CN105177343A - 一种易切削铜合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易切削铜合金及其制造方法。其特点是，组成为：1.80～2.00wt％的Be、0.2～0.6wt％的Co+Ni、0.2～0.6wt％的Pb、0.4～0.8wt％的Sn、0.8～1.2wt％的Bi，以及≤0.15wt％的Fe，≤0.15wt％的Al，≤0.15wt％的Si，余量为Cu。本发明的铜合金是在铅黄铜和加铅铍青铜等易切削铜合金的基础上适量的加入其他能够改善材料切削性能的元素，如：Sn、Bi、Mg、Pb等其他元素进一步通过元素交互作用和元素特性达到改善切削性能的目的，同时保证原有的高弹性性能、弹性弛豫、滞弹性性能、高硬度等优点的基础上进一步提高材料的切削性能。

Description

一种易切削铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种易切削铜合金及其制造方法。

背景技术

易切削铜合金是在原有铜基体的基础上添加部分低熔点、脆性、不易合金化和以游离单质形态分布于铜基体的晶界和晶内的铜合金，此种铜合金不但具有铍青铜合金高的强度、弹性、硬度、耐磨性、导电性、导热性、冲击无火花、抗疲劳等优点，还独有其他铍青铜合金不具备的优异的切削性能，经济效益非常突出被广泛应用于电子、汽车、化工、机械等行业。

现有技术的缺点主要在于：单一添加铅元素改善的切削性能存在一定局限，切削数量达到一定数量后无法在提高。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种易切削铜合金，能够进一步提高该材料的切削性能，同时提高了材料的加工性能和降低材料的开裂倾向；

本发明的目的之二是提供一种上述易切削铜合金的制造方法。

一种易切削铜合金，其特别之处在于，组成为：1.80～2.00wt％的Be、0.2～0.6wt％的Co+Ni、0.2～0.6wt％的Pb、0.4～0.8wt％的Sn、0.8～1.2wt％的Bi，以及≤0.15wt％的Fe，≤0.15wt％的Al，≤0.15wt％的Si，余量为Cu。

其中Co+Ni中的Co和Ni以任意比例组合。

一种易切削铜合金的制造方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)筑炉：采用中频真空感应熔炼，在熔炼前进行筑炉作业，得到带有中频感应线圈的熔炉坩埚；

(2)风干；

(3)烘干：通过中频感应线圈送电烘干熔炉坩埚；

(4)配料：按照权利要求1中记载的配比进行配料，各原料分别采用返回料、电解铜、电解镍、电解钴、铅板、锡块、铋块和铍青铜母合金；

(5)烘料：将配好的原料放置于电热炉内，温度调至300～500℃之间，保温3～5小时；

(6)装炉：将原料中的电解铜和返回料装入熔炉坩埚中熔化后进行搅拌；

(7)合炉：将熔炉坩埚的炉体外罩合并，密封；

(8)抽空：将炉体内抽真空；

(9)熔炼：将前期加入的电解铜和返回料进行熔炼，直至物料完全熔化，然后将母合金、电解镍、电解钴和铅用紫铜皮包裹添加入合金熔液中；

(10)破空：将熔炉坩埚的炉体外罩打开，将炉体内负压放至标准大气压下；

(11)搅拌：采用石墨棒对熔化的熔液进行搅拌；

(12)扒渣：采用石墨扒渣勺将搅拌后的悬浮杂质捞出；

(13)添加：将锡块和铋块用紫铜皮包裹加入熔化的熔液中，并用搅拌石墨棒将其压入熔池底部，静置3-5分钟后充分搅拌；

(14)合炉：将熔炉坩埚的炉体外罩合并，密封；

(15)抽空：将炉体内抽真空；

(16)保温精炼：控制温度范围为1200～1600℃，保温20～30分钟，进行精炼作业；

(17)破空：将熔炉坩埚的炉体外罩打开，将炉体内负压放至标准大气压下；

(18)出炉：将熔炉坩埚进行翻转，将熔液倾倒于中间包内；

(19)物料转移：将中间包吊至铸造机旁，采用烧蚀后的稻草灰覆盖于中间包上部，将中间包放置于电热炉内，设定温度400～600℃保温8～12小时；

(20)铸造：用铸造机铸锭；

(21)锯切：切除引锭头部和铸造缩尾；

(22)车外圆：将得到的铸锭外圆车制为所需的规格即可。

步骤(1)中的筑炉作业具体是首先将耐火材料添加液态水玻璃后进行混合搅拌，充分搅拌均匀后，将坩埚放置在中频感应线圈的中心，用耐火布将坩埚与中频感应线圈隔开，再将前述混合均匀的耐火材料填充在坩埚和中频感应线圈的中间缝隙里进行筑炉。

