CN107299247B - 一种生产复杂异型端面棒材的铜合金及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产复杂异型端面棒材的铜合金，其特征在于，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57～61％，Pb：0.2～3.5％，Fe：0.1～0.5％，Sn：0.1～0.5％，Al：0.02～0.2％，Ti、Zr、Ta、B、P、C中的至少一种：各计0.0001～0.025％，余量为Zn及不可避免的杂质。本发明的合金组织均匀、热、冷加工性能均优良，在生产复杂异型端面型材时，能克服不均匀变形应力大的问题，避免了异型面尺寸差异太大而易发生的变形。本发明还公开了一种生产复杂异型端面棒材的方法，包括以下步骤：(1)配料；(2)精炼铸锭；(3)挤压；(4)成型。本发明的方法采用通用的加工设备，步骤简单，可操作性强。

Description

一种生产复杂异型端面棒材的铜合金及方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其是涉及一种生产复杂异型端面棒材的铜合金及方法。

背景技术

通常，铜合金加工棒材的主要形状规格以圆形为主，异型材主要形状是正方、正六角、矩形，已形成标准化。若后续加工复杂形状的产品，主要通过车、铣、刨加工完成，加工的效率低，材料的利用率低。棒材锻坯经过热模锻的方法，可以生产多种不同形状的锻件，通常用圆形棒做坯料，对于形状复杂的锻件，金属的流变会受到影响，出现充模不满、应力不均而产生锻造缺陷等，为了保证锻造质量，坯料的裕量设计较多，锻造后的飞边就大，材料的利用率低。

工业设计的技术进步和人们对机加工的高效率要求、成本降低的要求，促使复杂形状向材料前移，这样就可以减少制作元件过程中的工序，大大提高加工效率和材料利用率，提高后续产品的品质，对于批量生产制造尤其重要。但异型材的制造难度大，工艺要求高。

检索有关异型材制造技术，专利CN104148884介绍了一种异型钢材的生产方法，所涉及产品形状是正六角形状，加工方法是圆棒经3次拉伸加工成品。专利CN104174685公开了一种近似梯形的异型不锈钢材的生产方法：获得挤压用坯料—热挤压比目标尺寸大30％面积的近似形状挤压坯—冷拔4次，每次冷拔前压矫、表面处理、去应力退火。该方法流程长，工序多，说明现有技术存在明显不足。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，提供了一种组织均匀，热、冷加工性能均优良，在生产复杂异型端面型材时能克服不均匀变形应力大的问题，避免异型面尺寸差异太大而易发生的变形的用于生产复杂异型端面棒材的铜合金。

本发明还提供了一种生产复杂异型端面棒材的方法，采用通用的加工设备，步骤简单，可操作性强。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于生产复杂异型端面棒材的铜合金，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57～61％，Pb：0.2～3.5％，Fe：0.1～0.5％，Sn：0.1～0.5％，Al：0.02～0.2％，Ti、Zr、Ta、B、P、C中的至少一种：各计0.0001～0.025％，余量为Zn及不可避免的杂质。本发明述及的合金是一种易切削多元复杂黄铜，是一种α+β+Pb相合金，元素铁起到强化合金的作用，由于溶解度有限，铁质点能起到形核作用细化晶粒，特别是当合金中含有少量Al、P时，细化作用更好一些，但满足不了特殊要求的苛刻工艺。锡在二相黄铜中有一定的溶解度，锡元素对合金的强化作用是固溶强化，同时由于锡和铅在合金熔体中无限互溶，在183℃共晶分解，锡有促使铅均匀分散的作用，改善铅在合金中的分布，避免铅聚集，优化切削性能。合金中添加微量Ti、或同时添加Ti、B，细化效果更好，添加微量的Zr、Ta净化合金，对晶粒细化有协同效果。C元素主要由碳化物熔剂熔入，和Zr、Ta共同作用，变质效果更好，对材料的切削性能有益。本发明的合金组织均匀、热、冷加工性能均优良，在生产复杂异型端面型材时，能克服不均匀变形应力大的问题，避免了异型面尺寸差异太大而易发生的变形。

作为优选，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57～61％，Pb：0.7～3.0％，Fe：0.15～0.4％，Sn：0.15～0.4％，Al：0.02～0.08％，Ti：0.0001～0.003％，B：0.0001～0.001％，余量为Zn和不可避免的杂质。

作为优选，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57～61％，Pb：0.7～3.0％，Fe：0.15～0.45％，Sn：0.15～0.4％，Al：0.02～0.10％，Zr：0.0001～0.003％，P：0.01～0.025％，余量为Zn和不可避免的杂质。

作为优选，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57～61％，Pb：0.7～3.0％，Fe：0.1～0.5％，Sn：0.1～0.5％，Al：0.02～0.15％，Ta：0.0001～0.002％，C：0.0001～0.004％，余量为Zn和不可避免的杂质。

