CN105349828A - 铜合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu？60.5～62.0％；Mn？2.1～2.7％；Si？0.7～1.2％；Pb？0.5～1.1％；Ni？0.1～0.5％；Al？0.01～0.3％；Fe？0.01～0.3％；其它不可避免的杂质＜0.6％；余量为Zn。此外，本发明还提供了其制备方法，通过立式半连铸、热挤压后，结合冷塑性变形工艺，确保材料抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度高且同时具有较好的切屑性能。

Description

铜合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属冶炼技术领域，尤其涉及一种铜合金材料及其制备方法。
背景技术
多元复杂铜合金材料具有优异的综合性能，广泛用于工程机械、汽车等行业。随着这些行业对材料性能要求的不断提高，开发出具有良好的综合性能，如较高的抗拉强度，屈服强度，良好的塑性，可靠硬度，较好的切屑性能尤其是在高温下或有油环境等复杂运用环境中具备较好综合性能的材料成为当务之急。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度高且同时具有较好的切屑性能的铜合金基体材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
Cu60.5～62.0％；
Mn2.1～2.7％；
Si0.7～1.2％；
Pb0.5～1.1％；
Ni0.1～0.5％；
Al0.01～0.3％；
Fe0.01～0.3％；
其它不可避免的杂质＜0.6％；
余量为Zn。
另一方面，本发明提供了所述的铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤A，提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料；
步骤B，往中频电炉中加入部分屑料、精炼剂和Cu块，升温熔化；
步骤C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金与Cu-Mn合金，同时预热Zn块；
步骤D，待全部熔化后，降温至950～1000℃，加入Pb块、Zn块和Cu-P合金；
步骤E，精炼除渣后将温度调整至1080℃以上，将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1020～1120℃，进行立式半连铸。
本发明的有益效果如下：
Mn：在以铜锌为基体的材料中添加适量的Mn元素，可提高材料强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性、热稳定性及强度；
Si：在以铜锌为基体的材料中添加适量的Si元素，可提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性，同时增加铜液的流动性，减少缩松产生，提高铸造质量；
Pb：在材料中添加适量的Pb元素，可提高材料切削加工性能，减小磨擦因数，保证其后续针对液压、工程机械和汽车行业进行精密加工时，具有更好的加工性能，更易达到更好的精度等级；
Al：在本材料中，必须严格控制Al的含量。主要原因是在黄铜合金材料中，Al-Mn-Si三元强化相和Mn-Si二元强化相都具有提高材料硬度、强度和耐磨性的功能。但Al元素的加入，会导致材料硬度的大幅提升，从而降低材料塑性；此外，对于铸造、挤压态的铜合金材料，采取后续冷拉塑性变形，进一步细化材料晶粒，优化材料性能。因此，必须抑制Al元素的含量，使其只产生Mn-Si二元强化相；
Fe：Fe元素可提高材料强度、硬度等性能，但同样会降低材料塑性，因此也必须严格控制Fe元素的加入；
杂质元素：为保证材料具有较好的塑性，便于后续冷塑性变形工艺生产，在材料中必须严格控制各种杂质元素的加入量。
本发明的铜合金材料的制备方法通过冷塑性变形工艺，使其材料组织更致密、材料晶粒更加细化，提高材料综合性能水平。为达到该工艺要求，第一方面必须严格控制Al、Fe元素的添加，使其主要产生Mn-Si二元强化相；第二方面严格控制Al、Fe以及其他所有杂质元素的总量；第三方面严格控制铜合金熔炼过程中Cu-P脱氧剂的加入量。使其材料更加纯净，同时保证材料具备较好的塑性性能。
此外，本发明铜合金材料的制备方法通过立式半连铸、热挤压，后结合冷拉塑性变形工艺，在挤压态的基础上，进一步提高材料强度、细化材料晶粒。采取冷拉塑性变形后，配合热处理工艺，让铜合金材料从硬态回复至半硬态，使其仍具有一定的塑性性能和抗冲击韧性。确保材料在液压、工程机械和汽车行业等恶劣工况下具有较好的性能。
具体实施方式
本发明提供了一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
Cu60.5～62.0％；
Mn2.1～2.7％；
Si0.7～1.2％；
Pb0.5～1.1％；
Ni0.1～0.5％；
Al0.01～0.3％；
Fe0.01～0.3％；
其它不可避免的杂质＜0.6％；
余量为Zn。
优选的，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
Cu60.8～61.5％；
Mn2.3～2.6％；
Si0.9～1.1％；
Pb0.6～0.9％；
Ni0.1～0.4％；
Al0.03～0.1％；
Fe0.03～0.1％；
Zn33.2～35.5％；
其它不可避免的杂质＜0.5％。
另一方面，本发明提供了所述的铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤A，提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料；
步骤B，往中频电炉中加入部分屑料、精炼剂和Cu块，升温熔化；
步骤C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金与Cu-Mn合金，同时预热Zn块；
步骤D，待全部熔化后，降温至950～1000℃，加入Pb块、Zn块和Cu-P合金；
步骤E，精炼除渣后将温度调整至1080℃以上，将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1020～1120℃，进行立式半连铸。
优选的，所述Cu-Si20合金中Si的质量百分含量为18～22％，其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的2～4％。