进一步的，其中耐火材料按重量比例组成为粗镁砂：细镁砂：硼砂＝6-8:2-3：1-2；其中筑炉步骤具体采用逐层筑炉，每填充80～100mm高度用工具将筑炉料夯实直至筑炉完成。

进一步的，其中坩埚采用石墨坩埚或氧化镁坩埚。

步骤(2)中风干具体是指将筑好的熔炉坩埚在自然条件下风干12～48小时。

步骤(3)中送电功率控制在15KW～160KW，时间控制在1～16小时。

步骤(20)中铸造具体是采用丝杠半连续铸造机，将中间包内熔化的溶液缓慢的倾倒于流槽内，通过流槽缓慢流入水冷铜套的结晶器，将结晶器内金属液面控制在距离结晶器上沿50～80mm，且溶液液面上添加烟灰即颗粒状的石墨粉末以覆盖，待金属液面至规定高度时缓慢开启丝杠电极进行起壳和抽锭作业，其中在起壳阶段将抽锭频率设定为3～5HZ、起铸抽锭阶段将抽锭频率设定为5～8HZ、稳定铸造阶段将抽锭频率设定为6～12HZ进行稳定铸造。

步骤(4)中的返回料是指生产铍青铜合金加工产品的料头和机加屑通过再次熔铸得到的圆形铸锭，其中Be含量在1.6wt％～1.95wt％，Ni和Co的含量在0.2wt％～0.6wt％。

本发明的铜合金是在铅黄铜和加铅铍青铜等易切削铜合金的基础上适量的加入其他能够改善材料切削性能的元素，如：Sn、Bi、Mg、Pb等其他元素进一步通过元素交互作用和元素特性达到改善切削性能的目的，同时保证原有的高弹性性能、弹性弛豫、滞弹性性能、高硬度、高耐磨性、一定的高温性能、高导电性、高导热性、冲击无火花、抗疲劳性能和蠕变性能的优点的基础上进一步提高材料的切削性能。

具体实施方式

本发明提供了一种构成为Cu-Be-Co-Ni-Pb-Sn-Bi的铜基合金，主要采用中频真空感应熔炼和丝杠半连续铸造的多元铜合金铸锭。合金的名义成分为：(余量)Cu-(1.80～2.00wt％)Be-(0.2～0.6wt％)(Co+Ni)-(0.2～0.6wt％)Pb-(0.4～0.8wt％)Sn-(0.8～1.2wt％)Bi-≤0.15wt％Fe-≤0.15wt％Al-≤0.15wt％Si。

本发明的工艺主要特点是：

添加部分低熔点、脆性元素、部分元素以游离态的形式均匀分布于晶界和晶内，从而阻断晶界的连续分布，降低晶界强度，一部分均匀弥散分布于晶内降低基体的强度和利用元素合金化时的交互影响作用，从而大大的提高材料的切削性能。

另外，通过多元合金化或元素添加可以在现有技术的添加元素基础上进一步提高材料的切削性能，达到进一步提高切削性能的目的，本发明是在现有技术的基础上通过进一步添加提高切削性能的元素和综合考虑多元元素添加的合金化和元素分布、形成机理及不同元素的交互作用从而达到进一步提高切削性能的目的，进而解决现有技术所能达到的水平，突破现有技术的瓶颈，使得进一步提高材料的切削性能。基于以上采用多元易切削元素的共同添加从而进一步提高材料的易切削性能和切削的数量，从而大大提高生产效率和节约切削刀具的成本和成产成本，是对背景技术中单一添加铅元素的改进。

