CN109439957B - 一种热锻性能优异的低成本黄铜合金及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热锻性能优异、低成本的黄铜合金及其制造方法，本发明的黄铜合金含有46‑51wt％的Cu、35‑48wt％的Zn、0.5‑1.4wt％的Fe、2.0‑6.9wt％的Mn、2.1‑5.9wt％的Pb以及不可避免的杂质元素。本发明合金熔炼生产时以废杂铜为铜合金原料，并采用低成本的水平连铸的制造方法。本发明的黄铜合金原材料成本低，具有优异的锻造性能和切削性能，适用于需要热锻成型加工的零部件。

Description

一种热锻性能优异的低成本黄铜合金及其制造方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体涉及一种黄铜合金及其制造方法，特别是一种热锻性能优异的低成本黄铜合金及其制造方法。

背景技术

铅黄铜合金由于具有优良的成型性能、加工性能以及良好的耐腐蚀性能，广泛的应用于各种领域，如电子电器接插件、仪表零件、饮用水系统的水管、水龙头、阀门、管接头以及汽车、消防上使用的零部件等等。传统上铅黄铜合金的铜含量一般在60wt％左右。例如C36000铅黄铜，其各组分的含量是(w/w％)：铜(Cu)60～63、铅(Pb)2.5～3.7、铁(Fe)≤0.35、锌(Zn)余量,杂质总和％≤0.5。由于铜含量较高，合金原材料成本较高。对于某些功能较为简单，对性能要求不高且铸造成型的零部件而言，有进一步降低合金原材料成本的需要。但是对于上述这些铸造成型的部件，优异的热锻性又是必须具备的性能。因此，开发出含铜量更低，原材料成本进一步降低，且热锻性能优异的铅黄铜合金一直为市场所需。

中国专利申请“一种低成本黄铜合金及其制造方法”(公开号CN102443716A，公布日2012年5月9日)披露了一种铜含量低于60wt％的铅黄铜合金；具体的，该黄铜合金含有铜45-59wt％、锌35-50wt％、铁0-1.3wt％、铝0.2-0.9wt％、锰1.0-4.0wt％、铅1.0-3.5wt％，余量为不可避免的杂质。该黄铜合金虽然具有低成本、抗应力腐蚀性能优异和切削性能优异的优点，但是其锻造性能未能超过C36000铅黄铜，表现为680℃、750℃温度下，镦粗率(％)为80％和90％时，锻造试样有肉眼可视裂纹。

有资料显示，铅黄铜中铜含量太低，合金的延伸率急剧下降，由于合金中的锌含量相对提高，导致了合金的抗腐蚀性能和热锻性能变差。因为铜含量低的黄铜合金其组织为β单相组织，在加热时晶粒极易长大，晶间缺陷不断集聚，晶界弱化，在热锻成型时极易产生裂纹等缺陷。

因此，市场上对热锻性能优异且成本低廉的黄铜合金的需求仍然没有得到满足。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种成本低廉、热锻性能优异的黄铜合金及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种热锻性能优异、低成本的黄铜合金，以所述黄铜合金的重量为基准，该黄铜合金含有46wt％-51wt％的Cu、35wt％-48wt％的Zn、0.5wt％-1.4wt％的Fe、2.0wt％-6.9wt％的Mn、2.1wt％-5.9wt％的Pb以及不可避免的杂质元素。

作为一个优选的实施方案，本发明提供一种热锻性能优异、低成本的黄铜合金，以所述黄铜合金的重量为基准，该黄铜合金包含48wt％-50wt％的Cu、41wt％-47wt％的Zn、0.5wt％-1.3wt％的Fe、2.0wt％-4.0wt％的Mn、2.1wt％-3.9wt％的Pb以及不可避免的杂质元素。

本发明所述黄铜合金含有Cu-Zn-Mn固溶体，Pb、Fe作为独立第三相在其中弥散均匀分布，所述黄铜合金的晶粒大小为0.05-0.4mm。

优选地，以所述黄铜合金的重量为基准，上述低成本黄铜合金还可以包含0.01wt％-3.0wt％的组分X，所述组分X选自0.001wt％-2.0wt％的Al、0.001wt％-2.0wt％的Ni、0.001wt％-2.0wt％的Sn、0.001wt％-0.2wt％的P、0.001wt％-0.2wt％的Mg、0.0001wt％-0.1wt％的B中的一种或多种。

