CN110358954B

CN110358954B - 一种绿色环保的易切削铝铜合金及其制备方法

Info

Publication number: CN110358954B
Application number: CN201910606418.XA
Authority: CN
Inventors: 王顺成; 贾义旺; 周楠; 李新涛; 杨莉
Original assignee: Guangdong Institute of Materials and Processing
Current assignee: Institute Of Materials And Processing Guangdong Academy Of Sciences; Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: CN110358954A

Abstract

本发明涉及一种绿色环保的易切削铝铜合金及其制备方法，铝铜合金由以下质量百分比的成分组成：Cu 5.0～6.0％，Bi 0.8～1.2％，Sn 0.3～0.5％，Mn 0.3～0.5％，Cr 0.1～0.3％，Ce 0.05～0.1％，B 0.03～0.05％，Ti 0.01～0.02％，C 0.0004～0.0008％，余量为Al和不可避免的杂质元素。本发明通过复合添加Bi和Sn，优化设计Bi和Sn的成分组成，提高铝铜合金的切削性能。通过细化变质粗大针状富铁相，使其弥散分布在铝基体，消除富铁相对铝铜合金强度、塑性和耐腐蚀性能危害。通过形成多元弥散强化相，阻碍晶界高温流变，提高铝铜合金的高温稳定性。本发明铝铜合金不含铅，属于绿色环保的易切削铝铜合金，具有优异的力学性能、切削加工性能、耐高温性能和抗腐蚀性能。

Description

一种绿色环保的易切削铝铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝铜合金制备技术领域，具体是涉及一种绿色环保的易切削铝铜合金及其制备方法。

背景技术

铝铜合金是以铜为主要合金元素的铝合金，属于可热处理强化的铝合金，具有强度高、硬度高的特点，广泛用于电子电器、交通运输、机械装备、航空航天、武器装备等领域，如传送阀门、充气阀、轮毂，活塞、导风轮、轮盘、滑轮，轴承、铆钉、螺栓、螺杆等零部件。这些众多的铝铜合金零部件通常都是通过对铝铜合金挤压棒材进行大量切削加工后获得，如车、铣、刨、钻孔、攻丝等。

易切削铝合金通常是指切屑易断、不粘刀、不缠刀、排屑方便的铝合金。易切削铝合金可以采用更高的速度或者更大的进刀量进行切削加工，因而可以显著提高切削加工的生产效率，并获得表面光洁度好、尺寸精度高的精密铝合金零部件。

目前主要通过添加低熔点金属元素来提高铝合金的切削性能，在铝合金高速切削加工过程中，由于摩擦生热使铝合金切屑的温度升高，当与刀具接触点附件的铝合金切屑温度接近或达到低熔点金属元素及其组成物的熔点时，这些低熔点金属元素及其组成物发生软化或熔化，铝合金切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果。

随着经济社会的发展，现有易切削铝铜合金在生产和使用过程中仍然存在以下问题：

(1)现有易切削铝铜合金普遍含低熔点元素铅，而铅是有毒性的重金属元素，对人体和环境有危害污染作用。随着人们生活水平的提高和环境保护意识的增强，含铅的易切削铝铜合金逐渐开始遭到禁止生产、销售和使用。国际上许多国家对含铅等有害物质的产品已设置了严格的技术壁垒，欧盟市场已禁止销售含有铅、镉、汞等6种有害物质的电子电器产品，包括家电、通信等十大类电子电气产品。因此，迫切需要开发绿色环保的易切削铝铜合金；

(2)随着数控车床、数控铣床、数控钻床等高速数控机床的普及和应用，现有易切削铝铜合金的切削性能已越来越难以满足数控机床的高速切削加工要求，迫切需要开发切削性能更优异的铝铜合金；

(3)现有易切削铝铜合金普遍还存在强度偏低、高温脆性大、耐腐蚀性能较差等问题。

因此，现有易切削铝铜合金及其制备方法仍有待改进和发展。

发明内容

针对上述存在问题和不足，本发明提供一种绿色环保的易切削铝铜合金及其制备方法，铝铜合金不含重金属元素铅，符合环保要求，属于绿色环保的易切削铝铜合金，通过对成分组成的优化设计，提高铝铜合金的强度、切削性能和耐腐蚀性能，解决高温脆化问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种绿色环保的易切削铝铜合金，所述铝铜合金由以下质量百分比的成分组成：Cu 5.0～6.0％，Bi 0.8～1.2％，Sn 0.3～0.5％，Mn 0.3～0.5％，Cr 0.1～0.3％，Ce 0.05～0.1％，B 0.03～0.05％，Ti 0.01～0.02％，C 0.0004～0.0008％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。

其中Cu是本发明铝铜合金的主要强化元素，既有固溶强化作用，还能与Al形成CuAl₂强化相，显著增强铝铜合金的强度。Cu含量低于5.0％，铝铜合金的强度不足。Cu含量高于6.0％，铝铜合金的热裂倾向大，耐腐蚀性能变差。