现有技术合金中加入一定量的铅，而本发明将铅的含量适度降低，由于铅元素属于低熔点金属，与铜基体不发生合金化，以游离单质形态分布于铜基体的晶界，所以易导致材料加工性能的下降和压力加工过程中的开裂，将铅元素的添加量适度降低，在保证材料应有的切削性能的基础上，同时提高了材料的加工性能和降低材料的开裂倾向。提高材料的利用率和收率。现有技术只加入铅元素作为改善切削性能元素，达到一定切削数量时已经到了材料的极限，无法突破瓶颈继续提高；本发明在添加适量铅元素的基础上又添加了部分其他改善切削性能的元素，如：Sn、Bi等元素，可以进一步提高材料的切削性能，突破材料的技术瓶颈，同时不同元素的添加还可以通过利用元素之间的交互作用进一步抑制元素的偏析、性能的降低等。

本发明方法制造的易切削铜合金适用于生产航空、航天及民用电连接器使用的易切削铜合金线材的铸造坯料。

实施例1：

筑炉→风干→烘干→配料→烘料→装炉→合炉→抽空→熔炼→破空→搅拌→扒渣→添加→合炉→抽空→保温精炼→破空→出炉→物料转移→铸造→锯切→车外圆→成份分析。

1、筑炉：

使用最大装炉量为200Kg的真空感应熔炼炉，额定功率280KW，感应线圈直径700mm，使用热等静压压制成型的石墨坩埚，坩埚直径为450mm，辅助材料为：石棉布、硼砂、粗镁砂、细镁砂、粘土、(液态)水玻璃。

先用石棉布将感应线圈内圈整体覆盖，再将石墨坩埚放置于感应线圈中心内部，再将硼砂、粗镁砂、细镁砂、(液态)水玻璃按一定比例(其中耐火材料按重量比例组成为粗镁砂：细镁砂：硼砂＝7:2：1，水玻璃适量即可，可参考搅拌水泥砂浆)均匀混合搅拌，将搅拌好的坩埚打料填充于坩埚和石棉布之间的空隙，每次添加沿坩埚外圆周均匀添加打料，并用铁制夯料棒将坩埚打料夯实，再逐层添加打料夯实，每次50mm直至将内圆间隙完全填充，最后将粘土、细镁砂、水玻璃按照上述比例混合均匀，砌筑在最终得到的坩埚上沿，并砌筑浇筑嘴和溜槽，即完成筑炉作业。

2、风干：

将砌筑好的坩埚自然条件下风干48小时，目的是将潮湿的打料自然风干挥发出内部的水蒸气，缓慢挥发不易造成砌筑的炉体开裂，或者计速的膨胀造成石墨坩埚的胀裂，另外挥发掉水蒸气将不会影响熔炼后的铸造气孔的产生。

3、烘干：

将风干后的炉体进行送电升温分别在10KW功率保持8小时，25KW功率保持8小时，80KW功率保持4小时，100KW功率保持4小时，120KW功率保持2小时进行烘干；

4、配料：

按照总装炉量为200Kg进行配料，按照40％的返回料(俗称元宝锭，是生产铍青铜合金加工产品的料头和机加屑通过再次熔铸生产的圆形铸锭，并对铸锭进行火花直读光谱仪分析确定其中的Be、Ni、Co等元素的含量，其中Be含量在1.6wt％～1.95wt％，Ni和Co的含量在0.2wt％～0.6wt％)，返回料是申请人自己的加工边角料，进行二次熔炼利用，也是同种合金的边角料的二次熔铸和使用，配比为80Kg。

母合金(采用铍珠和纯铜通过电弧炉熔炼的铍含量在2-5wt％的中间合金)74Kg。

电解铜(阴极铜，按照GB/T5231)添加43Kg；块状铅(4N级99.99％)0.60Kg；电解钴(99.5％)0.31Kg；4N锡(含量99.99％)1.17Kg；块状4N铋(含量99.99％)1.90Kg；完成配料(不添加电解镍)。

5、烘料：

将上述配好的物料放入托料盘中放入台车式电阻炉中加热400℃保温4小时进行烘干，目的将物料中含有的水汽充分的蒸发掉，防止熔炼过程中由于水汽的存在分解造成的气孔产生。