优选地，所述Al的含量为0.01wt％-1.0wt％，更优选为0.04wt％-0.65wt％。

优选地，所述Ni的含量为0.3wt％-2.0wt％，更优选为0.5wt％-2.0wt％。

优选地，所述Sn的含量为0.01wt％-1.0wt％，更优选为0.1wt％-1.0wt％。

优选地，所述P的含量为0.001wt％-0.1wt％。

优选地，所述Mg的含量为0.001-0.1wt％。

优选地，所述B的含量为0.0005wt％-0.005wt％。

作为一个优选的实施方案，以所述黄铜合金的重量为基准，上述黄铜合金还可以包含0.5wt％-3.0wt％的组分X，所述组分X选自0.04wt％-0.65wt％的Al、0.5wt％-2.0wt％的Ni和0.1wt％-1.0wt％的Sn中的一种或多种。

本发明的另一个目的在于提供上述热锻性能优异、低成本的黄铜合金的制造方法，包括以下步骤：配料—熔炼—水平连铸成铜棒—冷加工—检验包装，其中所述水平连铸的温度为960～1060℃。

配料步骤所用的铜原料优选为铜废料和/或铜合金废料。

优选地，所述的铜废料选自纯铜废料和/或纯铜屑；所述铜合金废料选自铜合金新废料、废铜水箱、铜合金屑、重有色金属切片和铜渣中的一种或多种。

优选地，所述冷加工包括扒皮矫直。

为了更加清楚地说明和阐述本发明的技术方案，以下将对本发明作进一步的描述。

本发明通过降低铜含量，添加较高含量的锰、铅和铁等廉价金属，并采用废杂铜为原料，达到降低合金原材料成本的目的。同时，通过对各合金元素的合理搭配，控制合金的组织结构，使合金具有优异的热锻性能。

对主要由铜锌元素构成的普通黄铜而言，含锌量在35wt％以下时，室温下的显微组织由单相的α固溶体组成，成为α黄铜；含锌量在36wt％-46wt％范围内的黄铜，室温下的显微组织由α+β两相组成，成为α+β黄铜(两相黄铜)；含锌量46wt％-50wt％的黄铜，室温下的显微组织仅由β相组成，称为β黄铜。α黄铜存在Cu₃Zn和Cu₉Zn两种有序化合物，在中低温下发生有序转变，使合金变脆。β相是以CuZn为基的固溶体，在加热时合金晶粒极易长大，晶间缺陷不断集聚，弱化了晶界，在热锻成型时极易产生晶间破裂等缺陷。因此，α单相黄铜以及β单相黄铜的热锻性能都较差。α+β双相黄铜的热锻性能良好。对于本发明的复杂黄铜合金，锌的含量为35wt％-48wt％，优选为41wt％-47wt％。根据锌及其他元素计算锌当量，本发明合金的主要部分都将处于α+β双相区，同时通过Mn、Fe、Pb等其他元素的协调作用，使合金具有优异的热锻性能。

锰(Mn)是本发明中的主要添加元素，主要是利用锰在黄铜中具有极高固溶度的特性。锰与铜本身能够形成面心立方结构的Cu-Mn固溶体，而在铜与锌形成的体心立方的Cu-Zn固溶体中，锰也有很高的固溶度。锰的锌当量系数是0.5，在铜和其他元素含量不变的情况下，添加锰元素可以有效的减少锌的添加，减小合金的锌当量。添加适量的元素锰，可以改善合金的力学性能，可以提高合金的耐蚀性，同时还可以提高合金的热锻性能。因此锰是本发明合金中极其重要的合金元素。

锰含量小于2.0wt％时，其并不能有效的减小合金中的锌含量，并强化Cu-Zn固溶体，对合金材料热锻性能的提升作用并不明显。而锰含量大于6.9wt％时，锰含量过高导致合金的铸造性能降低，并且塑性变差，硬度变高，使合金切削加工难度增加。同时，过高的锰含量使合金的颜色偏白，偏离了黄铜的亮黄色。所以，本发明中锰含量范围为2.0wt％-6.9wt％，更优选为2.0wt％-4.0wt％。

铁元素(Fe)在黄铜合金中作为形核剂，可增加形核的数量，阻碍晶粒的长大，有效地细化了合金晶粒，提高材料的综合性能，包括热锻性能。未固溶在基体中，弥散分布在基体上的铁元素，在热锻过程中，可以作为强化相降低合金的锻造开裂倾向。当铁含量过低时，其对热锻造性能的好处不能得到充分体现。同时，铁作为黄铜中最为常见的元素之一，过低的含量要求也不利于废杂铜等资源的回收利用。而当黄铜中铁含量过高时，会出现铁偏析聚集的问题，导致出现合金生锈等问题。因为，本发明中的铁含量控制在0.5wt％-1.4wt％，更优选为0.5wt％-1.3wt％。

