CN105039777B - 一种可切削加工黄铜合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种可切削加工黄铜合金及制备方法，其特征在于包括下述重量组成：铜45wt％‑54wt％、锰0.5wt％‑9.0wt％、锌37wt％‑53wt％，铜、锰、锌三者之和≥95wt％，不可避免杂质含量≤0.1wt％；并且该合金中含有体心立方结构的Cu‑Zn固溶体和面心立方的Cu‑Mn固溶体。主要制备步骤包括配料→熔炼→连铸→刨皮→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装等。本发明切削性能和机械性能更优异，并且大大降低了合金的成本，可替代现有的可切削黄铜合金，缓解铜资源短缺以及锌资源过剩的问题。

Description

一种可切削加工黄铜合金及制备方法

技术领域

本发明涉及到合金领域，具体指一种可切削加工黄铜合金及制备方法。

背景技术

黄铜有良好的工艺性能、机械性能和耐蚀性能，是有色金属中应用最广泛的合金材料之一。在铜锌合金中加入一些功能元素，构成多元黄铜合金，使其能满足特定工况的应用，最广泛使用的是在铜锌合金中加入铅元素形成的铅黄铜。铅黄铜具有普通黄铜的机械性能、耐蚀性能、冷热加工性能，并且由于铅在合金中以游离的铅质点存在，在切削加工过程中使切削屑呈碎沫状，在高速切削后可获得光洁度很高的表面，因此铅黄铜在航空航天、汽车、紧固件、五金件等各行各业都有广泛的应用。目前铅黄铜合金中铜含量一般在57～75％之间，铜含量较高。

我国是铜资源紧缺的国家，2014年我国精铜消费量872万吨，其中359万吨为进口，进口比例达到41％，并且由于铜价持续保持高位，铜原材料价格占铜合金售价的70％以上，因此对铜合金加工企业而言，铜价对其资金流动和市场供求关系的影响非常严重。而在锌资源储备方面，2010年起，中国矿山产量增加幅度较大，国产锌矿供应能力增强，自2011年起国内锌精矿市场处于过剩状态，市场积压了大量锌精矿库存。并且锌原材料的价格仅为铜价的三分之一左右。因此降低铜合金的成本已经成为迫在眉睫的问题。

申请号为200910058578.1的中国专利申请公开了一种铜合金耐磨材料及其制备方法，该合金组分如下：Cu：54％-57％；Al：3％-5.0％；Mn：3.5％-5.5％；Si：0.5％-1.3％；Fe：0.7％-1.5％；Zn：余量。该合金的铜含量较HPb59-1降低了2％以上，能较好的降低原材料的成本，但根据说明书记载，该合金材料的抗拉强度≥700MPa，硬度≥90HRB，延伸率3-5％，性能与铅黄铜差异极大，由于该材料具有很高的强度和硬度，使得材料的切削加工性能较差，对刀具的磨损极大，不能满足高速切削的要求。

又如申请号为201010232763.0的中国专利申请公开了一种无铅易切削变形锡铋锌铝合金，该合金组成为铝8-12％；铜0.8-1.5％；铋0.05-0.2％；锡0.05-0.15％；其余为锌和不可避免的杂质；杂质含量≤0.05％。该合金大量使用廉价的锌、铝等元素，并且具有较好的切削加工性能，但由于锌铝合金的强度、硬度、抗蠕变性能、疲劳强度等性能较铅黄铜要低很多，不能完全满足应用的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种能大大降低合金成本且切削性能更好的可切削加工黄铜合金。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种能大大降低合金成本且切削性能更好的可切削加工黄铜合金的制备方法。

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种能大大降低合金成本且切削性能更好的可切削加工黄铜合金。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种能大大降低合金成本且切削性能更好的可切削加工黄铜合金的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该可切削加工黄铜合金，其特征在于包括下述重量组成：

铜 45wt％-54wt％

锰 0.5wt％-9.0wt％

锌 37wt％-53wt％

铜、锰、锌三者之和≥95wt％，不可避免杂质含量≤0.1wt％；

并且该合金中含有体心立方结构的Cu-Zn固溶体和面心立方的Cu-Mn固溶体。

较好的，所述Cu-Zn固溶体的比例≥80％，Cu-Mn固溶体比例≤20％；并且Cu-Zn固溶体中体心立方结构的比例≥85％。

更好的，所述Cu-Zn固溶体中体心立方结构的比例为95-100％。

优选所述Cu-Zn固溶体粒径为10-30nm，Cu-Mn固溶体的粒径为15-40nm。

所述合金的晶粒度为0.03-0.2mm。

该合金还可以包含0.001wt％-4wt％的组分X，所述X选自0.1wt％-4wt％的Pb、0.1wt％-4wt％的Bi、0.1wt％-4wt％的Sb、0.1wt％-4wt％的Se、0.001wt％-2.0wt％的B、0.001wt％-2.0wt％的P和0.001wt％-1wt％的As中的至少一种。

优选，所述Pb的含量为0.5wt％-3.0wt％，所述Bi的含量为0.1wt％-3.0wt％，所述Sb的含量为0.1wt％-2.5wt％，所述Se的含量为0.1wt％-2.0wt％，所述B的含量为0.01wt％-1.0wt％，所述P的含量为0.001wt％-1.0wt％，所述As的含量为0.002wt％-0.6wt％。

