CN104232987B - 一种弹性锡黄铜合金材料及其制备加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弹性锡黄铜合金材料及其制备加工方法，属于有色金属加工领域。它的质量百分比组成为：Cu？86～89％，Sn？0.9～1.1％，Ni？0.5～1％，Co？0.05～0.5％，Mg？0.005％～0.01％，其余为Zn。制备时，a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.热轧，c.一次冷轧，d.中间退火，e.铣面，f.二次冷轧，g.低温退火。该铜合金的抗拉强度σb为400～900MPa，塑性延伸率δ为5～45％，电导率为25～32％IACS，弹性模量为120～125GPa，可以代替现有的锡磷青铜，广泛应用于各种弹簧接触片、电触点、点焊极点、继电器、电接触元器件、接插元器件等场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种弹性锡黄铜合金材料及其制备加工方法，属于有色金属加工领域。
背景技术
高强度高弹性铜基合金凭借其高强度、优良的弹性、耐疲劳、弹性滞后小等性能，广泛地使用于医疗、航空航海导航仪器、机械制造、仪表和仪器制造等行业。目前国内市场上铜基弹性合金主要以铍青铜和锡磷青铜等材料为主，其中铍青铜作为目前最常用的高弹性合金，但由于铍的氧化物和粉尘均有毒，对环境和人的身体健康都有一定的损害，很大程度地限制了铍青铜的工业化和使用。而锡磷青铜由于含Sn量较高，一般大于4％，在生产过程中容易产生Sn的反偏析，需要对其进行长时间的均匀化热处理，严重影响着合金的生产效率。并且Sn的价格较为昂贵，添加高含量Sn，增加生产成本，影响着合金的产业化和应用。
在黄铜合金中添加少量Sn元素，不仅可以提高合金的强度和硬度，而且还可以提高合金的抗腐蚀性能，故有“海军黄铜”之称。常见的锡黄铜的牌号有HSn60-1，HSn70-1，HSn90-1几种。相对于锡磷青铜，锡黄铜的加工方法比较简单，生产成本较低，并且电导率要高于锡磷青铜，但是锡黄铜的强度和弹性模量均要小于锡磷青铜。因此，如何在传统的锡黄铜材料的基础上进行成分设计和工艺改进，开发出一种可以替代锡磷青铜的铜基弹性合金已成为铜合金研究方向。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有上述已有技术的不足，开发出一种可以替代锡磷青铜合金的弹性锡黄铜合金材料。
为了达到上述目的，本发明是这样实现的：
一种弹性锡黄铜合金材料，它含有如下质量百分比的化学成分：Cu86～89％，Sn0.9～1.1％，Ni0.5～1％，Co0.05～0.5％，Mg0.005％～0.01％，其余为Zn。
所述锡黄铜合金材料中还可包含选自P、B和稀土元素La中的至少两种微合金化附带元素，其质量百分比含量为B0.001％～0.005％，P0.001％～0.005％，稀土La0.001％～0.005％，总量应满足0.001％≤P+B+La≤0.01％。
所添加合金元素的作用：
镍：由于Ni与Cu具有相同的晶体结构且晶格常数接近，所以两者可以完全互溶。因此，Ni元素的添加可以降低Sn和Co在Cu中的固溶度，促进Co与Sn的结合。此外，Ni也可以与Sn结合，生成Ni3Sn化合物，起到强化作用的效果。当Ni含量低于0.5％时，主要起到固溶强化和促进Co和Sn的析出作用，不易于与Sn结合。而Ni含量过高时，会影响合金的热加工性能。除此之外，Ni还可以提高合金的弹性性能。
钴：由于Co的熔点要高于Cu，在凝固过程中，可以作为形核质点，细化晶粒。此外，多余的Co能与Sn相结合，形成Co3Sn2化合物，提高合金的强度。若Co含量低于0.05％时，Co主要固溶在基体中，不能与Sn结合。Co含量较高时，合金容易产生磁性，影响合金的使用环境。因此，钴的成分范围为0.05～0.5％。
镁：由于Mg的化学性质比较活泼，容易氧化，可以起到除氧的效果。另外，Mg还可以提高合金的抗应力松弛性能。
硼、磷和镧：可以起到细化晶粒、除氧、除杂以及增加熔体的流动性，易于浇注的作用。
本发明的另一目的是提供上述可以替代锡磷青铜合金的弹性锡黄铜合金材料的制备加工方法。
上述弹性锡黄铜合金材料的制备加工方法，包括以下工艺流程：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.热轧，c.一次冷轧，d.中间退火，e.铣面，f.二次冷轧，g.低温退火。
步骤a中，所述投料的具体顺序为：先加入电解铜和镍板，加热熔化后，再加入锌锭、氧化钴粉和锡锭，然后加入铜硼中间合金、铜磷中间合金和铜镧中间合金中的至少任意两种，最后添加铜镁中间合金。
采用中频感应炉进行半连续熔炼与铸造，所述的熔炼的温度为1190～1250℃，所述浇铸的温度控制在1100～1150℃。
具体步骤为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1190～1250℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜磷中间合金、铜镧中间合金中的至少任意两种，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度控制在1100～1150℃。
步骤b中，将上述合金铸锭在步进炉中进行加热，温度为900～1000℃，保温时间为1～5h，然后再进行热轧变形，终轧温度控制在800～850℃，随后进行液氮冷却，达到获得过饱和固溶体的目的。
步骤d中，将冷轧板材放置马弗炉中进行中间退火，中间退火温度为400～500℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却。
步骤f中，将中间退火后的板材进行二次冷轧，加工率为10～80％，主要用于控制产品性能。
步骤g中，将冷轧板材放置马弗炉中进行低温退火，低温退火温度为200～300℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却。
本发明的优点：相对于现有的锡磷青铜合金而言，本发明的锡黄铜合金是在传统锡黄铜HSn90-1合金的基础上，进行成分设计和工艺改进，使其强度、弹性性能在满足弹性材料的要求的同时，还具有较高的导电性和抗应力松弛性能，可以完全替代现有的锡磷青铜合金。与此同时，该合金的制备过程比较简单，工艺流程短，解决了含锡铜合金热轧开坯开裂的生产技术难关，为合金的商业化生产提供一种切实可行的方法。同时，合金的生产成本也要低于锡磷青铜。
本发明的弹性锡青铜的抗拉强度σb为400～900MPa，塑性伸长率δ为5～50％，电导率为25～32％IACS，弹性模量为120～125GPa。该合金具有较高强度、电导率及优良的弹性等优点，可以完全替代现有的锡磷青铜合金。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