一种生产复杂异型端面棒材的方法，包括以下步骤：

(1)配料：以废杂铜为原料，根据上述用于生产复杂异型端面的铜合金的元素组成进行配料。

(2)精炼铸锭：采用熔炼炉+精炼炉+保温铸造炉的配置，精炼炉通过导流槽连通熔炼炉和保温炉，首先将原料投入熔炼炉进行初级熔炼并进行合金成分控制，再将熔体经导流槽导流至精炼炉中进行精炼，精炼过程中进行除气和熔剂除杂、除渣，熔体高温热处理1～4小时，转入保温铸造炉水平连铸或立式铸造，生产得到端面组织为均匀的等轴晶，无粗大的柱状晶的铸锭。在精炼炉进行精炼操作，在1020～1120℃采用沸腾的物理方法，以及化学熔剂精炼相结合的方法精炼，进行除气和熔剂除杂、除渣。按上述配比和工艺生产的铸锭，端面组织均布均匀的等轴晶，无粗大的柱状晶。

(3)挤压：铸锭经热挤压生产挤压棒，挤压温度550～760℃。

(4)成型：通过“扒皮+拉伸”的压力加工生产方式，即得到尺寸精度高的异型端面棒材。对于需要进行精加工的异型棒，还要进行后续的冷加工。加工棒的工艺流程为：铸锭加热—挤压异型坯料—头部处理—直拉—精整—异型加工材产品。异型材的拉伸做头比普通圆棒或正多边型难度大，本发明做头采用限位、对中、顶入自动控制传动，解决了制约冷加工的难题。冷加工采取材料去除与变形相结合的方法，控制形状及尺寸精度。包括刨皮整理、拉伸，形状复杂的要经过2-4道次变形，可以连续变形加工，达到目标形状。本发明的材料去除与变形方法和通用技术的不同点，是不均匀变形。圆形或周对称形状的变形，经典的工艺要求是尽可能均匀变形，避免不均匀变形导致弯曲、扭曲，裂纹。复杂异型端面的在变形过程中要加工出形状，特别是在挤压坯料时无法达到的形状和精度要求高的部位。不同部位加工量的设计，局部变形量可大，但该部位的变形量要均匀。和圆形棒材矫直设备技术成熟不同，异型材的矫直是工艺难点，主要在变形加工过程中控制直度，然后辅以矫直。

作为优选，挤压时采用具有孔型区、形状控制区及出口区的多级异型挤压模。根据金属热挤压的流变特点、热塑性，设计挤压模具的孔型，根据合金的收缩比，确定模具尺寸。对尺寸小，挤压抗力大的部位，变形区长度减短，减小变形阻力。挤压模具采用孔型区、控制区、出口区的多级综合设计。孔型区保证产品的形状，控制区保证轮廓，出口区保证挤压坯顺利流出无阻力、无划伤。铸锭在变形区经过挤压成型，不均匀变形可能导致出口弯曲或扭转，若直接进入出口区，则上述缺陷就会保留下来，经过变形区挤压成型的挤压坯直接进入控制区，使形状得到稳定，不均匀变形力得到释放，然后通过出口区牵引。挤压牵引根据挤压比联机设定牵引速度，不会发生牵引变形的问题。在冷床设置矫直机构，可以在热状态进行适度辅助矫直。采用上述技术路线，生产复杂端面异型挤压棒，尺寸精度达到0.5mm，直度达到不大于5mm/m，该结果不低于普通挤压圆棒的尺寸精度。

作为优选，成型采用不均匀变形的加工方法，扒皮延伸整理形状，控制精度。

一种复杂异型端面棒材。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)提供了一种用于生产复杂异型端面棒材的铜合金，合金组织均匀、热、冷加工性能均优良，在生产复杂异型端面型材时，能克服不均匀变形应力大的问题，避免了异型面尺寸差异太大而易发生的变形；

(2)提供了一种生产复杂异型端面棒材的方法，采用通用的加工设备，步骤简单，可操作性强，解决了棒材在冷却过程产生不均匀收缩，出现扭曲、弯曲的问题。

说明书附图

图1是实施例1中弧形挤压棒的形状示意图。

图2是实施例2中扁形加工材的形状示意图。

图3是实施例3中仪表支架用异型棒的形状示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1

弧形挤压棒(见图1)的制造。该型材宽度96mm，弧形厚度最小5mm，这样的宽厚比弧形尺寸，热挤压过程易产生弧度变形，凹陷、不对称等。

该异型棒材生产步骤如下：

(1)配料：以废杂铜为原料，根据生产复杂异型端面的铜合金的元素组成(见表1)进行配料；

(2)精炼铸锭：采用熔炼炉+精炼炉+保温铸造炉的配置，精炼炉通过导流槽连通熔炼炉和保温炉，首先将原料投入熔炼炉进行初级熔炼并进行合金成分控制，再将熔体经导流槽导流至精炼炉中进行精炼，在1020～1120℃采用沸腾的物理方法和化学熔剂精炼相结合的方法精炼，精炼过程中进行除气和熔剂除杂、除渣，熔体高温热处理1～4小时，转入保温铸造炉水平连铸成Φ150mm规格的铸锭。

