CN104294082A

CN104294082A - 一种黄铜合金

Info

Publication number: CN104294082A
Application number: CN201410609734.XA
Authority: CN
Inventors: 梅景; 陈湖; 马骏; 杨朝勇; 任世影
Original assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Powerway Alloy Material Co Ltd
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2015-01-21

Abstract

本发明提供了一种黄铜合金，其包括：45wt％～55wt％的Cu、0.5wt～7wt％的Mn、0.5wt％～5wt％的Al、0.5wt％～4wt％的Fe、0.05wt％～2wt％的Si、0.001wt％～0.5wt％的P与余量的Zn。本申请以铜、锌为主要添加元素，并且添加了具有强化作用的锰、铝、铁、硅与磷元素，使黄铜合金以β相为基体，具有较好的塑性与较高的强度；在保证黄铜合金具有较好强度与塑性的情况下，降低了铜的含量，从而降低了黄铜合金的成本。

Description

一种黄铜合金

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种黄铜合金。

背景技术

铜合金是以纯铜为基体，加入一种或多种其他元素的合金。纯铜呈紫红色，具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性，主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。

铜合金按合金系一般分为黄铜、青铜和白铜三类。其中白铜是以镍为主要添加元素的铜合金。黄铜是由铜和锌所组成的合金，若只有铜、锌组成的黄铜称为普通黄铜；除铜、锌元素之外，还有其他金属元素的铜合金称为特殊黄铜。青铜原指铜锡合金，目前将黄铜、白铜以外的铜合金均称为青铜。上述三种铜合金中，黄铜具有较好的机械性能、良好的耐腐蚀性和较低的应用成本，因此黄铜的应用范围广泛。

对于应用在重大基础装备的耐磨铜合金零件，如柱塞泵的配油盘、滑靴，液压缸的轴套等，要求材料具有高的强度、高的硬度、高的冲击韧性、低的摩擦系数并具有良好的塑性，以满足材料在重载、高速工况下的应用。目前使用较多的耐磨铜合金有C63000、C67300、C67400、C95400等。

随着行业的快速发展，对铜合金零件材料的性能尤其是耐磨性能要求越来越高，特别是额定压力在45MPa以上高压柱塞泵的开发，现有制备高压柱塞泵关键耐磨零部件的黄铜材料由于抗拉强度、屈服强度、冲击韧性等偏低，不能完全满足其工况要求。

另外随着市场竞争的加剧，下游生产厂家对原材料成本降低有很强的意愿，并且我国的铜资源日益匮乏，铜价持续处于高位，而我国的锌资源储备非常丰富。因此，高强度高塑性且成本低的黄铜合金成为目前研究的热点。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种高强度高塑性的黄铜合金。

有鉴于此，本申请提供了一种黄铜合金，包括：

优选的，所述铜的含量为46wt％～53.5wt％。

优选的，所述锰的含量为2.0wt％～5.5wt％。

优选的，所述铝的含量为1wt％～3.5wt％。

优选的，所述铁的含量为0.6wt％～2.5wt％。

优选的，所述黄铜合金中还包括0～2wt％的Ni、0～1wt％的Sn、0～0.5wt％的RE，0～0.5wt％的Mg、0～0.5wt％的Cr、0～1wt％的Co和0～0.2wt％的B中的至少一种。

优选的，所述黄铜合金中还包括0～4wt％的Pb、0～0.5wt％的Sb和0～0.5wt％的Bi中的至少一种。

优选的，所述黄铜合金的金相组织中β相的面积分数≥78％，α相的面积分数为0.1％～5％，γ相的面积分数为0.1％～3％，Fe-Mn-Si化合物相的面积分数为2％～8％，P-Mn-Fe化合物相的面积分数为2％～8％。

优选的，所述黄铜合金的晶粒度为10μm～60μm。

优选的，所述黄铜合金的抗拉强度650MPa以上，延伸率12％以上。

本申请提供了一种黄铜合金，其包括45wt％～55wt％的Cu、0.5wt～7wt％的Mn、0.5wt％～5wt％的Al、0.5wt％～4wt％的Fe、0.05wt％～2wt％的Si、0.001wt％～0.5wt％的P与余量的Zn。本申请的黄铜合金中以铜、锌为基本添加元素，成为黄铜合金的基体β相，使黄铜合金具有较高的强度；本申请还在黄铜合金中添加了具有稳定强化β相的铝元素，能够与黄铜合金中的锰、硅形成硬质耐磨相的铁元素，具有固溶强化作用的锰元素；添加的硅元素作为合金基体的强化元素，能够提高材料的耐磨性能、强度与硬度，添加的磷元素与铜形成的化合物分散在β基体上使材料具有良好的耐磨性，并且与铁、锰形成的化合物可进一步提高材料的强度、硬度与耐磨性能，上述元素的综合作用使得黄铜合金具有较好的塑性与较高的强度，同时本申请添加的铜含量较少，有效降低了黄铜合金的成本。

