制成合金铸锭；将合金铸锭在200-450℃温度条件下进行热挤压，最后经过拉伸、矫直制成低铜合金棒材。

本发明的第三个目的在于提供上述低铜合金作为易切削铅黄铜合金替代材料中的应用。本发明的低铜合金主要作为铅黄铜的替代品使用，可广泛应用与自动车床和数控车床等机加工行业的原材料，其加工产品可用于各种电子连接件及锁具等日用五金产品。

综上所述，本发明在锌合金的基础上通过加入少量的铜元素和铝元素，以及易切削元素铅和微量的元素镁以及铁、钴、镍、锰中一种或多种的微量元素，使合金材料的配伍更加合理，通过各元素之间产生的协同作用，使合金具有良好的切削性，其切削性能和效率与铅黄铜棒材接近，可作为一些铅黄铜合金棒材的替代品，且该合金具有良好的成型加工性能和机械性能，其力学性能可以达到部分黄铜合金的标准。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

表1：实施例1-10中低铜合金的成分及其重量百分比

注：上述实施例1-10中余量为锌和不可避免的杂质，其中不可避免的杂质中的Si的含量均≤0.08%。

实施例1

按表1中实施例1中所述低铜合金的成分及其重量百分比称取原料，在合金配料时所用的高熔点金属（大于1000℃)都采用中间合金的形式加入，铜元素以含铜60重量%的Cu-Zn中间合金形式加入，镍元素以含镍15重量%的Zn-Ni中间合金形式加入，铝、铅、镁、锌元素根据所述合金元素的含量，采用纯金属的形式加入；

然后将上述配伍后的合金进行熔铸，其中合金的熔铸工艺通过普通工频炉采用半连续的方法制成合金铸锭；将合金铸锭在350℃下进行热挤压，最后经过拉伸、矫直制成Φ12mm的低铜合金棒材。

实施例2-10

分别按表1中各实施例中低铜合金的重量百分比称取原料，参照实施例1的制备方法制备低铜合金棒材，其中在合金配料时所用的高熔点金属（大于1000℃)都采用中间合金的形式加入，铜元素以含铜60重量%的Cu-Zn中间合金形式加入，锰元素以含锰30重量%的Zn-Mn中间合金形式加入，镍元素以含镍15重量%的Zn-Ni中间合金形式加入，钴元素以含钴5重量%的Zn-Co中间合金形式加入，铁元素以含铁5重量%的Zn-Fe中间合金形式加入，铝、铅、镁、锌元素根据所述合金元素的含量，采用纯金属的形式加入；实施例2-10中的热挤压温度分别为200℃、240℃、270℃、300℃、330℃、370℃、400℃、430℃、450℃。

对比例1-2

分别按表1中对比例1和2中所述合金的成分及其重量百分比称取原料，按照现有技术中普通锌合金的制备方法制成Φ12mm的合金棒材。

在配置传感器和微机控制的专用切削力测试的车床上，采用相同刀具，相同进给量，相同走刀量，相同转数，对实施例1-10及对比例1-2低铜合金的切削力进行测试，并对实施例1-10及对比例1-2低铜合金的力学性能、导电性能、导热性能进行测试，具体结果见表2所示。

表2：实施例1-10和对比例1-2中低铜合金的力学性能及切削性能的测试结果

综上所述，本发明的合金具有良好的切削性，其切削性能和效率与铅黄铜棒材接近，可作为一些铅黄铜合金棒材的替代品，且在不影响导热性、导电性的情况下具有良好的成型加工性能和机械性能，其力学性能可以达到部分黄铜合金的标准。

实施例1-10制成的低铜合金可作为铅黄铜的替代品使用，可广泛应用与自动车床和数控车床等机加工行业的原材料，其加工产品可用于各种电子连接件及锁具等日用五金产品。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金包括0.1-10%铜、1-40%铝、0.1-4%铅、0.01-0.1%镁，余量的锌和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金包括0.5-4%铜、2-20%铝、0.5-2%铅、0.01-0.06%镁，余量的锌和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述的低铜合金，其特征在于：该合金还包括选自镍、钴、锰、铁中的一种或多种元素，且所述元素的总含量为0.01-2重量%。

4.根据权利要求3所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金由0.5-5%铜、2-20%铝、0.5-2%铅、0.03-0.06%镁、0.05-0.5%铁，余量的锌和不可避免的杂质组成。

5.根据权利要求3所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金由1-3%铜、4-12%铝、1-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%钴，余量的锌和不可避免的杂质组成。

6.根据权利要求3所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金由2-4%铜、5-15%铝、0.8-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%镍，余量的锌和不可避免的杂质组成。

7.根据权利要求3所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金由0.5-2%铜、6-12%铝、0.5-2%铅、0.01-0.06%镁、0.05-0.5%锰，余量的锌和不可避免的杂质组成。

8.根据权利要求3所述的低铜合金，其特征在于：按重量百分比计该合金由1-3%铜、5-10%铝、1-2%铅、0.02-0.07%镁、0.05-0.5%镍、0.1-0.3%锰，余量的锌和不可避免的杂质组成。

9.一种如权利要求3所述的低铜合金的制备方法，其特征在于，该方法按所述低铜合金的成分及其重量百分比称取原料，合金配料时所用的熔点高于1000℃的金属元素都采用中间合金的形式加入，其中铜元素以含铜60重量%的Cu-Zn中间合金形式加入，锰元素以含锰30重量%的Zn-Mn中间合金形式加入，镍元素以含镍15重量%的Zn-Ni中间合金形式加入，钴元素以含钴5重量%的Zn-Co中间合金形式加入，铁元素以含铁5重量%的中间合金形式加入，铝、铅、镁、锌元素根据所述合金元素的含量，采用纯金属的形式加入；合金的熔铸工艺采用普通的工频炉、中频炉或反射炉熔炼，熔炼后采用普通的硬模铸造、半连铸或水平连续铸的方法制成合金铸锭；将合金铸锭在200-450℃温度条件下进行热挤压，最后经过拉伸、矫直制成低铜合金棒材。

10.一种如权利要求3所述的低铜合金作为易切削黄铜合金替代材料中的应用。