更有选，所述Pb的含量为0.8wt％-2.5wt％，所述Bi的含量为0.5wt％-2.5wt％，所述Sb的含量为0.2wt％-1.5wt％，所述Se的含量为0.2wt％-1.0wt％，所述B的含量为0.05wt％-0.5wt％，所述P的含量为0.01wt％-0.8wt％，所述As的含量为0.003-0.3wt％。

进一步地，该合金还包含0.01wt％-5wt％的组分Y，所述Y选自Al、Fe、Si、Sn、Ni和Co中的至少一种。

优选，所述Al的含量为0.1wt％-3.5wt％，所述Fe的含量为0.1wt％-3.0wt％，，所述Si的含量为0.05wt％-1.2wt％，，所述Sn的含量为0.05wt％-3wt％，所述Ni的含量为0.5wt％-2.5wt％，所述Co的含量为0.1wt％-2wt％。

更有选，所述Al的含量为0.5wt％-3wt％，所述Fe的含量为0.1wt％-2.5wt％，所述Si的含量为0.08wt％-1.0wt％，所述Sn的含量为0.1wt％-1.5wt％，所述Ni的含量为0.6wt％-1.5wt％，所述Co的含量为0.5wt％-1wt％。

上述各方案中，，优选所述Cu的含量为47.8wt％-53.5wt％，所述Mn的含量为0.8wt％-6.0wt％。

更优选，所述Cu的含量为48.9wt％至52.7wt％，所述Mn的含量为1.0wt％-3.9wt％。

上述可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于该黄铜合金的制备方法依次包括下述步骤：

配料→熔炼→垂直半连铸铸锭→加热挤压→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述垂直半连铸的温度为980℃-1080℃，所述加热挤压温度为550℃-750℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。

上述可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于该黄铜合金的制备方法依次包括下述步骤：

配料→熔炼→水平连铸铸锭→加热挤压→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述水平连铸的温度为950℃-1080℃，所述加热挤压温度为550℃-750℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火的加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。

上述可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于该黄铜合金的制备方法依次包括下述步骤：

配料→熔炼→水平连铸棒坯→刨皮→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述水平连铸的温度为950℃-1080℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火的加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。

经大量实验发现，铜与锌形成固溶体，而且根据不同的铜锌比例，形成不同结构类型的固溶体，如面心立方结构、体心立方结构。当铜含量在54wt％以下时，体心立方结构的Cu-Zn固溶体具有特殊的原子力方向和应力分布，使得材料在切削过程中切削屑能更容易断裂，从而提高材料切削性能；而铜含量低于45wt％会导致材料变脆，合金的综合性能急剧下降，硬度急剧上升。使得黄铜合金的切削阻力变大，切削加工性能变差。本申请将铜含量控制在45wt％～54wt％，能够兼顾合金的切削性能和机械性能，且能大大降低合金成本。铜含量优选为47.8wt％至53.5wt％，更优选为48.9wt％至52.7wt％。

锰与铜能够形成面心立方结构的Cu-Mn固溶体，可改善机械性能，使本发明的黄铜合金的性能更加符合传统铅黄铜的应用。当锰含量小于0.5wt％时，其不能与铜形成足够量的面心立方结构的Cu-Mn固溶体，材料塑性不好；随着锰含量的增加，产品的综合性能提高；当锰含量大于9.0wt％时，会导致铸造时沉渣量过多，影响铸造性能并且由于锰的固溶强化效果，会导致材料的强度和塑性急剧降低、硬度过高，切削难度增加，使其不能达到HPb59-1等铅黄铜的综合性能水平；当锰含量超过6wt％时，会使黄铜合金的黄色偏白，因此锰的含量优选0.8wt％-6.0wt％，更优选为1.0wt％-3.9wt％。

优选方案中，铅元素由于其不固溶于铜，以游离态质点形式分布于基体上，形成有效的切削屑断点。同时铅元素很软，具有润滑作用，能显著地减少切削阻力，明显提升黄铜合金的切削性能。当铅元素的低于0.1wt％，改善效果不明显，超过4wt％则断屑效果不再增加，因此铅元素含量控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.5wt％-3.0wt％，更优选为0.8wt％-2.5wt％。

铋元素在黄铜合金中以片状分布在基体上，能显著改善黄铜合金的断屑性能并减少切削阻力，在加入铅元素的基础上加入铋元素，对黄铜合金的切削性能改善更加明显。当铋元素含量低于0.1wt％，改善效果不明显，超过4wt％，则铋元素在晶界上大量分布，降低黄铜合金的晶界强度，使得黄铜合金的机械性能降低。因此铋元素含量控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.1wt％-3.0wt％，更优选为0.5wt％-2.5wt％。

锑元素能少量固溶于黄铜合金中，提高黄铜合金的力学性能，并且锑元素能改善铋元素在黄铜合金中的分布形貌，在加入铋的基础上加入锑元素，能更好的改善黄铜合金的切削性能。当锑元素含量低于0.1wt％，改善效果不明显，超过4wt％则显著降低黄铜合金的塑性。因此黄铜合金中锑元素含量控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.1wt％-2.5wt％，更优选为0.2wt％-1.5wt％。