附图说明

图1为本发明实施例6挤压态黄铜合金的金相照片(100×)；

图2为本发明实施例6挤压态黄铜合金的金相照片(500×)。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种黄铜合金，包括：

本申请在黄铜合金中添加了铝，铝元素起到稳定并强化β相的作用。若铝含量小于0.5％则强化韧性效果低下，若大于5％会出现过量的γ相，严重降低了材料的塑性，并且使材料的热加工性能变差，此外铝与锰可形成α(Mn)，促进合金形成Fe-Mn-Si三元化合物，铝含量超过5％时形成β(Mn)固溶体，不利于Fe-Mn-Si化合物的形成，因此综合考虑铝含量控制在0.5～5％。另外，铝元素可在铜合金表面形成一层致密的Al₂O₃薄膜，可增加材料的耐腐蚀性能。所述铝的含量优选为1wt％～3.5wt％。更优选为1.2wt％～2.5wt％。

黄铜合金中添加铁元素，其与锰、硅以及锰、磷形成Fe-Mn-Si及Fe-Mn-P三元化合物，提供材料的用于耐磨零件所必须的硬质耐磨相，同时铁可使析出的化合物相均匀分散的分布。若铁的含量小于0.5％，则析出的化合物比例不足，导致材料的耐磨性能变差；若大于4％，则使析出物粗大，同样使耐磨性能变差，因此铁含量控制在0.5wt％～4wt％。此外铁元素起到晶粒细化的效果，能进一步提高材料的强度、硬度、塑性及韧性等综合性能。所述铁的含量优选为0.6wt％～2.5wt％，更优选为0.8wt％～1.8wt％。

锰大量的固溶于铜，起到固溶强化的作用，同时通过锰的固溶效果，降低材料的导电率、热扩散系数，并且锰与铁、硅、磷等元素可形成二元、三元化合物Mn-Si、Fe-Mn-Si、Fe-Mn-P等。若锰的含量低于0.5％则强化效果不明显，且析出的化合物比例过低，材料的强度和硬度过低，若锰的含量超过7％，则铸造时沉渣量增多，影响铸造性能，因此锰含量需控制在0.5wt％～7wt％，优选为2.0wt％～5.5wt％，更优选为3.0wt％～5.0wt％。

本申请添加的硅与锰、铁、镍、钴等分别形成了Mn₅Si₃、Fe-Mn-Si、Ni₂Si、Co₂Si化合物，提高了材料的耐磨性能，并且硅作为合金基体的主要强化元素，可显著的提高材料的强度和硬度。硅含量低于0.05％则效果不明显，高于2％则基体中出现脆性相，降低材料的综合性能，因此硅含量需控制在0.05wt％～2wt％，优选为0.07wt％～1.5wt％。

按照本发明，为了降低原材料的成本，铜含量控制在55wt％以下，在0.5wt％～5wt％铝、0.5wt％～4wt％铁、0.5wt％～7wt％锰、0.05wt％～2wt％硅的基础上，如铜含量小于45wt％，则材料出现大量的γ相，虽可进一步提高材料的强度和硬度，但材料的塑性急剧下降，无法进行相应的冷加工，因此铜含量控制在45wt％～55wt％，优选为46wt％～53.5wt％，更优选为49wt％～53wt％。

本发明的黄铜合金中添加了磷，其形成Cu₃P化合物具有良好的耐磨性，同时在本发明合金中，磷与铁、锰形成Fe-Mn-P三元化合物，可进一步提高材料的强度、硬度及耐磨性能。若磷的含量小于0.001％，产生的化合物比例过低，若大于0.5％会使材料的塑性严重下降，因此磷元素控制在0.001wt％～0.5wt％，优选为0.0015wt％～0.4wt％，更优选为0.002wt％～0.2wt％，另外磷起到脱氧、净化熔体的作用，改善合金的铸造性能。

