CN108265195A

CN108265195A - 一种深冲用单相黄铜及其制备方法

Info

Publication number: CN108265195A
Application number: CN201711406562.6A
Authority: CN
Inventors: 瞿福水; 赵向辉; 张宝
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: CN108265195B

Abstract

本发明公开了一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：67‑72wt％铜，0‑0.01wt％铅，0.005‑0.015wt％铁，0.05％‑0.10wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免杂质的总量不大于0.3wt％；黄铜的金相组织为α单相。该单相黄铜的综合性能优于普通黄铜，强度与塑性同步提升，抗拉强度、延伸、硬度达到一个平衡点，适合高速大变形冷热深冲加工，能够满足子弹壳、军舰、航空航天等深冲加工要求。本发明还公开了一种深冲用单相黄铜的制备方法，工艺简单，材料成材率高，操作成本低，具有很好的应用前景。

Description

一种深冲用单相黄铜及其制备方法

技术领域

本发明涉及有色金属加工技术领域，尤其涉及一种深冲用单相黄铜及其制备方法。

背景技术

常用的铜合金分为黄铜、青铜和白铜三大类，以锌为主要添加元素的铜合金称为黄铜。当含锌量低于35％时，室温下的显微组织由单相的α固溶体组成，称为α单相黄铜。α单相黄铜具有非常好的冷加工性能，主要用于子弹壳、军舰、航空航天等高端领域，深冲用高强度环保铜合金是一类很有应用潜力的功能材料。

随着科学技术的进步和兵器工业的迅速发展，其中枪弹的发展较为活跃。一些国家积极采用新技术、新结构、新材料研制新型枪弹，最终目的都增强枪弹的杀伤力，而提高枪弹发射速度是增强枪弹杀伤力的有效方法之一。发射速度提高，对弹壳材料提出了更高要求，必须能经受住高温不变形，散热快等特点。另外，枪弹加工设备、工艺也在不断优化、提升，为进一步提高材料利用率，降低生产成本，提出采用黄铜棒材替代黄铜带材，以大变形冷镦的方式加工弹壳，壳体表面不能起皱、开裂，对所需黄铜性能要求比较苛刻，现有的普通黄铜及其加工工艺已不能满足现代枪弹弹壳对黄铜强度和延伸性能的要求。

例如：CN101215654B公开的高强度黄铜合金，延伸率低。CN102796917B公开了一种高强度黄铜合金及其制造方法，含有2.5-3.0％铅，不环保，同时延伸率低。CN103290256B公开的一种高强度黄铜合金，铜含量75-80％，熔炼需要氩气保护，生产成本高，抗拉强度高，但延伸率低。CN104328305B公开的一种高强度黄铜合金棒材，其熔炼时需加入有毒、有害锇元素，材料不能在高温下使用，仅适用于40℃以下的场合。申请号为201610933437X的专利公开了高强度高延伸黄铜合金带材的加工工艺，其材料抗拉强度大于等于580MPA，延伸率大于等于10％，但原料中需加入两种稀土镧系金属和锰，生产成本高，延伸率偏低，以上材料均不适用于枪弹弹壳。

也就是说，现有的黄铜合金存在以下缺陷：不能满足现代枪弹弹壳对黄铜强度和延伸性能的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种深冲用单相黄铜，其综合性能优于普通黄铜，强度与塑性同步提升，抗拉强度、延伸、硬度达到一个平衡点，适合高速大变形冷热深冲加工，能够满足子弹壳、军舰、航空航天等深冲加工要求。

本发明的目的之二在于提供一种深冲用单相黄铜的制备方法，工艺简单，材料成材率高，操作成本低，具有很好的应用前景。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：67-72wt％铜，0-0.01wt％铅，0.005-0.015wt％铁，0.05％-0.10wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免杂质的总量不大于0.3wt％；所述黄铜的金相组织为α单相。

进一步地，包括按照重量百分比计的以下组分：70.5-71.5wt％铜，0.005-0.008wt％铅，0.007-0.009wt％铁，0.05％-0.07wt％铝，0.2-0.28wt％不可避免杂质，余量为锌。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种深冲用单相黄铜的制备方法，包括：