本发明中所述的弹性锡黄铜合金的制备及加工方法为：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，投料时先加铜和镍，加热熔化后，加入锌锭、氧化钴粉、纯锡锭，紧接着依次添加铜硼中间合金、铜磷中间合金和铜镧中间合金任意两种，最后添加铜镁中间合金，采用中频感应炉进行半连续熔炼与铸造，所述熔炼温度为1190～1250℃，所述浇铸温度为1100～1150℃，b.热轧，所述热轧温度为900～1000℃，保温时间1～5h，终轧温度控制在800～850℃；c.一次冷轧，d.中间退火，所述退火温度为400～500℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却，e.铣面，f.二次冷轧，加工率为10～80％，g.低温退火，所述退火温度为200～300℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却。
实施例1
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜硼中间合金、铜磷及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例1。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1190℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜磷中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1100℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为900℃，保温时间为5h，热加工变形量为80％，终轧温度为800℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为400℃，保温时间为8h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在80％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为200℃，保温时间为8h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例1。
实施例2
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜硼中间合金、铜镧中间合金及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例2。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1250℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜镧中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1150℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为1000℃，保温时间为1h，热加工变形量为80％，终轧温度为850℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为500℃，保温时间为4h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在65％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为300℃，保温时间为4h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例2。
实施例3
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜硼中间合金、铜镧中间合金及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例3。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1200℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜镧中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1120℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为920℃，保温时间为2h，热加工变形量为80％，终轧温度为820℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为420℃，保温时间为5h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在55％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为240℃，保温时间为5h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例3。
实施例4
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜磷中间合金、铜镧中间合金及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例4。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1220℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜磷中间合金、铜镧中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1110℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为930℃，保温时间为1h，热加工变形量为80％，终轧温度为830℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为450℃，保温时间为6h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在45％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为260℃，保温时间为6h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例4。