硒元素在本发明黄铜合金中以CuSe化合物的形式存在，而CuSe化合物较硬，可使得车削屑能顺利断裂，从而提高黄铜合金的切削性能，而在含有铋元素的黄铜合金中，加入硒元素能更明显的改善切削性能。硒元素含量低于0.1wt％时，不能形成足够量的化合物以改善黄铜合金的切削性能，但是硒含量大于4wt％，会导致黄铜合金的延伸率降低，因此硒元素含量控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.1wt％-2.0wt％，更优选为0.2wt％-1.0wt％。

硼元素、磷元素能够细化晶粒，提高黄铜合金的强度、硬度及塑性；其中硼元素以氧化物形式存在基体上，改善材料的组织和性能，并且硼元素能改善铅的分布，使铅以细小均匀的球状分布在基体上，提高黄铜合金的切削稳定性；硼元素含量若低于0.001wt％，则不能明显的改善黄铜合金的切削性能。而磷元素与铜形成Cu₃P化合物，在黄铜合金基体上形成“空穴效应”，增加黄铜合金在切削过程的断屑能力，提高材料的切削性能，磷元素含量低于0.001wt％，不能形成足够量的化合物，不能明显的改善黄铜合金的切削加工性能。但硼或磷元素超过2wt％则使材料的机械性能急剧下降，因此硼元素含量控制在0.001wt％-2wt％，优选为0.01wt％-1.0wt％，更优选为0.05wt％-0.5wt％；磷元素含量控制在0.001wt％-2wt％，优选为0.001wt％-1.0wt％，更优选为0.01wt％-0.8wt％。

铁元素在黄铜合金中作为形核剂，增加形核的数量，阻碍了晶粒的长大，起到细化晶粒的效果，提高材料的综合性能，并且铁元素未固溶部分以星花状分布在黄铜基体上，能促进切削屑的断裂，改善黄铜合金的切削性能。但是过量的铁元素，特别是含量超过5wt％时，会出现铁偏析聚集的问题，导致材料的综合性能变差。因此铁元素含量控制在0.01wt％-5wt％，优选为0.1wt％-3.0wt％，更优选为0.1wt％-2.5wt％。

铝元素起到稳定并强化体心立方结构Cu-Zn固溶体的效果，使得黄铜合金的基体具有更高的强度及稳定性。在添加铁的情况下，加入铝元素，可形成FeAl化合物，进一步提高材料的机械性能。另外，铝元素的加入可在黄铜合金表面形成致密的氧化铝保护膜，增加黄铜合金的耐蚀性能。铝元素含量低于0.01wt％，改善效果不明显，但由于铝元素的固溶强化效果非常明显，过量的铝，特别是超过5wt％，会使黄铜合金的强度和硬度急剧上升，延伸急剧下降，会限制黄铜合金的应用范围。因此铝元素含量控制在0.01wt％-5wt％，优选为0.1wt％-3.5wt％，更优选为0.5wt％-3wt％。

硅元素的加入与黄铜合金中的锰形成SiMn化合物，并且SiMn化合物的硬度极高，可增加黄铜合金的强度和硬度，并且提高黄铜合金的耐磨性能，因此在需要耐磨领域应用的黄铜合金可选择性添加硅元素，硅元素含量低于0.01wt％，不能明显的改善材料的性能并无法形成足够量的SiMn化合物，但由于硅元素的虚拟锌当量是最高的，如硅元素含量超过1.5wt％，材料的脆性急剧增加，塑性急剧下降。因此硅元素含量控制在0.01wt％-1.5wt％，优选为0.05wt％-1.2wt％，更优选为0.08wt％-1.0wt％。

锡元素能少量固溶于铜中，提高黄铜合金的机械性能，同时在黄铜合金表面形成一层氧化锡，可显著地增加黄铜合金的耐蚀性能，有利于黄铜合金在湿度高的环境中应用。锡元素含量小于0.01wt％，则以上改善效果不明显，含量大于5wt％，容易出现锡的反偏析问题，影响黄铜合金性能的稳定性，并且影响黄铜合金的经济效果。因此锡元素含量控制在0.01wt％-5wt％，优选为0.05wt％-3wt％，更优选为0.1wt％-1.5wt％。

镍元素、钴元素有较好的固溶强化效果，能增强体心立方结构Cu-Zn固溶体的稳定性，并改善其应力分布，有利于降低黄铜合金切削阻力，改善黄铜合金的切削加工性能。镍元素或钴元素与硅元素同时加入可形成稳定的NiSi、CoSi化合物，形成应力集中点，改善黄铜合金的切削断屑性能，并增加材料的耐磨性能，使得黄铜合金能适用于有耐磨要求的领域。含量若低于0.01wt％，则以上改善效果不明显，由于镍、钴价格高昂，若含量高于5wt％，影响黄铜合金的经济效果，并且过高的镍、钴含量使得黄铜合金的硬度升高明显，增加黄铜合金的切削阻力，降低黄铜合金的切削性能。因此镍元素含量控制在0.01wt％-5wt％，优选为0.5wt％-2.5wt％，更优选为0.6wt％-1.5wt％；钴元素含量控制在0.01wt％-5wt％，优选为0.1wt％-2wt％，更优选为0.5wt％-1wt％。