熔料步骤：将紫杂铜、锌和H65角料投入感应电炉中，待上述物料熔化后，炉温升至1040-1080℃，加入清渣剂，充分搅拌后静止10min以上，进行捞渣，获取合金水，检测所述合金水的成分，若达标(则满足目的之一所述的深冲用单相黄铜的配方)则将获取熔体；若成分不达标，加入铁和铝，熔化后，搅拌均匀，获取熔体；

铸锭步骤：将所述熔体转入1050-1100℃的保温炉中，铸成铸锭；

挤压步骤：待所述铸锭冷却后，加热到700-750℃进行热挤压，获取挤压品；

拉伸、再结晶退火、酸洗步骤：将所述挤压品进行拉伸、再结晶退火和酸洗操作后，得到成品。

进一步地，在所述挤压步骤中，挤压前，挤压筒和挤压模垫预热到300-350℃；挤压比为122-166。

进一步地，在所述挤压步骤中，使用特制润滑剂，所述润滑剂包括按照重量百分比计的以下组分：60-80wt％40#机油，20-40wt％鳞片状石墨粉。

进一步地，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，拉伸操作的总加工率不大于70％。

进一步地，在拉伸、再结晶退火步骤中，进行第一次拉伸和第二次拉伸时，采用的模具均为组合型模具，所述组合型模具包括延伸模和凸型刀口模，所述凸型刀口模的顶面为倾斜面，其倾斜度为20-30°。

进一步地，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，进行再结晶退火操作时，温度为490-510℃。

进一步地，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，依次包括第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸。

进一步地，所述第一次拉伸的加工率为30-35％，所述第三次拉伸的加工率为13-16％。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提供的深冲用单相黄铜，加入铝元素，能够加强高铜材料的流动性，提高拉铸、挤压工序成材率和材料的强度、硬度和耐蚀性；加入适量的铁元素，能够细化材料晶粒，提高强度；控制挤压比，挤压温度避免材料热裂。该单向黄铜的综合性能优于普通黄铜，强度与塑性同步提升，抗拉强度、延伸、硬度达到一个平衡点，适合高速大变形冷热深冲加工，能够满足子弹壳、军舰、航空航天等深冲加工要求；且环保。

(2)本发明所提供的深冲用单相黄铜的制备方法，工艺简单，材料成材率高，操作成本低，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1所提供的挤压线坯金相组织的100倍放大图；

图2为本发明实施例1所提供的成品金相组织的100倍放大图；

图3为现有技术的黄铜在进行拉伸操作时，所采用的普通刀口模具示意图；

图4为本发明实施例1-3所提供的单相黄铜在进行拉伸操作时，所采用的凸型刀口模具的示意图。

A、普通刀口模第一面； B、普通刀口模第二面；

A₁、凸型刀口模第一面； B₁、凸型刀口模第二面。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：67-72wt％铜，0-0.01wt％铅，0.005-0.015wt％铁，0.05％-0.10wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免杂质的总量不大于0.3wt％；黄铜的金相组织为α单相。

作为进一步的实施方式，包括按照重量百分比计的以下组分：70.5-71.5wt％铜，0.005-0.008wt％铅，0.007-0.009wt％铁，0.05％-0.07wt％铝，0.2-0.28wt％不可避免杂质，余量为锌。

从Cu-Zn二元系相图中可见，普通黄铜含锌量小于36％时，其组织是α固溶体，α黄铜塑性好，可冷、热加工，其室温伸长率随含锌量的增加而增大，到30-32％锌时达到极大值。

铅元素在合金中以独立相存在，易与铜形成低熔点共晶薄膜分布在晶界上，热加工时产生晶间破裂，降低黄铜的强度、硬度和伸长度，当铅含量控制在100ppm以下，对材料热加工无影响。

铁元素在黄铜中溶解度极小，常以富铁相质点分布机体中，在铸造过程中作为形核剂，阻碍晶粒的长大，具有细化晶粒的作用，提高材料强度的作用。但不宜过高，大于0.02％，易使材料变脆；小于0.005％时无明显作用。

铝元素固溶于合金中，铝元素可以增强合金的流动性、强度、硬度和耐蚀性，但材料塑性会降低，因此添加的铝元素必需控制在小于0.1％，才可提高材料的综合性能。

本发明实施例的深冲用单相黄铜，加入铝元素，能够加强高铜材料的流动性，提高拉铸、挤压工序成材率和材料的强度、硬度和耐蚀性；加入适量的铁元素，能够细化材料晶粒，提高强度；控制挤压比，挤压温度避免材料热裂。该单向黄铜的综合性能优于普通黄铜，强度与塑性同步提升，抗拉强度、延伸、硬度达到一个平衡点，适合高速大变形冷热深冲加工，能够满足子弹壳、军舰、航空航天等深冲加工要求；且环保。