实施例5
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜硼中间合金、铜磷中间合金、铜镧中间合金及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例5。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1250℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜磷中间合金、铜镧中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1130℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为950℃，保温时间为1h，热加工变形量为80％，终轧温度为840℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为470℃，保温时间为4h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在35％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为240℃，保温时间为4h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例5。
实施例6
本发明的合金采用以下原料熔炼：电解铜、纯镍板、锌锭、氧化钴粉、纯锡锭、铜硼中间合金、铜磷中间合金、铜镧中间合金及铜镁中间合金。合金的成分见表1的实施例6。
1.熔炼：采用中频感应电炉进行半连续熔炼与铸造。合金的加入顺序为：加入电解铜、镍板，将温度升高到1240℃，至熔体完全熔化后，覆盖50mm灼烧的木炭，保温15min后，添加锌锭，等熔体冒泡5min后，加入用铜箔包裹氧化钴粉和锡锭，再覆盖30mm的燃烧木炭，紧接着加入铜硼中间合金、铜磷中间合金、铜镧中间合金，保温5min后，添加铜镁中间合金，充分搅拌后，覆盖20mm厚的干燥石墨粉，保温10min后进行浇铸，浇铸温度为1100℃。
2.热轧：对合金进行加热，加热温度为920℃，保温时间为1h，热加工变形量为80％，终轧温度为800℃，冷却方式为液氮冷却。
3.一次冷轧：将冷却后的合金板材进行70％的变形处理。
4.中间退火：对一次冷轧后的板材进行中间退火处理，退火温度为400℃，保温时间为6h，冷却方式为随炉冷却。
5.铣面：对合金进行铣面(上下表面各铣约1mm)。
6.二次冷轧：将铣面后的板材进行二次冷轧，冷轧加工率控制在10％。
7.低温退火：对二次冷轧后的板材进行低温退火处理，退火温度为220℃，保温时间为6h，冷却方式为随炉冷却。
经过以上熔炼、热轧、一次冷轧、中间退火、铣面、二次冷轧、低温退火处理等加工处理后，其性能见表2中的实施例6。
表1实施例1-6的合金成分配方(wt％)
注“—”标记为未添加合金量
表2实施例1-6的合金性能表
本发明弹性铜合金的抗拉强度σb为400～900MPa，塑性延伸率δ为5～50％，电导率为25～32％IACS，弹性模量为120～125GPa，抗应力松弛率为85～92％，可以广泛的应用于各种弹簧接触片、电触点、点焊极点、继电器、电接触元器件、接插元器件等场合。该合金具有较高强度、电导率及优良的弹性等优点，可以完全替代现有的锡磷青铜合金(QSn6.5-0.1)。
Claims (1)
1.一种弹性锡黄铜合金材料，其特征在于：该材料的质量百分比组成为：Cu86～89％，Sn0.9～1.1％，Ni0.5～1％，Co0.05～0.5％，Mg0.005％～0.01％，其余为Zn；
所述的锡黄铜合金材料中还包含选自P、B和La中的至少两种微合金化附带元素，其质量百分比含量为B0.001％～0.005％，P0.001％～0.005％，La0.001％～0.005％，总量满足0.001％≤P+B+La≤0.01％；
所述的弹性锡黄铜合金材料的制备加工方法，包括以下步骤：a.按照质量百分比进行配料、投料、熔炼及浇铸，b.热轧，c.一次冷轧，d.中间退火，e.铣面，f.二次冷轧，g.低温退火；投料时先加入电解铜和镍板，加热熔化后，再加入锌锭、氧化钴粉和锡锭，然后加入铜硼中间合金、铜磷中间合金和铜镧中间合金中的至少两种，最后添加铜镁中间合金；采用中频感应炉进行半连续熔炼与铸造，所述熔炼的温度为1190～1250℃，所述浇铸的温度为1100～1150℃；所述热轧的温度为900～1000℃，保温时间为1～5h，终轧温度为800～850℃；所述中间退火的温度为400～500℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却；所述二次冷轧的加工率为10～80％；所述低温退火的温度为200～300℃，保温时间为4～8h，冷却方式为随炉冷却。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yuan Hefeng Inventor after: Wang Zhongxiang Inventor after: Shi Kejun Inventor after: Peng Lijun Inventor after: Lu Qun Inventor after: Yang Qunyang Inventor after: Shen Libang Inventor after: Chen Weijun Inventor after: Zheng Liming Inventor after: Ma Hongjun Inventor after: Zheng Wenfeng Inventor before: Lu Qun Inventor before: Wang Zhongxiang Inventor before: Shi Kejun Inventor before: Peng Lijun Inventor before: Yuan Hefeng Inventor before: Yang Qunyang Inventor before: Shen Libang Inventor before: Chen Weijun Inventor before: Zheng Liming Inventor before: Ma Hongjun Inventor before: Zheng Wenfeng |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |