CN108342608B - 一种耐高温易切削的铜合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温易切削的紫铜合金及其制备方法；主要包括配料、中间合金制备、熔炼、热挤压、表面处理；通过在含铜量高的铜合金中加入镧、镨、钐、铕、钆提高紫铜合金的切削性能；而在切削性能提高的同时，紫铜合金的抗腐蚀性能及耐高温强度受到了一定的影响，由此本发明还公开了一种用于紫铜合金的缓蚀剂；通过对配方中各组分用量的调整，同时采用本发明的特殊工艺及缓蚀剂，提升了紫铜合金的力学性能及高温硬度，提升了加工性能及耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及合金制造领域，具体涉及一种耐高温易切削的铜合金的生产工艺。
背景技术
紫铜电导率和热导率仅次于银，且在大气、海水和某些非氧化性酸、碱、盐溶液及多种有机酸中具有良好的耐腐蚀性，被广泛用于制作导电、导热器材及化学工业器材；同时，紫铜还具有良好的焊接性能，这使得其使用范围极广；据统计，紫铜每年的产量超过其他各类铜合金的总产量。
但紫铜因其铜含量高，导致了其强度、硬度较其他合金差，特别是在800℃以上高温焊接处理后，硬度只有HV 50-60左右，但大多数情况下，经过高温焊接后，还需要机械加工，硬度太软导致不易加工，这也限制了紫铜的发展，因此如何提升紫铜合金高温硬度，提升其加工性能，是本行业研究及发展的方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温易切削的铜合金。
本发明的另一目的是提供一种耐高温易切削的铜合金的制备方法。
本发明的还一目的是提供一种用于铜合金的缓蚀剂。
一种耐高温易切削的铜合金，按重量计其化学组分包括：铜96-99份、铁1-2份、磷0.001-0.002份、镧0.04-0.06份、镨0.04-0.06份、钐0.01-0.03份、铕0.02-0.03份、钆0.01-0.03份。
一种耐高温易切削的铜合金的制备方法为：
1）配料：按配比称取各组分原料，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1200-1250℃，投入铜添加总量的20-35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温 10-15min后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1540-1590℃，投入铜添加总量的30-45%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温 20-30min后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1090-1150℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温30-45min，然后控制出炉温度1200℃-1220℃，浇注速率180-200mm/min，水压0.4-0.5MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300-350℃，然后在850℃-900℃的温度及10-15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经2-3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在浓度为25%的缓蚀剂中浸泡7-10h后，再经300℃烘干30-45min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金。
其中，所述的缓蚀剂溶质按质量比包含聚环氧琥珀酸8-10份、马来酸-丙烯酸共聚物2.5-4份、聚羧酸钠1.4-2.6份、羟基乙叉二膦酸2.2-3.5份、菲啰嗪一钠盐0.3-0.9份、聚乙酸乙烯酯3.5-4.7份。
本发明的优点在于：在含铜量高的紫铜合金中加入镧、镨、钐、铕、钆可提高紫铜合金的切削性能，使之优于普通的紫铜合金；而在切削性能提高的同时，紫铜合金的抗腐蚀性及耐高温强度能受到了一定的影响，我们通过对配方中各组分用量的调整，同时采用本发明的特殊工艺及缓蚀剂，提升了紫铜合金的力学性能及高温硬度，提升了加工性能及耐腐蚀性能。
具体实施例：
实施例1
一种耐高温易切削的铜合金的制备方法为：
1）配料：按重量称取铜98份、铁1.5份、磷0.0015份、镧0.05份、镨0.05份、钐0.02份、铕0.025份、钆0.02份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1230℃，投入铜添加总量的25%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温15min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1570℃，投入铜添加总量的35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温30min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至在1130℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温35min，然后控制出炉温度1210℃，浇注速率190mm/min，水压0.4MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在880℃的温度及15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将聚环氧琥珀酸9份、马来酸-丙烯酸共聚物3份、聚羧酸钠2份、羟基乙叉二膦酸3份、菲啰嗪一钠盐0.6份、聚乙酸乙烯酯4份溶解于乙醇中，配置成质量浓度为25%的缓蚀剂，将所得坯棒在缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干35min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金。
实施例2
一种耐高温易切削的铜合金的制备方法为：
1）配料：按重量称取铜99份、铁1份、磷0.001份、镧0.04份、镨0.04份、钐0.01份、铕0.02份、钆0.01份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1250℃，投入铜添加总量的35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温15min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1590℃，投入铜添加总量的45%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温 30min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1150℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温45min，然后控制出炉温度1220℃，浇注速率200mm/min，水压0.5MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在900℃的温度及15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经2-3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在实施例1所述缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干45min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金。
实施例3
一种耐高温易切削的铜合金的制备方法为：
1）配料：按重量称取铜96份、铁2份、磷0.002份、镧0.06份、镨0.06份、钐0.03份、铕0.03份、钆0.03份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1200℃，投入铜添加总量的20%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温10min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1540℃，投入 铜添加总量的30%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温20min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1090℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温30min，然后控制出炉温度1200℃，浇注速率180mm/min，水压0.4MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300℃，然后在850℃的温度及10mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经2次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在实施例1所述缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干30min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金。
实施例4
1）配料：按重量称取铜98份、铁3份、磷0.0015份、镧0.03份、镨0.03份、钐0.04份、铕0.04份、钆0.04份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1240℃，投入铜添加总量的25%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温15min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1560℃，投入 铜添加总量的35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温 30min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1140℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温35min，然后控制出炉温度1220℃，浇注速率180mm/min，水压0.4MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在900℃的温度及15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在实施例1所述缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干40min后，自然冷却得合金。
实施例5
1）配料：按重量称取铜97份、铁0.5份、磷0.001份、镧0.07份、镨0.07份、钐0.005份、铕0.01份、钆0.005份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1230℃，投入铜添加总量的25%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温 15min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1580℃，投入 铜添加总量的35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温 30min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1125℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温40min，然后控制出炉温度1200℃，浇注速率200mm/min，水压0.5MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在850℃的温度及10mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在实施例1所述缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干35min后，自然冷却即得合金。
实施例6
1）配料：按重量称取铜98份、铁1.5份、磷0.002份、镧0.05份、镨0.05份、钐0.02份、铕0.02份、钆0.02份，备用；
2）熔炼：将熔炉温度升至1580℃，投入个组分原料，完全熔化后搅拌均匀，保温30min，然后控制出炉温度1200℃，浇注速率200mm/min，水压0.5MPa，浇注成坯锭；