优选的，所述Cu-Mn合金中Mn的质量百分含量为32～36％，其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的3～6％。
优选的，所述Al-Ni40合金中Ni的质量百分含量为38～42％，其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的0.2～0.6％。
优选的，所述Cu-P合金中P的质量百分含量为12-16％,其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的0.03～0.09％。
优选的，所述步骤E之后还包括步骤F，将铸锭切断，在650～750℃温度下挤压成型。
优选的，所述步骤F之后还包括步骤G，在300～600mm/min速度条件下进行冷轧。
优选的，所述步骤G之后还包括步骤H，在240～320℃保温2～4小时的条件下进行热处理。
优选的，所述步骤H之后还包括步骤I，在矫直辊转速300～600r/min条件下进行矫直，再在200～280℃保温0.5～1.5小时的条件下进行去应力退火。
具体的，本发明的铜合金基体材料在后续加工过程中，会产生部分屑料，以及在生产和使用过程中产生的废弃的成型回炉料，可以对这部分屑料和成型回炉料进行再回收利用。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu60.50％；Zn35.50％；Al0.01％；Pb0.50％；Si0.70％；Mn2.10％；Ni0.10％；Fe0.01％；其它杂质0.58％。
首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料。
先在中频电炉中加入200Kg屑料，以及1Kg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据熔炼炉屑料熔化情况，补加屑料，并且每次加屑料时加入精炼剂1Kg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的屑料；将Zn块放在炉口烘烤预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量屑料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入0.3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080℃以上，取样，调整元素组成至指定质量百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1020℃，进行立式半连铸，铸造速度为1046Kg/h；
最后，将铸锭切断至一定长度后在650℃温度下挤压到所需的管材尺寸；在300mm/min速度条件下进行冷轧；在240℃保温2小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速300r/min条件下进行矫直，再在200℃保温0.5小时的条件下进行去应力退火。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu60.80％；Zn34.73％；Al0.03％；Pb0.60％；Si0.90％；Mn2.30％；Ni0.21％；Fe0.03％；其它杂质0.40％。
首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料。
先在中频电炉中加入200Kg屑料，以及1Kg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据熔炼炉屑料熔化情况，补加屑料，并且每次加屑料时加入精炼剂1Kg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的屑料；将Zn块放在炉口烘烤预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量屑料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入0.3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080℃以上，取样，调整元素组成至指定质量百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1050℃，进行立式半连铸，铸造速度为1100Kg/h；
最后，将铸锭切断至一定长度后在670℃温度下挤压到所需的管材尺寸；在380mm/min速度条件下进行冷轧；在240℃保温2小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速380r/min条件下进行矫直，再在220℃保温1小时的条件下进行去应力退火。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu61.18％；Zn33.50％；Al0.10％；Pb1.00％；Si1.10％；Mn2.41％；Ni0.30％；Fe0.05％；其它杂质0.36％。
首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料。
先在中频电炉中加入200Kg屑料，以及1Kg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据熔炼炉屑料熔化情况，补加屑料，并且每次加屑料时加入精炼剂1Kg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的屑料；将Zn块放在炉口烘烤预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量屑料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入0.3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080℃以上，取样，调整元素组成至指定质量百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1070℃，进行立式半连铸，铸造速度为1150Kg/h；
最后，将铸锭切断至一定长度后在690℃温度下挤压到所需的管材尺寸；在460mm/min速度条件下进行冷轧；在260℃保温2小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速460r/min条件下进行矫直，再在240℃保温1小时的条件下进行去应力退火。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu61.50％；Zn32.90％；Al0.20％；Pb1.00％；Si1.15％；Mn2.50％；Ni0.40％；Fe0.10％；其它杂质0.25％。
首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料。
先在中频电炉中加入200Kg屑料，以及1Kg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据熔炼炉屑料熔化情况，补加屑料，并且每次加屑料时加入精炼剂1Kg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的屑料；将Zn块放在炉口烘烤预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量屑料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入0.3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080℃以上，取样，调整元素组成至指定质量百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1100℃，进行立式半连铸，铸造速度为1200Kg/h；
最后，将铸锭切断至一定长度后在710℃温度下挤压到所需的管材尺寸；在520mm/min速度条件下进行冷轧；在280℃保温3小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速520r/min条件下进行矫直，再在260℃保温1.5小时的条件下进行去应力退火。
实施例5：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu62.00％；Zn31.90％；Al0.30％；Pb1.10％；Si1.20％；Mn2.70％；Ni0.50％；Fe0.30％；其它杂质0.00％。
首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料。
先在中频电炉中加入200Kg屑料，以及1Kg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据熔炼炉屑料熔化情况，补加屑料，并且每次加屑料时加入精炼剂1Kg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的屑料；将Zn块放在炉口烘烤预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量屑料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入0.3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080℃以上，取样，调整元素组成至指定质量百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1120℃，进行立式半连铸，铸造速度为1236Kg/h；
最后，将铸锭切断至一定长度后在750℃温度下挤压到所需的管材尺寸；在600mm/min速度条件下进行冷轧；在320℃保温4小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速600r/min条件下进行矫直，再在280℃保温1.5小时的条件下进行去应力退火。
表1
在GB/T228B试验条件下，采用GB/T228.1-2010试验方法进行力学性能试验，试验结果见表2。
表2
由表2可知，本发明提供的铜合金材料硬度可达到HB150以上，抗拉强度可达到500MPa以上，屈服强度可达到380MPa以上，延伸率可达到10％以上。

Claims (9)

1.一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
2.如权利要求1所述的铜合金基体材料，其由以下质量百分比的元素组成：
3.如权利要求1所述的铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤A，提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原料，以及屑料；
步骤B，往中频电炉中加入部分屑料、精炼剂和Cu块，升温熔化；
步骤C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金与Cu-Mn合金，同时预热Zn块；
步骤D，待全部熔化后，降温至950～1000℃，加入Pb块、Zn块和Cu-P合金；
步骤E，精炼除渣后将温度调整至1080℃以上，将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1020～1120℃，进行立式半连铸。
4.如权利要求3所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述Cu-Mn合金中Mn的质量百分含量为32～36％，其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的3～6％。
5.如权利要求3所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述Cu-P合金中P质量百分含量为12～16％，其余为Cu，加入量为铜合金材料原料质量总量的0.03～0.09％。
6.如权利要求3所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤E之后还包括步骤F，将铸锭切断，在650～750℃温度下挤压成型。
7.如权利要求6所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤F之后还包括步骤G，在300～600mm/min速度条件下进行冷轧。
8.如权利要求7所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤G之后还包括步骤H，在240～320℃保温2～4小时的条件下进行热处理。
9.如权利要求8所述的铜合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤H之后还包括步骤I，在矫直辊转速300～600r/min条件下进行矫直，再在200～280℃保温0.5～1.5小时的条件下进行去应力退火。
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