按照本发明，黄铜合金中的铅以独立的铅相存在，增加材料的耐磨性能及切削性能。在合金基体为β相时，升温或冷却过程中铅可由晶界向晶内转移，使铅的分布更加均匀，但超过4wt％的铅其分布不易均匀，容易出现大块的铅颗粒，导致材料的塑性急剧下降，因此铅元素的含量≤4wt％，优选为0.05wt％～3wt％。

镍能够使形成的三元化合物更加稳定，并抑制化合物的长大，大于2％时效果饱和，为了避免贵金属的过量使用，因此镍含量≤2％，优选为0.01wt％～1.5wt％。另外，镍与硅可形成Ni₂Si化合物，可通过沉淀强化来提高材料的强度、硬度。

铬作为分散粒子，可改善材料的耐磨性，并能通过沉淀强化提高材料的强度和硬度，铬元素超过0.5％，会使合金铸造性能变差，影响产品的稳定性，因此铬元素含量≤0.5％，优选为0.01wt％～0.2wt％。

锡可改善材料的耐磨性和耐腐蚀性，但是如超过1％会导致铸锭反偏析，为避免贵金属过量使用，在材料应用有耐蚀性要求时选用，含量控制在1wt％以下，优选为0.1wt％～0.9wt％。

稀土元素可改善析出化合物的分布均匀性，并使析出的化合物由粗大针状变成细粒的球状，使材料的性能稳定可靠，并提高材料的耐磨性能，同时稀土具有提纯熔体，细化晶粒的作用，但超过0.5wt％会导致铜水变粘，铸造性能变差并且导致材料塑性急剧降低，因此稀土含量控制在0.5％以下，优选为0.005wt％～0.4wt％。

钴与硅形成Co₂Si化合物，具有沉淀强化的作用，提高材料的强度、硬度及耐磨性，并能强化固化析出的化合物，超过1wt％效果饱和，为避免贵金属过量使用，钴含量控制在1wt％以下，优选为0.2wt％～0.9wt％。

硼可改善铅的分布，使铅以细小均匀的球状分布在基体上，改善材料的稳定性，同时硼元素可起细化晶粒提高材料强度，硬度及塑性，超过0.2wt％使材料的塑性下降。因此硼含量控制在0.2wt％以下，优选为0.005wt％～0.15wt％。

镁能够细化晶粒，提高材料的强度、硬度及塑性，并且在材料表面形成一层保护膜，提高材料的耐腐蚀性并降低材料的热扩散系数，但超过0.5wt％，会使材料的切削性能及塑性变差。因此镁含量需控制在0.5wt％以下，优选为0.02wt％～0.45wt％。

锑和铋可改善材料的切削性能，但含量超过0.5％会造成材料冷加工、热加工开裂，因此锑和铋的含量分别控制在0.5％以下。所述锑的含量优选为0.02wt％～0.3wt％，所述铋的含量优选为0.05wt％～0.4wt％。

本申请提供了一种黄铜合金，其包括45wt％～55wt％的Cu、0.5wt～7wt％的Mn、0.5wt％～5wt％的Al、0.5wt％～4wt％的Fe、0.05wt％～2wt％的Si、0.001wt％～0.5wt％的P与余量的Zn。本申请的黄铜合金中以铜、锌为基本添加元素，成为黄铜合金的基体β相，使黄铜合金具有较高的强度；本申请还在黄铜合金中添加了具有稳定强化β相的铝元素，能够与黄铜合金中的锰、硅形成硬质耐磨相的铁元素，具有固溶强化作用的锰元素；添加的硅元素作为合金基体的强化元素，能够提高材料的耐磨性能、强度与硬度，添加的磷元素与铜形成的化合物分散在β基体上使材料具有良好的耐磨性，并且与铁、锰形成的化合物可进一步提高材料的强度、硬度与耐磨性能，因此，上述元素的综合作用使得黄铜合金具有较好的塑性与强度，同时本申请添加的铜含量较少，有效降低了黄铜合金的成本。

本申请的黄铜合金中以铝、铁、锰、硅、磷为主要元素，以镍、锡、稀土元素、镁、铬、钴、硼、铅、锑和铋为次要添加元素，在主要添加元素的情况下提高了黄铜合金的强度与塑性，次要添加元素可以进一步改善黄铜合金的性能。通过金相照片可以得出，本申请提供的黄铜合金的组织以β相为基体，其面积分数≥78％，α相的面积分数为0.1％～5％，γ相的面积分数为0.1％～3％，Fe-Mn-Si化合物相的面积分数为2％～8％，P-Mn-Fe化合物相的面积分数为2％～8％；其中Fe-Mn-Si化合物中Fe/Si重量比为1.5～40，Mn/Si的重量比为2～9；P-Mn-Fe化合物中Fe/P,的重量比为1～5，Mn/P的重量比为1～5。黄铜合金的晶粒度为10～60μm。