砷元素在黄铜合金的晶界上形成Cu-As-Zn保护层，阻止了锌的溶解，能极大的提高黄铜合金的耐蚀性能，因此黄铜合金在有耐腐蚀性能要求时，可添加少量的As元素，含量低于0.001wt％，耐蚀性能不明显，过量的As(超过1.5wt％)会增加黄铜应力腐蚀破裂的敏感性，因此As含量需控制在0.001wt％-1.0wt％以下，优选为0.002wt％-0.6wt％，更优选为0.003-0.3wt％。并且砷与硼形成的As-B原子对可快速填充脱锌腐蚀后的空位处，阻止了锌的进一步溶解，可进一步提高黄铜合金的耐蚀性能。

本发明中合金在加工时，在切削加工过程中体心立方结构的Cu-Zn固溶体会形成应力集中点，有利于切削加工过程切削屑的断裂，提高材料的切削加工性能。当Cu-Zn固溶体比例低于80％，则以上的效果不明显。而面心立方结构的Cu-Mn固溶体在切削加工过程中无法形成应力集中点，不利于车削屑的断裂；当面心立方结构的Cu-Mn固溶体含量大于20％时，会导致切削加工过程的切削难度增大。因此本发明优选方案中，将Cu-Zn固溶体比例控制在≥80％，Cu-Mn固溶体比例控制在≤20％。为了保证两者固溶体的比例，Cu，Mn，Zn元素的总和需≥95wt％。Cu-Zn固溶体中体心立方结构由于其特殊的原子力和应力方向特点使得其加工应力集中的特点较面心立方结构更加明显，更加充分的保证车削屑顺利断开，避免了车削加工过程的缠刀，排屑不畅等问题，改善了可切削加工黄铜合金的切削性能，在Cu-Zn固溶体中体心立方结构比例≥85％，黄铜合金的切削屑很小，不会出现缠刀的问题，当体心立方结构比例达到95-100％时，切削性能进一步得到改善。

Cu-Zn固溶体的粒径决定其切削加工应力集中的难易程度，Cu-Zn固溶体粒径大于30nm，其加工应力分布较分散，不能形成满足切削断屑要求的应力集中点，但固溶体粒径小于10nm时，其加工应力集中效果非常明显，在加工过程中容易导致其应力开裂。因此可切削加工黄铜合金的Cu-Zn固溶体粒径控制在10-30nm。Cu-Mn固溶体的粒径决定可切削加工黄铜合金的机械性能，当Cu-Mn固溶体粒径小于15nm时，可切削加工黄铜合金的塑性降低明显，机械性能无法满足应用要求，而Cu-Zn固溶体粒径大于40nm时，则黄铜合金的强度、硬度过低，同样无法满足应用要求。因此优选方案中Cu-Mn固溶体粒径控制在15-40nm。

合金的晶粒度小于0.03mm，黄铜合金的强度、硬度过高，不利于后续的铆接、热锻、折弯等加工；而晶粒度大于0.2mm，黄铜合金的机械性能变差，不能完全满足应用的要求；因此本发明将黄铜合金晶粒度控制在0.03-0.2mm。

本发明提供的可切削加工黄铜合金抗拉强度大于450MPa以上，完全能够满足应用的结构强度要求；延伸率大于15％，满足冷镦、铆接、折弯等应用要求；HB硬度在110-180之间，加工过程中不会产生变形，对刀具的磨损小；与现有技术中HPb59-1、C36000等牌号的铅黄铜合金相比较，切削性能和机械性能更优异，并且大大降低了合金的成本，可替代现有的可切削黄铜合金应用于阀门铜部件、同轴连接器铜部件、泵头、锁具铜部件等领域，可缓解我国铜资源短缺以及锌资源过剩的问题。

附图说明

图1为Mn含量与合金抗拉强度的关系；

图2为Mn含量与延伸率的关系；

图3为Mn含量与合金硬度的关系；

图4为Mn含量与切削力的关系；

图5为不同锰含量的产品表面颜色照片，图中的标号为实施例编号；

图6和图7为实施例16的XRD固溶体测试结构图；

图8为实施例30至实施例35切削后的碎沫照片，图中的标号为实施例编号；

图9为实施例54的显微组织照片；

图10为实施例54显微维氏硬度计上对CuSe化合物硬度测试电镜扫描照片；

图11实施例86切削得到的产品照片；

图12为实施例87切削得到的产品照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至实施例15

实施例1至实施例15的配方如表1所示。

其中实施例1和实施例2为HPb59-1和C36000铅黄铜合金，其按照常规的熔铸、挤压、拉拔、校直、退火工艺步骤进行生产。

实施例3至实施例15的制备方法如下：

各组分配料，在低频熔炼炉熔炼，垂直半连铸铸锭，所述的铸造温度为990℃-1030℃，加热挤压成Φ20mm棒坯，所述的挤压温度为630℃-670℃，拉拔成Φ19mm棒坯，之后在250℃-280℃下去应力退火，去应力退火加热速率在200℃以下时为40-45℃/分钟，在200℃以上时为5-8℃/分钟。所述的去应力退火冷却速率300℃以上时为5-7℃/分钟，300℃以下时为45-48℃/分钟。最后校直定尺出成品棒坯。对所得的棒坯取样，按照GB/T5121-2008测试实施例1至实施例15各样品中各元素的含量，结果如表1所示。

所得棒坯取样制备成Φ8mm的抗拉样品。在10吨液压拉伸机上对样品进行拉力测试，测试得到的抗拉强度和延伸率结果如表1所示。

所获得的棒坯取样制备成Φ19mm，厚度为30mm的硬度样品。所述的硬度样品在布氏硬度计上进行测试，测试采用的圆球直径2.5mm，压力为62.5公斤力，测试得到的HB硬度结果如表1所示。