一种深冲用单相黄铜的制备方法，包括：

熔料步骤：将紫杂铜、锌和H65角料投入感应电炉中，待上述物料熔化后，炉温升至1040-1080℃，加入清渣剂，充分搅拌后静止10min以上，进行捞渣，获取合金水，检测合金水的成分，若达标则将获取熔体；若成分不达标，加入铁和铝，熔化后，搅拌均匀，获取熔体；(熔体实际出炉以喷火两次为标准)；

铸锭步骤：将熔体转入1050-1100℃的保温炉中，铸成(水平连铸)铸锭；

挤压步骤：待铸锭冷却后，加热到700-750℃进行热挤压，获取挤压品；

拉伸、再结晶退火、酸洗步骤：将挤压品进行拉伸、再结晶退火和酸洗操作后，得到成品。

再结晶退火(又称为中间退火)，它是指将冷塑性变形加工的工件加热到再结晶温度以上，保持适当时间，通过再结晶使冷塑性变形过程中产生的晶体学缺陷基本消失，重新形成均匀的晶粒，以消除形变强化效应和残留应力的退火工艺。操作一般如下：把钢件加热到再结晶温度以上，在这个温度保持一段时间，然后缓慢冷却下来。

钢铁等金属在冷加工(冷冲、冷压、冷拉、冷轧等)过程中随变形量的增加，冷加工后，晶格会发生歪扭，晶粒被破坏、破碎或拉长，晶粒间发生相对滑移，同时产生加工硬化现象，使钢铁等金属的硬度、强度增加，而延展性和塑性降低，难以继续加工，需要利用退火过程中的再结晶来消除。再结晶退火可以消除冷作硬化，提高塑性，改善切削性能及压延成形性能；恢复塑变能力，以利于进一步变形加工。

作为进一步的实施方式，在挤压步骤中，挤压前，挤压筒和挤压模垫预热到300-350℃；挤压比为122-166，以获得细小等轴晶粒，提高材料的塑性和延伸性。

作为进一步的实施方式，在挤压步骤中，使用润滑剂，润滑剂包括按照重量百分比计的以下组分：60-80wt％40#机油，20-40wt％鳞片状石墨粉。该润滑剂是一种特制的润滑剂。

作为进一步的实施方式，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，拉伸操作的总加工率不大于70％，使晶粒充分变形，有利于再结晶退火的晶粒重新匀布机制。

作为进一步的实施方式，在拉伸、再结晶退火步骤中，进行第一次拉伸和第二次拉伸时，采用的模具均为组合型模具，该组合型模具包括延伸模和凸型刀口模，凸型刀口模的顶面为倾斜面，其倾斜度为20-30°。延伸模和刀口模是两种不同作用的模具，延伸模是将材料由粗拉细，变径，改变尺寸；刀口模主要是提高材料表面质量，去掉材料外表面，扒皮作用；两种模具在拉伸过程中配套使用的。如图3所示，刀口模包括A面模芯部分和B面模套部分，模芯通过模套固定在拉伸设备上的。而本申请的刀口模并非普通的刀口模，而是凸型刀口模，具体地，如图4所示，凸型刀口模的第一面A₁是一个倾斜的面，A₁面与凸型刀口模第二面B₁之间的夹角为20-30°，也就是说A₁面的倾斜度为20-30°，采取这样的操作能够降低拉伸时阻力，保证棒材表面质量。而现有技术中，在进行拉伸时一般采用普通刀口进行操作，如图3所示，普通刀口模具的第一面A是一个平面，其与普通刀口模具的第二面B均在同一个平面上，没有成夹角状态。

作为进一步的实施方式，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，进行再结晶退火操作时，温度为490-510℃，利于获得细小的等轴晶组织，晶粒均匀细化。

作为进一步的实施方式，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，依次包括第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸。