本申请还提供了一种黄铜合金的制备方法，包括以下步骤：

制备黄铜合金铸锭，所述黄铜合金铸锭包括：45wt％～55wt％的Cu、0.5wt～7wt％的Mn、0.5wt％～5wt％的Al、0.5wt％～4wt％的Fe、0.05wt％～2wt％的Si、0.001wt％～0.5wt％的P与余量的Zn；

将所述黄铜合金铸锭进行挤压，将挤压后的黄铜合金坯料进行热处理，得到黄铜合金。

本申请在制备黄铜合金的过程中，首先制备了黄铜合金铸锭，所述黄铜合金铸锭中添加了铜、锰、铝、铁、硅、磷与锌；所述黄铜合金中还添加了铅、镍、铬、锡、稀土元素、钴、硼、镁、锑与铋，上述金属元素的原料为工业纯金属或工业纯非金属。所述黄铜合金铸锭的制备过程可以按照下述方式进行：

在低频或中频熔炼炉中按照下述顺序加入原材料：首先加入铜、铁、镍、硅与钴，熔化后再加入锰、铝、锡、铅、铋、锑与锌，最后加入硼、镁、铬、磷与稀土元素进行熔炼；然后进行水平或垂直铸造，得到黄铜合金铸锭。

在上述过程中，按照上述原料的添加顺序可以使材料的合金化更加充分并且减少各种元素的烧损。上述熔炼工序的温度优选为950～1250℃。所述熔炼温度低于950℃则铜水流动性较差，铸锭质量无法保证，高于1250℃，金属损耗过大，影响经济效果。

黄铜合金铸锭制备后则进行挤压，使黄铜合金铸锭挤压到所需的坯料尺寸。所述挤压的温度优选为600℃～750℃。所述挤压温度低于600℃则热塑性变差，不能顺利挤压出产品，高于750℃，则材料出现过烧，材料的质量无法保证。最后将挤压后的坯料进行热处理，所述热处理的温度优选为200℃～450℃。所述热处理温度低于200℃，则不能有效消除加工过程的残余应力，存在开裂风险，高于450℃，材料的强度降低。

本申请提供的黄铜合金含铜量很低，可提高我国铜资源的利用率；且具有较高的抗拉强度、屈服强度、冲击韧性及塑性，并具有低的摩擦系数以及良好的耐磨损性能；黄铜合金低的热扩散系数，使材料在节能领域具有良好的应用发展前途。实验结果表明，本申请的黄铜合金的抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥450MPa，延伸率≥12％，HB硬度≥190，导电率≤10％IACS，导热系数≤55W/(m*K)，冲击韧性≥400J/m²，热膨胀系数≥21×10^-6/℃。本申请的黄铜合金由于具有上述优点，使其可以作为工程机械用耐磨铜合金和节能领域用空调四通阀。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的黄铜合金及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

在低频熔炼炉中加入铜块、铁块、硅块熔化后，再加入锰块、铝块、铋块、锑块与锌块，最后加入硼块和磷块，在950℃下进行熔炼，熔炼后进行铸造，得到黄铜合金铸锭，黄铜合金铸锭中铜的含量为54.96wt％，铁的含量为1.2624wt％，硅的含量为0.0709wt％，锰的含量为6.489wt％，铝的含量为0.9338wt％，铋的含量为0.4768wt％，硼的含量为0.1588wt％，锑的含量为0.0287wt％，磷的含量为0.0025wt％与余量的锌；

将制备的黄铜合金铸锭在挤压机中进行挤压，挤压的温度为600℃，将挤压后的坯料进行退火处理，退火温度为200℃，最后对退火处理的黄铜合金进行校直、定尺，包装，得到黄铜合金成品。

测试本实施例制备的黄铜合金的性能，如表2所示，表2为本实施例制备的黄铜合金的性能数据表。

实施例2

在低频熔炼炉中加入铜块、铁块、镍块、硅块与钴块，熔化后再加入锰块、铝块与锌块，最后加入磷块，在1250℃下进行熔炼，熔炼后进行铸造，得到黄铜合金铸锭，黄铜合金铸锭中铜的含量为48.63wt％，铁的含量为0.5321wt％，硅的含量为0.0557wt％，锰的含量为5.852wt％，铝的含量为0.3402wt％，镍的含量为1.085wt％，钴的含量为0.9587wt％，磷的含量为0.0112wt％与余量的锌；