所获得的棒坯取样制备成Φ19mm，长度300mm的切削力样品，进行切削力测试，测试设备为重庆迪佳切削力测试系统，测试条件为：进给量0.078，切削速度31.5674，背吃刀量0.5。测试样品切削过程中的切向力、轴向力、径向力，测试结果以及按照切削力计算公式计算得到的切削力如表2所示。

表1

实施例1、2、3、14、15为对比例，其中实施例2为现有的牌号为C36000铅黄铜合金的标准配方。

Mn含量与合金抗拉强度的关系如图1所示，Mn含量与延伸率的关系如图2所示，Mn含量与合金硬度的关系如图3所示。

由图1至图3可知，Mn含量在0.5wt％-10.03wt％之间可切削加工黄铜合金的延伸率较HPb59-1铅黄铜要高。Mn含量高于9.0wt％，可切削加工黄铜合金的硬度开始急剧升高，远远高出HPb59-1铅黄铜。Mn含量低于0.5wt％，或高于9.0wt％，可切削加工黄铜合金的抗拉强度远远高于HPb59-1铅黄铜，而在0.5wt％-6wt％之间，可切削加工黄铜合金的抗拉强度较HPb59-1铅黄铜有少量的升高。因此Mn的适宜添加范围在0.5wt％-9.0wt％。

表2

Mn含量与切削力的关系如图4所示。

根据图4可知，Mn含量低于0.5wt％或高于9.0wt％，可切削加工黄铜合金的切削力较C36000要急剧升高，Mn含量在0.5wt％-9.0wt％，可切削加工黄铜合金的切削力较C36000有少量的升高。在有色金属加工领域C36000的切削性能是现有技术中公认最优秀的铜合金，而本发明合金配方的切削力是C36000的1.04-1.15倍，能满足高速切削的要求。

实施例4、实施例5、实施例7、实施例11、实施例12、实施例13切削力样品车削后的表面颜色如图5所示。由图5可以看出，当Mn含量在6.0wt％以下，可切削加工黄铜合金的表面呈亮黄色，Mn含量在6wt％以上，可切削加工黄铜合金的表面颜色发白，Mn含量达到9.0wt％，黄铜合金的表面颜色为白色。

综上所述可知，Mn元素含量为0.5wt％-9.0wt％是合适的，Mn含量在1.0wt％-6.0wt％时效果更优，理想的Mn含量为1.3wt％-4.9wt％。

实施例16至实施例25

实施例16至实施例25的制备方法与实施例1至实施例16相同。

对制备得到的棒坯取样，按照GB/T5121-2008测试各实施例样品中铜和各元素的含量，测试结果如表3所示。

取样制备成Φ8mm的抗拉样。样品在10吨液压拉伸机上进行拉力测试，测试得到的抗拉强度和延伸率结果如表3所示。所获得的棒坯取样制备成Φ19mm，厚度为30mm的硬度样品。所述的硬度样品在布氏硬度计上进行测试，测试采用的圆球直径2.5mm，压力为62.5公斤力，测试得到的HB硬度结果如表3所示。

表3

实施例20、21、22、23、24、25为对比例。

由表3可以看出，Cu含量大于45wt％，可切削加工黄铜合金的抗拉强度、延伸率和HB硬度是比较接近铅黄铜的，当Cu含量大于54wt％，可切削加工黄铜合金的抗拉强度较铅黄铜要偏低，延伸率较铅黄铜要稍高。因此可切削加工黄铜合金的Cu含量范围在45wt％-54wt％是合适的。

将实施例16至实施例25制备得到的黄铜棒坯制成Φ19mm、厚度为1mm的XRD样品，将XRD样品在德国布鲁克X射线衍射仪上进行固溶体结构和比例的测试，测试结果如表4所示。

将实施例16至实施例25制备得到的黄铜棒坯制成Φ19mm、长度为300mm的切削力样品，在重庆迪佳切削力测试系统上进行切削力测试。测试条件为：进给量0.078，切削速度31.5674，背吃刀量0.5。测试切向力、轴向力和径向力，测试结果以及按照切削力计算公式计算得到的切削力如表4所示。

图6和图7为实施例16的XRD分析固溶体结构图。

表4

由表4可知，Cu-Zn固溶体比例≥80％，并且Cu-Zn固溶体中体心立方结构比例≥85％；Cu-Mn固溶体比例≤20％，可切削加工黄铜合金的切削力处于较低的水平。因此可切削加工黄铜合金的Cu-Zn固溶体比例≥80％，Cu-Mn固溶体比例≤20％是比较合适的。根据实施例23-25，当铜含量在54wt％以上，Cu-Zn固溶体在80％以上，并且Cu-Zn固溶体中体心立方结构比例≥85％，产品的切削力处于较高的水平，说明了体心立方结构的Cu-Zn固溶体改善切削性能的前提是铜含量需低于54wt％。