作为进一步的实施方式，第一次拉伸的加工率为30-35％，第三次拉伸的加工率为13-16％。

本发明实施例所提供的深冲用单相黄铜的制备方法，工艺简单，材料成材率高，操作成本低，具有很好的应用前景。

以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实施例1：

一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：70.5wt％铜，0.005wt％铅，0.008wt％铁，0.06wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质(具体见下表1)；上述深冲用单相黄铜的制备过程如下：依次向感应电炉内加入紫杂铜、锌、H65角料，待物料熔化后，炉温升至1050℃，加入清渣剂，进行搅拌捞渣，取样检测成份，根据检测结果，选择是否加入铁和铝。实际出炉以喷火两次为标准，充分搅拌铜水后静止10分钟以上，使杂质上浮。然后将熔体转入保温于1060℃的保温炉中水平连铸，制备出φ245mm的铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至705℃进行热挤压，挤压比为160，铸锭长度650mm，挤压筒和挤压模垫分别预热，加热到310℃，挤压过程对挤压模孔涂抹新型润滑剂。挤压后的半成品经第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸后，成为成品。其中拉伸加工过程总加工率不大于58％，两次退火间安排一次联合拉伸，加工率为32％，最后一道拉伸加工率13％，退火温度为500℃。

实施例2：

一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：67.8wt％铜，0.008wt％铅，0.007wt％铁，0.07wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质(具体见下表1)；上述深冲用单相黄铜的制备过程如下：依次向感应电炉内加入紫杂铜、锌、H65角料，待物料熔化后，炉温升至1060℃，加入清渣剂，进行搅拌捞渣，取样检测成份，根据检测结果，选择是否加入铁和铝。实际出炉以喷火两次为标准，充分搅拌铜水后静止10分钟以上，使杂质上浮。然后将熔体转入保温于1065℃的保温炉中水平连铸，制备出φ245mm的铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至720℃进行热挤压，挤压比为150，铸锭长度650mm，挤压筒和挤压模垫分别预热，加热到310℃，挤压过程对挤压模孔涂抹新型润滑剂。挤压后的半成品经第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸后，成为成品。其中拉伸加工过程总加工率不大于60％，两次退火间安排一次联合拉伸，加工率为33％，最后一道拉伸加工率14％，退火温度为495℃。

实施例3：

一种深冲用单相黄铜，包括按照重量百分比计的以下组分：71.5wt％铜，0.006wt％铅，0.009wt％铁，0.05wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质(具体见下表1)；上述深冲用单相黄铜的制备过程如下：依次向感应电炉内加入紫杂铜、锌、H65角料，待物料熔化后，炉温升至1060℃，加入清渣剂，进行搅拌捞渣，取样检测成份，根据检测结果，选择是否加入铁和铝。实际出炉以喷火两次为标准，充分搅拌铜水后静止10分钟以上，使杂质上浮。然后将熔体转入保温于1065℃的保温炉中水平连铸，制备出φ245mm的铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至735℃进行热挤压，挤压比为140，铸锭长度650mm，挤压筒和挤压模垫分别预热，加热到320℃，挤压过程对挤压模孔涂抹新型润滑剂。挤压后的半成品经第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸后，成为成品。其中拉伸加工过程总加工率不大于62％，两次退火间安排一次联合拉伸，加工率为30％，最后一道拉伸加工率14.5％，退火温度为505℃。

对比例1

一种黄铜合金，包括按照重量百分比计的以下组分：70.5wt％铜，0.02wt％铅，0.09wt％铁，0.2wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质(具体见下表1)；上述深冲用单相黄铜的制备过程如下：依次向感应电炉内加入紫杂铜、锌、H65角料，待物料熔化后，炉温升至1080℃，加入清渣剂，进行搅拌捞渣，取样检测成份，根据检测结果，选择是否加入铁和铝。实际出炉以喷火两次为标准，充分搅拌铜水后静止10分钟以上，使杂质上浮。然后将熔体转入保温于1065℃的保温炉中水平连铸，制备出φ245mm的铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至800℃进行热挤压，挤压比为185，铸锭长度650mm，挤压筒和挤压模垫分别预热，加热到320℃，挤压过程对挤压模孔涂抹新型润滑剂。挤压后的半成品经第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸后，成为成品。其中拉伸加工过程总加工率不大于50％，两次退火间安排一次联合拉伸，加工率为22％，最后一道拉伸加工率9％，退火温度为530℃。