(3)挤压：铸锭通过天然气炉均匀加热，挤压模具采用组合挤压模，挤压温度区间590～760℃，挤压速度10～35mm/s。挤压坯自动牵引，梯度冷却。

(4)成型：定尺锯切、包装即得弧形挤压棒。得到的异型端面棒材的尺寸符合性见表1。

实施例2

扁形加工材(见图2)的制造。该产品的特点是宽而扁，形状复杂。宽度25mm，厚度最小2.4mm，对称面有六个平行面，边部两边不对称，其一端有锥形平头，最小尺寸仅1.6mm，尺寸精度高。这是一种加工产品，需要经过材料去除和局部塑性变形保证形状和精度，加工过程最容易发生不平、扭曲的问题，合金材料需具备切削性好、塑性好的坯料，在刨削时阻力小，变形时抗力小，才能顺利生产。

本实施例中扁形加工材的生产方法与实施例1的不同之处在于：(1)铜合金的元素组成不同(见表1)；(2)挤压模具孔型设计和成品形状近似，加工裕量约20％。由于该异型材太薄，用磨削的方法做头，小凹槽用刨削的方法完成，不同部位单次刨削量不同，整形部位刨削量稍大，其它平衡部位适当减少，保证拉伸刨皮后，平整不变形。成品经过拉伸整理精度，其余完全相同。得到的异型端面棒材的尺寸符合性见表1。

实施例3

仪表支架用异型棒(见图3)的制造。主要用于仪表支架。该产品下游制造经中断后，不需再对形状加工，效率提高、材料利用率提高。该产品的形状特点是有小棱、斜面和凹槽，保证尺寸、光洁平整、无缺损、无裂纹缺陷是生产的关键。

本实施例中仪表支架用异型棒的生产方法与实施例1的不同之处在于：(1)铜合金的元素组成不同(见表1)；(2)铸锭挤压近终型坯料，做头采用限位、对中、顶入自动控制传动，直接顶头生产，通过刨皮整形生产出成品。该工艺方法生产的产品满足应用要求，其余完全相同。得到的异型端面棒材的尺寸符合性见表1。

表1 各实施例中铜合金的元素组成及异型端面棒材的尺寸符合性

从表1可以看出，通过本发明得到的异型端面棒材形状无变形、符合设计尺寸规格，表面无加工缺陷，断面无缺陷。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (4)

1.一种生产复杂异型端面棒材的铜合金，其特征在于，由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57~61%，Pb：0.7~3.0%，Fe：0.15~0.4%， Sn：0.15~0.4%，Al ：0.02~0.08%，Ti：0.0001~0.003%，B：0.0001~0.001%，余量为 Zn 和不可避免的杂质；

或者由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57~61%，Pb：0.7~3.0%，Fe：0.15~0.45%， Sn：0.15~0.4%，Al：0.02~0.10%，Zr：0.0001~0.003%，P：0.01~0.025%，余量为 Zn 和不可避免的杂质；

或者由以下质量百分含量的元素组成：Cu：57~61%，Pb：0.7~3.0%，Fe：0.1~0. 5%，Sn：0.1~0.5%，Al：0.02~0.15%，Ta：0.0001~0.002%，C：0.0001~0.004%，余量为 Zn 和不可避免的杂质；

所述的生产复杂异型端面棒材的铜合金生产复杂异型端面棒材的方法包括以下步骤：

（1）配料：以废杂铜为原料，根据上述用于生产复杂异型端面的铜合金的元素组成进行配料；

（2）精炼铸锭：采用熔炼炉+精炼炉+保温铸造炉的配置，精炼炉通过导流槽连通熔炼炉和保温炉，首先将原料投入熔炼炉进行初级熔炼并进行合金成分控制，再将熔体经导流槽导流至精炼炉中进行精炼，精炼过程中进行除气和熔剂除杂、除渣，熔体高温热处理 1~4小时，转入保温铸造炉水平连铸或立式铸造，生产得到端面组织为均匀的等轴晶，无粗大的柱状晶的铸锭；

（3）挤压：铸锭经热挤压生产挤压棒，挤压温度 550~760℃；

（4）成型：通过“扒皮+拉伸”的压力加工生产方式，即得到尺寸精度高的异型端面棒材。

2.根据权利要求 1所述的生产复杂异型端面棒材的铜合金，其特征在于，挤压时采用具有孔型区、形状控制区及出口区的多级异型挤压模。

3.根据权利要求 1 所述的生产复杂异型端面棒材的铜合金，其特征在于，成型采用不均匀变形的加工方法，扒皮延伸整理形状，控制精度。

4.一种通过如权利要求 1 所述的生产复杂异型端面棒材的铜合金得到的复杂异型端面棒材。