铅(Pb)的添加除了用于保证合金的切削加工性能，也有助于提高合金的热锻性能。铅元素并不固溶于铜，其以游离态的质点形式分布于基体上，形成有效的切削断点。铅也有增加合金的铸造性能，细化合金晶粒等作用，提高了合金的综合性能。在铜含量一定的情况下，铅元素的加入也是有效的降低了合金中的Zn的含量，可增强了合金的热锻性能。当铅含量过低时，并不能最大化的利用铅的有益作用。当铅含量大于5.9wt％，此时不会再增加切屑性能，对热锻性能等方面的影响也变小，却将导致出现合金的力学性能下降等情况。本发明中，铅含量控制在2.1wt％-5.9wt％，更优选为2.1wt％-3.9wt％。

铝(Al)具有脱氧作用，可提高合金流动性，有利于水平连铸铜棒的成型。铝还可在铜合金表面形成致密的保护膜，通过固溶强化以及与锰、铁等相互作用提高合金力学性能。但铝含量过高，导致合金的塑性变差，铝的锌当量系数为6，过高的铝将显著扩大β相区，对合金的锻造性能不利。因此，本发明的黄铜合金中铝含量控制在0.001wt％-2.0wt％，更优选为0.04wt％-0.65wt％。

镍(Ni)可以改善合金的韧性，提高合金的抗腐蚀性能。镍的锌当量系数为-1，扩大了α相区，可以提升合金的热锻性能。但过高的镍含量，会增加原材料成本。因此，本发明的镍含量控制在0.001wt％-2.0wt％，更优选为0.5wt％-2.0wt％。

锡(Sn)可以改善合金的耐腐蚀性能，过高的锡含量，会增加原材料成本，并在合金中出现脆性的γ相(CuZnSn化合物)，降低合金的热锻性能。因此，本发明的锡含量控制在0.001wt％-2.0wt％，更优选为0.1wt％-1.0wt％。

本发明的黄铜合金还可以任选地含有以下元素：

磷(P)可以脱氧，改善合金的铸造性能。如果添加该元素，则其含量控制在0.001-0.2wt％为宜，更高的含量将降低力学性能，并不利于合金的热锻成型。

镁(Mg)同样可以脱氧，降低合金中气体含量，提升合金的力学性能。如果添加该元素，则其含量控制在0.001wt％-0.2wt％。

硼作为形核剂，可以增加形核的数量，细化合金晶粒，提升合金的热锻性能。但硼含量过高时，其易聚集，形成脆性相，反而降低了合金的热锻性能。因此，如果添加该元素，则其含量控制在0.0001wt％-0.1wt％。

本发明提供了一种制造上述黄铜合金的方法，其中，配料生产该合金所用的铜原料为废杂铜。所述的废杂铜包括但不限于纯铜废料、铜合金废料、废水箱、屑末等等。使用废杂铜的目的为进一步降低合金原材料成本。

本发明所述制造方法包括以下步骤：配料—熔炼—水平连铸棒—扒皮矫直等冷加工—检验包装，其中所述水平连铸的温度为960～1060℃。

本发明的黄铜合金与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

本发明的黄铜合金具有极低的成本，通过降低铜及稀贵金属含量，采用锰、铁、铅等廉价金属，以及采用废杂铜进行合金熔炼，使本发明黄铜合金的原材料明显低于普通有铅铜具体地，每吨本发明所述黄铜合金的原材料成本比C36000合金大约可降低3000元。

本发明合金具有优良的使用性能和工艺性能，尤其是具有优异的热锻性能，在镦粗率(％)到达80％、90％时，本发明的黄铜合金试样表面仍然无明显裂纹，特别适用于需要锻造成型的零部件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

实施例1～10一种黄铜合金

实施例1～10的黄铜合金的成分含量见表1，按照如下工艺步骤制备成Φ28铜棒：

配料—熔炼—水平连铸成铜棒—冷加工—检验包装；

其中所述水平连铸的温度为960～1060℃。

对比例1～9用作对比的黄铜合金

对比例1～9是用作对比的黄铜合金，其成分含量见表1，按照如下工艺步骤制备成Φ28铜棒：

配料—熔炼—水平连铸成铜棒—冷加工—检验包装；

其中所述水平连铸的温度为960～1060℃。

其中对比例3的黄铜合金为C36000黄铜合金。

表1各实施例和对比例的黄铜合金成分(wt％)

^a：以废杂铜为原料，对废杂铜熔炼有如下假设：1)Cu、Zn金属价格分别以上海有色金属网的价格乘以88％计算；2)不主动添加的Sn、Ni等贵重金属，以及Al、Fe等金属都简化为金属Zn来计算；3)含量高的(一般需主动添加)Mn、Pb两个金属，根据上海有色金属网的报价(100％)计算。据此，由2018年10月15日有色金属网的合金报价，计算出合金的原材料成本。