实施例26至实施例32

实施例26至实施例29的制备方法如下：

各组分配料，在低频熔炼炉熔炼后进行水平连铸铸锭，水平连铸的铸造温度为970℃-1020℃；然后加热挤压成Φ20mm棒坯，加热挤压温度为620℃-660℃；拉拔成Φ19mm棒坯；之后去应力退火，去应力退火温度为260℃-300℃，200℃以下时去应力退火加热速率为40-43℃/分钟，200℃以上时为8-10℃/分钟；200℃以上时去应力退火冷却速度为5-6℃/分钟，200℃以下为32-34℃/分钟；最后校直定尺出成品棒坯。

实施例30至实施例32的制备方法如下：

各组分配料，在低频熔炼炉熔炼后进行水平连铸铸锭，水平连铸的铸造温度为970℃-1020℃；然后加热挤压成Φ20mm棒坯，加热挤压温度为620℃-660℃；拉拔成Φ19mm棒坯；之后去应力退火，所述的去应力退火温度为180℃-200℃，所述的去应力退火加热速度为51-55℃/分钟，所述的去应力退火冷却速度为51-55℃/分钟；最后校直定尺出成品棒坯。

对所得的棒坯取样按照GB/T5121-2008测试各实施例样品中铜和各元素的含量，测试结果如表5所示，并取样制备成Φ8mm的抗拉样。将得到的样品在10吨液压拉伸机上进行拉力测试，测试得到的抗拉强度和延伸率结果如表5所示。

将所获得的棒坯取样制备成Φ19mm、厚度为30mm的硬度样品，在布氏硬度计上进行测试，测试采用的圆球直径2.5mm，压力为62.5公斤力，测试得到的HB硬度结果如表5所示。

将制备得到的棒坯制备成Φ19mm、厚度为1mm的XRD样品，在德国布鲁克X射线衍射仪上进行体心立方结构Cu-Zn固溶体和面心立方结构Cu-Mn固溶体的粒径测试，测试结果如表6所示。

将制备得到的棒坯制备成Φ19mm、长度为300mm的切削力样品，在重庆迪佳切削力测试系统上进行切削力测试。测试条件为：进给量0.078，切削速度31.5674，背吃刀量0.5。测试材料切削过程中的切向力、轴向力、径向力，测试结果以及按照切削力计算公式计算得到的切削力如表6所示。

表5

其中，实施例27、30、31、32是对比例。

表6

由表5和表6可知，当Cu-Zn固溶体粒径≤10nm或Cu-Zn固溶体粒径≥30nm时，可切削加工黄铜合金的切削力整体偏高，当Cu-Mn固溶体粒径≤15nm或Cu-Mn固溶体粒径≥40nm时，可切削加工黄铜合金的切削力整体偏高。因此可切削加工黄铜合金的Cu-Zn固溶体粒径为10-30nm，Cu-Mn固溶体的粒径为15-40nm是合适的范围。

实施例33至实施例38

实施例33至实施例38的制备方法如下：

配料，在中频熔炼炉熔炼；水平连铸棒坯；水平连铸的铸造温度为970℃-1020℃；刨皮；拉拔成Φ19mm棒坯；之后去应力退火，去应力退火温度为250℃-280℃，去应力退火加热速率为2-5℃/分钟，去应力退火冷却速度为5-8℃/分钟；最后校直定尺出成品棒坯。

所得棒坯取样按照GB/T5121-2008测试各实施例样品中铜和各元素的含量，测试结果如表7所示。

所得棒坯制备成Φ8mm的抗拉样，在10吨液压拉伸机上进行拉力测试，测试得到的抗拉强度和延伸率结果如表7所示。

所得棒坯制成Φ19mm、厚度30mm的硬度样品，在布氏硬度计上进行测试，测试采用的圆球直径2.5mm，压力为62.5公斤力，测试得到的HB硬度结果如表7所示。

所得棒坯制成Φ19mm、长度为300mm的切削力样品，在重庆迪佳切削力测试系统进行切削力测试。测试条件为：进给量0.078，切削速度31.5674，背吃刀量0.5。测试切削过程中的切向力、轴向力、径向力，测试结果以及按照切削力计算公式计算得到的切削力如表8所示。

实施例30至实施例35切削后的碎沫照片如图8所示。

表7

其中实施例38是对比例。

表8

由表7、表8和图8可知，添加一定量的Pb元素，切削碎沫随着Pb元素的增加变小，更有利于切削加工过程中切削碎沫的排出，并且切口表面光洁度提高；但随着Pb元素的增加，延伸率呈降低的趋势；当Pb元素含量超过4wt％时，其延伸率会有较大幅度的下降。因此Pb元素的含量应控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.5wt％-3.0wt％，更优选为0.8wt％-2.5wt％。

实施例39至实施例51

实施例39至实施例51的制备方法与实施例33至实施例38相同。制备样品测定各组分含量以及各合金的抗拉强度、延伸率和硬度结果如表9所示；切削力测试结果如表10所示。

表9

实施例44是对比例。

表10

实施例47是对比例。

由表9和表10可知，添加一定量的的Bi，Sb元素，可减少切削加工过程的切削力，有利于提高可切削加工黄铜合金的切削加工性能。但Sb，Bi元素添加超过4wt％，合金的延伸率出现了较大幅度的下降，因此Bi，Sb的含量需控制在4wt％以下；而Bi，Sb元素添加量小于0.1wt％时，改善效果不明显。因此Bi，Sb元素添加范围为0.1wt％-4wt％；并且，根据实施例43和实施例48的分析结果，在Bi元素存在的情况下同时添加Pb或Sb元素，可更有效的降低切削力。