3）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至50℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300℃，然后在900℃的温度及15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经2次拉伸后，得坯棒;
4）表面处理：将所得坯棒在实施例1所述的缓蚀剂中浸泡7-10h后，再经300℃烘干35min后，自然冷却即得合金。
实施例7
切削力是研究切削过程重要依据，不仅是设计和使用车床、刀具和夹具的必要依据，还是可以定量的评判材料切削性能的好坏；分别将实施例1-6 制得合金加工成标准试样，并在金属切削机床 CK7525 进行切削实验，并用Kistler压电三向动态测力仪Type5019的测力系统测量了在进给量为0.2mm/r及切削速度为25m/min 时各试样的主切削力、进给力和径向力平均值；其中，Fx为进给力，又叫轴向切削力或走刀抗力，它也在水平面内，与走刀方向平行；Fy为径向力，又叫吃刀抗力，它在水平面内，并与走刀方向垂直；Fz为主切削力，又称为切向力，它垂直于水平面，通常与切削速度的方向一致；同时还分别将实施例1-6制得合金加工成标准试样，在800℃下加热10min后，测量其硬度；所得数据如下表：
分析数据可知，实施例1-3高温硬度及切削力较比其他实施例均有优势，且实施例1为最佳方案，优势效果最明显；实施例4添加过多铁，且添加稀土量不在范围内，可见高温硬度有所提升，但不易切削；实施例5铁添加量偏低，且添加稀土量不在范围内，可见高温硬度下降明显且不易切削；实施例6采用直接熔炼的方法，可见高温硬度下降明显且不易切削；由此可得出结论，采用本发明所提供的工艺制备的紫铜合金，不仅高温硬度大，易于高温处理后进一步机械加工，且易切削。
实施例8
将实施例1所制备的合金，制成30mm×20mm×0.4mm试片，并打磨至表面光滑，用蒸馏水冲洗及无水乙醇和丙酮脱脂处理后制成试样；将打磨、除油的试样用分析天平称重后浸没于不同配比的缓蚀剂中，在50℃下浸泡72小时，对比组为50℃浸泡在常用缓蚀剂中72小时，观察试样表面，均匀光亮，未出现明显腐蚀，静态挂片后失重法测定缓蚀实验结果如下：
分析数据可知，第1-3组采用了本发明所述的缓蚀剂配比，可见较对比组缓蚀率明显提升，第4组、第5组缓蚀剂配比不在本发明范围内，可见缓蚀率较对比组明显下降；由此可得出结论，采用本发明所述的缓蚀剂，能有有效提升产品的耐腐蚀性能。
Claims (2)
1.一种耐高温易切削的铜合金的制备方法，其特征在于：按重量计其化学组分包括：铜96-99份、铁1-2份、磷0.001-0.002份、镧0.04-0.06份、镨0.04-0.06份、钐0.01-0.03份、铕0.02-0.03份、钆0.01-0.03份；
制备方法包括以下步骤：
1）配料：按配比称取各组分原料，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1200-1250℃，投入铜添加总量的20-35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温 10-15min后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1540-1590℃，投入铜添加总量的30-45%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温 20-30min后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至1090-1150℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温30-45min，然后控制出炉温度1200℃-1220℃，浇注速率180-200mm/min，水压0.4-0.5MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400-450℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至300-350℃，然后在850℃-900℃的温度及10-15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经2-3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将所得坯棒在浓度为25%的缓蚀剂中浸泡7-10h后，再经300℃烘干30-45min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金；所述的缓蚀剂溶质按质量比包含聚环氧琥珀酸8-10份、马来酸-丙烯酸共聚物2.5-4份、聚羧酸钠1.4-2.6份、羟基乙叉二膦酸2.2-3.5份、菲啰嗪一钠盐0.3-0.9份、聚乙酸乙烯酯3.5-4.7份。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温易切削的铜合金的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
1）配料：按重量称取铜98份、铁1.5份、磷0.0015份、镧0.05份、镨0.05份、钐0.02份、铕0.025份、钆0.02份，备用；
2）中间合金a：将熔炉温度升至1230℃，投入铜添加总量的25%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的镧、镨、铕，保温15min 后进行浇注，得到中间合金a；
3）中间合金b：将熔炉温度升至1570℃，投入铜添加总量的35%的铜，待完全熔化后依次加入配方量的铁、钐、钆，保温30min 后进行浇注，得到中间合金b；
4）熔炼：将熔炉温度升至在1130℃，在熔炉中先投放剩余量的铜和配方量的磷，待熔炉内元素完全熔化后，再依次加入中间合金a和中间合金b，完全熔化后搅拌均匀，以5℃/min速率升至1300℃时保温35min，然后控制出炉温度1210℃，浇注速率190mm/min，水压0.4MPa，浇注成坯锭；
5）热挤压：挤压前先将挤压筒预热至400℃，模套、模子、模芯和模垫块预热至350℃，然后在880℃的温度及15mm/s速率下，将坯锭挤压成不同规格的挤压棒，再经3次拉伸后，得坯棒;
6）表面处理：将聚环氧琥珀酸9份、马来酸-丙烯酸共聚物3份、聚羧酸钠2份、羟基乙叉二膦酸3份、菲啰嗪一钠盐0.6份、聚乙酸乙烯酯4份溶解于乙醇中，配置成质量浓度为25%的缓蚀剂，将所得坯棒在缓蚀剂中浸泡10h后，再经300℃烘干35min后，自然冷却即得耐高温易切削的铜合金。
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