表1的数据示出，本发明的黄铜合金，原料成本低于C36000黄铜合金；具体地，平均每吨成本低大约3000元。

测试例：各实施例和对比例的黄铜合金性能测定

对实施例1-10和对比例1-9制备得到的Ф28mm黄铜合金棒进行热锻性能和力学性能的测试。

1)热锻性能测试

从Ф28mm的铜棒上切取长度为35mm的试样，在680℃、750℃温度下热锻变形，并采用下述定义的镦粗率，观察不同墩粗率下锻件表面的裂纹情况，对各实施例和对比例的黄铜合金的热锻造性能进行评价。

镦粗率(％)＝[(35-h)/35]×100％(h为热镦粗后试样的高度)

锻造试样表面光洁，有光泽，无明显裂纹，则为优，用“〇”表示；表面较粗糙，无明显裂纹则为良，用“Δ”表示；有肉眼可视裂纹则为差，用“×”表示。结果如表2所示。

表2各实施例和对比例的黄铜合金的热锻造性能测试结果

由上表可知，本发明的黄铜合金，具有优异的锻造性能。与各对比例相比(对比例3的C36000合金除外)，在同一温度同一墩粗率下，其表面更光滑，不会有裂纹产生。本发明合金的热锻造性能与接近于铜含量高的C36000合金。因其优异的锻造性能，本发明合金适用于零部件需要进行热锻成型的场合。

2)力学性能和切削性能测试

将各实施例和对比例的Ф28mm的铜棒，加工成Ф10mm的拉伸试样，试样状况为铸态。在室温下进行拉伸试验，试验结果见表3。

针对各实施例和对比例的Ф28mm铸态试样，采用北京航空航天大学研制的车、铣、钻、磨通用切削力测试仪，以相同的刀具、切削速度和进刀量进行测量(刀具型号：VCGT160404-AKH01，转速：570r/min，进给：0.2mm/r，背吃刀量：单边2mm)，分别测量各合金的切削阻力，计算得出相对切削率，结果见表3。

表3各实施例和对比例的黄铜合金的力学性能和切削性测试结果

表3的数据示出：与大多数对比例的黄铜合金比较，本发明的合金具有很高的强度与较好的断后伸长率，同时具有优异的切削性能。与简单铜含量低的锰黄铜(对比例2)相比，本发明合金的切削性能更为优异。与铜含量高的合金C36000(对比例3)相比，本发明合金的抗拉强度更大，切削性能基本相当，唯塑性较差，但已可满足使用要求，尤其是满足一般热锻成型加工材料的性能需要。

另外，对比例5的黄铜合金Mn元素含量较高，虽然其热锻性、抗张强度较好，但是发明人发现该合金颜色发白，切削性能变差。对比例7的黄铜合金，其Fe元素含量较高，该合金切削性能也变差，且容易生锈。

因此，综合成本、热锻性能、力学和切削性能(分别见表1-表3)，本发明提供了一种热锻性能优异、低成本的黄铜合金，特别适用于零部件需要进行热锻成型的场合，其力学和加工性能完全能够使用要求。

Claims (6)

1.一种热锻性能优异、低成本的黄铜合金，以所述黄铜合金的重量为基准，该黄铜合金含有48wt%-50wt%的Cu、41wt%-47wt%的Zn、0.5wt%-1.3wt%的Fe、2.0wt%-4.0wt%的Mn、2.1wt%-3.9wt%的Pb、0.01wt%-3.0wt%的组分X以及不可避免的杂质元素，所述组分X同时包含0.04wt%-0.65wt%的Al、0.5wt%-2.0wt%的Ni和0.1wt%-1.0wt%的Sn三种，所述组分X还可包含0.001wt%-0.1wt%的P、0.001-0.1wt%的Mg和0.0005wt%-0.005wt%的B中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金含有Cu-Zn-Mn固溶体，Pb、Fe作为独立第三相在其中弥散均匀分布，所述黄铜合金的晶粒大小为0.05-0.4mm。

3.根据权利要求1所述的黄铜合金，其特征在于，以所述黄铜合金的重量为基准，该黄铜合金含有0.5wt%-3.0wt%的组分X。

4.权利要求1至3中任一项所述的热锻性能优异、低成本的黄铜合金的制造方法，包括以下步骤：配料—熔炼—水平连铸成铜棒—冷加工—检验包装，其中所述水平连铸的温度为960~1060℃。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，配料步骤中所用的铜原料为纯铜废料和/或铜合金废料。

6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述冷加工包括扒皮矫直。