实施例52至实施例56

实施例52至实施例56的制备方法与实施例33至实施例38相同。各实施例样品组分含量以及抗拉强度、延伸率和硬度的测试结果如表11所示；切削力测试结果如表12所示。

将实施例54制备得到的棒坯取Φ19mm，厚度为30mm的金相样品，经金相抛光机抛光后使用三氯化铁盐酸酒精溶液中腐蚀后在莱卡显微镜下观察组织形貌，显微组织如图9所示。金相测试完成后取该样品在维氏显微硬度仪下测试化合物的硬度，测试结果如表13所示。图10为在显微维氏硬度计上对CuSe化合物进行硬度测试的照片。

表11

表12

实施例	切向力(KN)	轴向力(KN)	径向力(KN)	切削力(KN)
					52	55.137	68.109	69.216	111.668
53	54.189	69.012	66.218	109.927
					54	54.228	68.92	64.209	108.690
55	53.001	64.292	65.201	105.800
					56	53.192	63.299	64.829	105.066

表13

由表11、表12、表13和图10可知，加入Se元素可形成CuSe化合物，化合物显微硬度较高，在切削过程中能够形成应力集中点，有利于黄铜合金在切削加工过程中的断屑，提高黄铜合金的切削加工性能。而Se存在下再加入Bi元素，合金的切削力处于较低的水平，可显著改善黄铜合金的切削性能。但当Se含量超过4wt％，合金的延伸率有较大幅度的下降，因此Se的含量控制在0.1wt％-4wt％，优选为0.1wt％-2.0wt％，更优选为0.2wt％-1.0wt％。

实施例57至实施例67

实施例57至实施例67的制备方法和测试方法与实施例33至实施例38的相同。各实施例样品中各组分含量及抗拉强度、延伸率和硬度的测试结果如表14所示，切削力测试结果如表15所示。

表14

实施例61、67是对比例。

表15

实施例	切向力(KN)	轴向力(KN)	径向力(KN)	切削力(KN)
					57	55.731	67.189	66.916	109.991
58	56.468	71.432	74.192	117.455
					59	60.287	66.567	71.841	115.008
60	64.774	70.061	66.939	116.555
					61	75.251	76.239	78.089	132.563
62	53.798	65.295	63.713	105.910
					63	61.582	58.767	69.089	109.632
64	56.695	61.842	69.415	108.891
					65	58.387	59.29	69.498	108.417
66	61.208	62.911	74.125	114.886
					67	75.499	76.383	72.957	129.835

由表14和表15可知，加入B和/或P元素，可改善合金的机械性能，可切削力未明显增加。但B元素≥2wt％或P元素≥2wt％，可切削加工黄铜合金的延伸率急剧降低，而低于0.001wt％则效果不明显。因此B元素含量0.001wt％-2wt％，P元素含量控制在0.001wt％-2wt％。

实施例68至实施例85

实施例57至实施例67的制备方法和测试方法与实施例33至实施例38的相同。各组分含量、抗拉强度、延伸率和硬度结果如表16所示，切削力测试结果如表17所示。

表16

表17

实施例	切向力(KN)	轴向力(KN)	径向力(KN)	切削力(KN)
					68	63.991	62.226	62.621	109.034
69	62.021	64.461	70.004	113.589
					70	63.925	68.464	78.139	121.981
71	59.755	63.273	63.16	107.533
					72	63.318	69.339	74.176	119.663
73	68.134	72.007	71.831	122.421
					74	60.891	68.631	65.905	112.966
75	60.181	65.755	66.078	110.958
					76	62.228	70.211	72.28	118.433
77	64.983	73.21	77.063	124.584
					78	65.673	64.802	65.73	113.281
79	62.09	61.718	60.094	106.186
					80	76.375	74.792	66.607	125.950
81	60.201	63.815	60.15	106.370
					82	66.06	68.761	71.832	119.381
83	53.13	63.228	65.363	105.323
					84	70.95	73.291	70.075	123.758
85	65.512	61.205	64.095	110.209

由表16和表17可知，在可切削加工黄铜合金中加入Fe，Al，Si，Sn，Ni，Co元素的一种或多种可提高产品的机械性能，改善了可切削加工黄铜合金的综合性能。但Fe，Al，Si，Sn，Ni或Co元素含量超过5wt％时，可切削加工黄铜合金的延伸率急剧降低，含量低于0.01wt％时改善效果不明显，因此可切削加工黄铜的Fe含量控制在0.01wt％-5wt％，Al含量控制在0.01wt％-5wt％，Si含量控制在0.01wt％-5wt％，Sn含量控制在0.01wt％-5wt％，Ni含量控制在0.01wt％-5wt％，Co含量控制在0.01wt％-5wt％。同时加入Al和Fe元素，黄铜合金的机械性能整体提高，切削力有小幅度的升高，在可切削加工黄铜合金中同时加入Ni、Co和Si元素，黄铜合金的机械性能整体提高，切削力有小幅度的升高，而在可切削加工黄铜合金中同时加入Fe、Si和Pb元素，黄铜合金的切削力未明显增加，机械性能整体提高。