6、装炉：

先将元宝锭放入熔炼坩埚中，120KW功率(温度范围为1350℃～1450℃)进行熔化，再将电解铜、母合金(用紫铜皮包裹)放入熔化的熔液中。

7、合炉：

将真空熔炼炉(真空感应熔炼炉)外壳通过液压合紧：

8、抽空：打开机械泵、罗茨泵等真空系统泵阀进行抽空，将真空炉内压抽至小于2×10^-1Pa；

9、熔炼：将上述装炉物料在120KW(温度范围为1350℃～1450℃)的功率下进行熔炼，熔炼时间为50分钟；

10、破空：

打开真空阀，破真空；

11、搅拌：

使用烘干后的石墨棒，在熔液中反复搅拌均匀使熔液中的杂质上浮；

12、扒渣：

使用烘干后的石墨扒渣勺将上浮在熔液表面的杂质彻底清理干净，得到清澈的熔液；

13、添加：

此时最后将块状的电解镍、铅块、锡块、铋块放入熔液中进行合金化熔炼；

14、合炉：

将真空熔炼炉外壳通过液压合紧；

15抽空：

打开机械泵、罗茨泵等真空系统泵阀进行抽空，将真空炉内压抽至小于2×10^-1Pa；

16、保温精炼：

将熔炼功率调节到180KW(温度范围为1200～1600℃)，合炉保温精炼45分钟；

17、破空：

打开真空阀，破真空。

18、出炉：

调节液压阀将炉体缓慢倾斜，将炉内的熔液倾注在中间包中，上表面覆盖处理(具体使用稻草灰覆盖)、保温(将中间包放置于井式电阻炉内，设定温度500℃保温10小时)和隔离空气。

20、物料转移：

使用天车将装满熔液的中间包吊至半连续铸造机处放置于铸造架内；

21、铸造：

将中间包缓慢倾斜，使熔液缓慢注于引流槽内，通过引流槽将熔液导入水冷结晶器中，结晶器为圆形结晶器，外壳为优质钢，内层为水冷铜套，两层中间冲入压力为0.6MPa的循环水，水冷铜套的下延处均匀间隔有142个孔进行喷水，倾斜角度为45°，启动丝杠半连续铸造机，将下降速率设定5HZ，将熔液注满结晶器，液面距离结晶器上沿不超过80mm，进行起壳铸造缓慢抽出，起壳后缓慢将铸造速度调节到8HZ进行初始铸造，铸造200mm、待稳定后将铸造速度调节到12HZ进行稳定铸造阶段直至铸造完成。得到铸锭尺寸为：直径114mm～280mm。

22、锯切：

采用通用的卧式带锯床将铸锭的头部锯切和铸造缩尾进行锯切，铸造头部锯切不小于80mm，铸造缩尾锯切不小于150mm，保证将铸造缩尾完全去除；

23、车外圆：

将铸锭表面的高渣层使用通用的卧式车床进行车屑加工，去除量单边不小于6mm；

24、成分检验：

在熔炼过程中取圆柱形试样，并使用车床将圆柱形试样端面车平，表面粗糙度Ra≤12.5μm两个端面平齐，使用火花直读光谱仪进行成分分析，具体结果Be：1.98％、Ni：0.54％、Pb：0.45％、Sn：0.67％、Bi：0.96％、Fe：0.09％、Al：0.04％、Si：0.032％，余量为Cu。

Claims (10)

1.一种易切削铜合金，其特征在于，组成为：1.80～2.00wt％的Be、0.2～0.6wt％的Co+Ni、0.2～0.6wt％的Pb、0.4～0.8wt％的Sn、0.8～1.2wt％的Bi，以及≤0.15wt％的Fe，≤0.15wt％的Al，≤0.15wt％的Si，余量为Cu。

2.如权利要求1所述的一种易切削铜合金，其特征在于：其中Co+Ni中的Co和Ni以任意比例组合。

3.一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)筑炉：采用中频真空感应熔炼，在熔炼前进行筑炉作业，得到带有中频感应线圈的熔炉坩埚；