将制备的黄铜合金铸锭在挤压机中进行挤压，挤压的温度为750℃，将挤压后的坯料进行退火处理，退火温度为450℃，最后对退火处理的黄铜合金进行校直、定尺，包装，得到黄铜合金成品。

实施例3

在低频熔炼炉中加入铜块、铁块、镍块、硅块与钴块，熔化后再加入锰块、铝块、铅块与锌块，最后加入稀土元素与磷块，在1000℃下进行熔炼，熔炼后进行铸造，得到黄铜合金铸锭，黄铜合金铸锭中铜的含量为51.79wt％，铁的含量为1.7812wt％，硅的含量为0.1618wt％，锰的含量为1.968wt％，铝的含量为1.762wt％，铅的含量为2.013wt％，稀土元素的含量为0.0498wt％，磷的含量为0.2158wt％与余量的锌；

将制备的黄铜合金铸锭在挤压机中进行挤压，挤压的温度为700℃，将挤压后的坯料进行退火处理，退火温度为350℃，最后对退火处理的黄铜合金进行校直、定尺，包装，得到黄铜合金成品。

实施例4

与实施例1的制备方法相同，区别在于：黄铜合金中的元素种类及含量不同，如表1所示，表1为本发明实施例的黄铜合金中元素含量数据表。

实施例5

实施例6

如图1所示，图1为本发明合金挤压态典型的金相图片(100×)；图2为本发明合金挤压态典型的进行图片(500×)，根据图2可知，本实施例中制备的黄铜合金挤压态的合金组织中含有基体β相、少量的γ和极少量的α相、Fe-Mn-Si化合物和P-Fe-Mn化合物；表3为图2中Fe-Mn-Si化合物的能谱分析结果数据表；表4为图2中P-Fe-Mn化合物的能谱分析结果数据表。

实施例7

实施例8

实施例9

实施例10

实施例11

实施例12

实施例13

实施例14

实施例15

实施例16

实施例17

实施例18

实施例19

实施例20

实施例21

实施例22

实施例23

实施例24

实施例25

实施例26

实施例27

表1 实施例4～27制备的黄铜合金中元素含量数据表(wt％)

表1 实施例4～27制备的黄铜合金中元素含量数据表(续表wt％)

表2 实施例1～27制备的黄铜合金的性能数据表

根据表2可知，本申请的黄铜合金的抗拉强度≥650MPa，屈服强度≥450MPa，延伸率≥12％，HB硬度≥190，导电率≤10％IACS，导热系数≤55W/(m*K)，冲击韧性≥400J/m²，热膨胀系数≥21×10^-6/℃。

表3 图2中Fe-Mn-Si化合物的能谱分析结果数据表

元素	wt％	At％
			Al	01.86	03.48
Si	08.96	16.06
			Mn	26.34	24.14
Fe	60.00	54.10
			Cu	01.52	01.20
Zn	01.32	01.02

表4 图2中P-Fe-Mn化合物的能谱分析结果数据表

元素	wt％	At％
			Si	06.58	10.24
P	27.35	38.56
			Mn	27.99	22.25
Fe	29.95	23.42
			Cu	04.72	03.25
Zn	03.41	02.28

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种黄铜合金，包括：

2.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述铜的含量为46wt％～53.5wt％。

3.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述锰的含量为2.0wt％～5.5wt％。

4.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述铝的含量为1wt％～3.5wt％。

5.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述铁的含量为0.6wt％～2.5wt％。

6.根据权利要求1至5任一所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中还包括0～2wt％的Ni、0～1wt％的Sn、0～0.5wt％的RE，0～0.5wt％的Mg、0～0.5wt％的Cr、0～1wt％的Co和0～0.2wt％的B中的至少一种。

7.根据权利要求1至6任一所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金中还包括0～4wt％的Pb、0～0.5wt％的Sb和0～0.5wt％的Bi中的至少一种。

8.根据权利要求1至7任一所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金的金相组织中β相的面积分数≥78％，α相的面积分数为0.1％～5％，γ相的面积分数为0.1％～3％，Fe-Mn-Si化合物相的面积分数为2％～8％，P-Mn-Fe化合物相的面积分数为2％～8％。

9.根据权利要求1至8任一所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金的晶粒度为10μm～60μm。

10.根据权利要求1至9任一所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金的抗拉强度650MPa以上，延伸率12％以上。