实施例86和实施例87

实施例86是作为对比的C3604铅黄铜合金，其按照常规的熔铸、挤压、拉拔、校直、退火工艺步骤进行生产出Φ40mm棒坯。实施例87的制备方法如下：

配料，在低频熔炼炉熔炼，垂直半连铸铸锭，所述的铸造温度为1000℃-1040℃，加热挤压成Φ42mm棒坯，所述的挤压温度为620℃-690℃，拉拔成Φ40mm棒坯，之后去应力退火，所述的去应力退火温度为250℃-350℃，，去应力退火加热速率为2-5℃/分钟，去应力退火冷却速度为5-8℃/分钟；最后校直定尺出成品棒坯。实施例86与实施例87的抗拉强度、延伸率、HB硬度及切削力的测试结果如表18所示，切削力测试结果见表19。

表18

实施例86是对比例。

表19

实施例	切向力(KN)	轴向力(KN)	径向力(KN)	切削力(KN)
					86	46.315	62.089	65.918	101.712
87	47.214	63.186	68.428	104.422

将实施例86和实施例87采用钨钢刀具，在马扎克数控车床上制备成高频连接器铜部件。加工后的产品如图11和图12所示。经表面光洁度测试，实施例86(C3604)的表面光洁度为1.38，实施例87的表面光洁度为0.65。由此可知，本发明合金较传统铅黄铜具有更优秀的表面光洁度。

从实施例86和实施例87上各取50mm长的试验料5个，经680℃加热30分钟后取出，在315吨立式油压机上压缩至指定高度，并观察表面裂纹情况。测试结果如表20所示。

表20

计算压缩比(压缩比＝50/压缩后的高度)，表20中的优表示压缩后的样品表面光洁且无裂纹；良为表面粗糙且无明显裂纹；表面存在裂纹为差。

由表20可知，本发明合金较传统铅黄铜具有更优秀的锻造性能。

Claims (14)

1.一种可切削加工黄铜合金，其特征在于由下述重量组分组成：

铜 45wt％-54wt％

锰 0.5wt％-9.0wt％

锌 37wt％-53wt％

铜、锰、锌三者之和≥95wt％，不可避免杂质含量≤0.1wt％；

并且该合金中含有体心立方结构的Cu-Zn固溶体和面心立方的Cu-Mn固溶体；

所述Cu-Zn固溶体的比例≥80％，Cu-Mn固溶体比例≤20％；并且Cu-Zn固溶体中体心立方结构的比例≥85％；

所述Cu-Zn固溶体粒径为10-30nm，Cu-Mn固溶体的粒径为15-40nm。

2.根据权利要求1所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Cu-Zn固溶体中体心立方结构的比例为95-100％。

3.根据权利要求2所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述合金的晶粒度为0.03-0.2mm。

4.根据权利要求1所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于该合金还含有0.001wt％-4wt％的组分X，所述X选自0.1wt％-4wt％的Pb、0.1wt％-4wt％的Bi、0.1wt％-4wt％的Sb、0.1wt％-4wt％的Se、0.001wt％-2.0wt％的B、0.001wt％-2.0wt％的P和0.001wt％-1wt％的As中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Pb的含量为0.5wt％-3.0wt％，所述Bi的含量为0.1wt％-3.0wt％，所述Sb的含量为0.1wt％-2.5wt％，所述Se的含量为0.1wt％-2.0wt％，所述B的含量为0.01wt％-1.0wt％，所述P的含量为0.001wt％-1.0wt％，所述As的含量为0.002wt％-0.6wt％。

6.根据权利要求5所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Pb的含量为0.8wt％-2.5wt％，所述Bi的含量为0.5wt％-2.5wt％，所述Sb的含量为0.2wt％-1.5wt％，所述Se的含量为0.2wt％-1.0wt％，所述B的含量为0.05wt％-0.5wt％，所述P的含量为0.01wt％-0.8wt％，所述As的含量为0.003-0.3wt％。

7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于该合金还含有0.01wt％-5wt％的组分Y，所述Y选自Sn、Ni和Co中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Sn的含量为0.05wt％-3wt％，所述Ni的含量为0.5wt％-2.5wt％，所述Co的含量为0.1wt％-2wt％。

9.根据权利要求8所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述所述Sn的含量为0.1wt％-1.5wt％，所述Ni的含量为0.6wt％-1.5wt％，所述Co的含量为0.5wt％-1wt％。

10.根据权利要求4所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Cu的含量为47.8wt％-53.5wt％，所述Mn的含量为0.8wt％-6.0wt％。

11.根据权利要求10所述的可切削加工黄铜合金，其特征在于所述Cu的含量为48.9wt％至52.7wt％，所述Mn的含量为1.0wt％-3.9wt％。

12.如权利要求1所述的可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

配料→熔炼→垂直半连铸铸锭→加热挤压→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述垂直半连铸的温度为980℃-1080℃，所述加热挤压温度为550℃-750℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。

13.如权利要求1所述的可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

配料→熔炼→水平连铸铸锭→加热挤压→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述水平连铸的温度为950℃-1080℃，所述加热挤压温度为550℃-750℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火的加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。

14.如权利要求1所述的可切削加工黄铜合金的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：

配料→熔炼→水平连铸棒坯→刨皮→拉拔→去应力退火→校直→定尺→包装；

其中，所述水平连铸的温度为950℃-1080℃，所述去应力退火温度为200℃-400℃，所述去应力退火的加热速率为2-50℃/分钟，所述去应力退火的冷却速度为5-50℃/分钟。