(2)风干；

(3)烘干：通过中频感应线圈送电烘干熔炉坩埚；

(4)配料：按照权利要求1中记载的配比进行配料，各原料分别采用返回料、电解铜、电解镍、电解钴、铅板、锡块、铋块和铍青铜母合金；

(5)烘料：将配好的原料放置于电热炉内，温度调至300～500℃之间，保温3～5小时；

(6)装炉：将原料中的电解铜和返回料装入熔炉坩埚中熔化后进行搅拌；

(7)合炉：将熔炉坩埚的炉体外罩合并，密封；

(8)抽空：将炉体内抽真空；

(9)熔炼：将前期加入的电解铜和返回料进行熔炼，直至物料完全熔化，然后将铍青铜母合金、电解镍、电解钴和铅板用紫铜皮包裹添加入合金熔液中；

(10)破空：将熔炉坩埚的炉体外罩打开，将炉体内负压放至标准大气压下；

(11)搅拌：采用石墨棒对熔化的熔液进行搅拌；

(12)扒渣：采用石墨扒渣勺将搅拌后的悬浮杂质捞出；

(13)添加：将锡块和铋块用紫铜皮包裹加入熔化的熔液中，并用搅拌石墨棒将其压入熔池底部，静置3-5分钟后充分搅拌；

(14)合炉：将熔炉坩埚的炉体外罩合并，密封；

(15)抽空：将炉体内抽真空；

(16)保温精炼：控制温度范围为1200～1600℃，保温20～30分钟，进行精炼作业；

(17)破空：将熔炉坩埚的炉体外罩打开，将炉体内负压放至标准大气压下；

(18)出炉：将熔炉坩埚进行翻转，将熔液倾倒于中间包内；

(19)物料转移：将中间包吊至铸造机旁，采用烧蚀后的稻草灰覆盖于中间包上部，将中间包放置于电热炉内，设定温度400～600℃保温8～12小时；

(20)铸造：用铸造机铸锭；

(21)锯切：切除引锭头部和铸造缩尾；

(22)车外圆：将得到的铸锭外圆车制为所需的规格即可。

4.如权利要求3所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：步骤(1)中的筑炉作业具体是首先将耐火材料添加液态水玻璃后进行混合搅拌，充分搅拌均匀后，将坩埚放置在中频感应线圈的中心，用耐火布将坩埚与中频感应线圈隔开，再将前述混合均匀的耐火材料填充在坩埚和中频感应线圈的中间缝隙里进行筑炉。

5.如权利要求4所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：

其中耐火材料按重量比例组成为粗镁砂：细镁砂：硼砂＝6-8:2-3：1-2；其中筑炉步骤具体采用逐层筑炉，每填充80～100mm高度用工具将筑炉料夯实直至筑炉完成。

6.如权利要求4所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：其中坩埚采用石墨坩埚或氧化镁坩埚。

7.如权利要求3所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：步骤(2)中风干具体是指将筑好的熔炉坩埚在自然条件下风干12～48小时。

8.如权利要求3所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：步骤(3)中送电功率控制在15KW～160KW，时间控制在1～16小时。

9.如权利要求3所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：步骤(20)中铸造具体是采用丝杠半连续铸造机，将中间包内熔化的溶液缓慢的倾倒于流槽内，通过流槽缓慢流入水冷铜套的结晶器，将结晶器内金属液面控制在距离结晶器上沿50～80mm，且溶液液面上添加烟灰即颗粒状的石墨粉末以覆盖，待金属液面至规定高度时缓慢开启丝杠电极进行起壳和抽锭作业，其中在起壳阶段将抽锭频率设定为3～5HZ、起铸抽锭阶段将抽锭频率设定为5～8HZ、稳定铸造阶段将抽锭频率设定为6～12HZ进行稳定铸造。

10.如权利要求3所述的一种易切削铜合金的制造方法，其特征在于：步骤(4)中的返回料是指生产铍青铜合金加工产品的料头和机加屑通过再次熔铸得到的圆形铸锭，其中Be含量在1.6wt％～1.95wt％，Ni和Co的含量在0.2wt％～0.6wt％。