对比例2

一种黄铜合金，包括按照重量百分比计的以下组分：73wt％铜，0.025wt％铅，0.003wt％铁，0.02wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质(具体见下表1)；上述深冲用单相黄铜的制备过程如下：依次向感应电炉内加入紫杂铜、锌、H65角料，待物料熔化后，炉温升至1080℃，加入清渣剂，进行搅拌捞渣，取样检测成份，根据检测结果，选择是否加入铁和铝。实际出炉以喷火两次为标准，充分搅拌铜水后静止10分钟以上，使杂质上浮。然后将熔体转入保温于1065℃的保温炉中水平连铸，制备出φ245mm的铜合金铸锭。

之后将铜合金铸锭加热至660℃进行热挤压，挤压比为115，铸锭长度650mm,挤压筒和挤压模垫分别预热，加热到320℃，挤压过程对挤压模孔涂抹新型润滑剂。挤压后的半成品经第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸后，成为成品。其中拉伸加工过程总加工率不大于55％，两次退火间安排一次联合拉伸，加工率为18％，最后一道拉伸加工率10％，退火温度为550℃。

表1本发明实施例1-3和对比例1-2黄铜合金化学成分表

效果评价及性能检测

一、金相组织图

如图1所示，为本发明实施例1所提供的挤压线坯放大100倍的金相组织图；图2为实施例1的成品放大100倍的金相组织，晶粒度为0.035mm。从图1-2可得，实施例1的黄铜的金相组织为α单相，实施例2-3的金相组织图类似，在此不再赘述。

二、性能检测

分别取实施例1-3和对比例1-2的合金，对其抗拉强度、延伸率和维氏硬度进行测试，测试方法为常规测试方法。结果详见下表2。

表2实施例1-3与对比例1-2的合金性能记录表

合金编号	抗拉强度/MPa	延伸率/％	维氏硬度
				实施例1	412	32	130
实施例2	415	33	126
				实施例3	408	35	127
对比例1	405	26	122
				对比例2	379	35	116

从表2的测试数据可以看出，本发明实施例1-3所提供的黄铜的强度与塑性同步提升，抗拉强度、延伸、硬度达到一个平衡点，适合高速大变形冷热深冲加工，综合性能优于普通黄铜。本发明生产的黄铜抗拉强度大于382MPa，延伸率大于25％，硬度(HV)大于125。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims

1.一种深冲用单相黄铜，其特征在于，包括按照重量百分比计的以下组分：67-72wt％铜，0-0.01wt％铅，0.005-0.015wt％铁，0.05％-0.10wt％铝，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免杂质的总量不大于0.3wt％；所述黄铜的金相组织为α单相。

2.如权利要求1所述的深冲用单相黄铜，其特征在于，包括按照重量百分比计的以下组分：70.5-71.5wt％铜，0.005-0.008wt％铅，0.007-0.009wt％铁，0.05％-0.07wt％铝，0.2-0.28wt％不可避免杂质，余量为锌。

3.一种如权利要求1或2所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，包括：

熔料步骤：将紫杂铜、锌和H65角料投入感应电炉中，待上述物料熔化后，炉温升至1040-1080℃，加入清渣剂，充分搅拌后静止10min以上，进行捞渣，获取合金水，检测所述合金水的成分，若达标则将获取熔体；若成分不达标，加入铁和铝，熔化后，搅拌均匀，获取熔体；

4.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在所述挤压步骤中，挤压前，挤压筒和挤压模垫预热到300-350℃；挤压比为122-166。

5.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在所述挤压步骤中，使用润滑剂，所述润滑剂包括按照重量百分比计的以下组分：60-80wt％40#机油，20-40wt％鳞片状石墨粉。

6.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，拉伸操作的总加工率不大于70％。

7.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，进行第一次拉伸和第二次拉伸时，采用的模具均为组合型模具，所述组合型模具包括延伸模和凸型刀口模，所述凸型刀口模的顶面为倾斜面，其倾斜度为20-30°。

8.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，进行再结晶退火操作时，温度为490-510℃。

9.如权利要求3所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，在拉伸、再结晶退火、酸洗步骤中，依次包括第一次拉伸、第一次再结晶退火、第一次酸洗、第二次拉伸、第二次再结晶退火后、第二次酸洗、第三次拉伸。

10.如权利要求9所述的深冲用单相黄铜的制备方法，其特征在于，所述第一次拉伸的加工率为30-35％，所述第三次拉伸的加工率为13-16％。