Bi和Sn属于低熔点元素，Sn的熔点为231.9℃，Bi的熔点为271.3℃，主要作用是提高铝铜合金的切削性能。发明人通过大量实验研究后发现，复合添加Bi、Sn低熔点元素，当Bi含量为0.8～1.2％，Sn含量为0.3～0.5％时，可显著提高铝铜合金的切削性能，使铝铜合金获得优异的切削加工性能。

Mn和Cr属于过渡族元素，发明人通过大量的实验研究后发现，同时复合添加Mn和Cr，部分Mn、Cr首先可以直接固溶进铝基体，增大铝原子间的结合力，减慢铝原子的扩散过程和固溶体的分解速度，提高铝基体高温下的热稳定性。

其次，Mn、Cr与Al之间还能形成MnAl₆、CrAl₇和MnCrAl₁₂多种弥散强化相并分布在铝基体和晶界上，阻碍晶界、亚晶界的迁移和位错运动，增大铝基体内位错运动的阻力，阻碍高温下晶界的流变，显著提高铝铜合金的再结晶温度和高温稳定性。Mn含量低于0.3％或者Cr含量低于0.1％，起不到效果，Mn、Cr含量太高，又容易形成粗大的金属间化合物，恶化铝铜合金的力学性能。

Ce在铝铜合金中的作用主要是细化变质粗大针状富铁相。由于杂质元素Fe在铝铜合金中通常以粗大针状FeAl₃、FeSiAl₃等粗大针状β-Fe富铁相形式存在于铝铜合金基体中，这些粗大针状β-Fe富铁相为硬脆相，会严重割裂铝铜合金基体，成为铝铜合金发生断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，危害铝铜合金的强度和塑性。

另外，这些针状β-Fe富铁相还会与铝基体形成微电偶腐蚀，降低铝铜合金的耐腐蚀性能。发明人对这个问题进行大量实验探索研究后发现，添加0.05～0.1％的稀土元素Ce，由于Ce的化学活性强，在合金凝固过程中可吸附在FeAl₃、FeSiAl₃等富铁相的生长前沿，抑制β-Fe富铁相的按针状生长，最终可使粗大针状β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状α-Fe富铁相，并弥散分布在铝基体内部，消除粗大针状β-Fe富铁相对铝铜合金强度、塑性和耐腐蚀性能的危害，提高铝铜合金的强度、塑性和耐腐蚀性能。

除此以外，Ce还能与Al形成热力学稳定的CeAl₄相分布在晶界上，阻止结晶滑移，阻碍高温下晶界的流变，从而提高铝铜合金的高温稳定性。

B元素主要作用是细化和球化Bi+Sn低熔点共晶组织。发明人通过大量的实验研究后发现，Bi+Sn低熔点共晶组织在铝铜合金中通常连续网状分布，会降低铝铜合金的切削性能。B是表面活性元素，能吸附在Bi+Sn共晶组织的晶界上，细化和球化Bi+Sn共晶组织，使Bi+Sn共晶组织转变为细小的颗粒状和球状，并弥散分布铝基体上，从而提高铝铜合金的切削性能。B含量低于0.03％，起不到效果，但也不宜太高。

Ti和C是以AlTi5C0.2合金丝的形式在线加入到铝铜合金液中，主要作用是细化晶粒，改善组织均匀性，提高铝铜合金的强度和塑性。传统的AlTiB合金是铝合金的优良晶粒细化剂，但遇到Mn、Cr过渡族元素时，会被“毒化”而失去晶粒细化效果。

发明人通过大量的实验研究后发现，AlTi5C0.2合金晶粒细化剂对Mn、Cr的“毒化”有免疫作用，添加0.2～0.4％的AlTi5C0.2合金丝，铝铜合金中含有0.01～0.02％的Ti和0.0004～0.0008％的C，可将铝铜合金细化为细小均匀的等轴晶，显著改善铝铜合金的组织均匀性，提高铝铜合金的强度和塑性。

Fe、Si是铝铜合金中的主要杂质元素，主要由铝锭中的杂质元素含量决定。Fe、Si是铝锭中不可避免的杂质元素，铝锭的含铝量越高，即纯度越高，所含的Fe、Si等杂质元素也越低，最终铝铜合金中的Fe、Si等杂质元素含量也越低，越有利于保证铝铜合金的性能。但铝锭的纯度越高，价格也越贵，会显著增加铝铜合金的生产成本。选择铝含量≥99.7％的铝锭，可以保证铝铜合金中的杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。综合考虑铝铜合金的性能要求和生产成本因素，优选铝含量为99.7％的铝锭。

本发明进一步提供了一种绿色环保易切削铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照铝铜合金的成分组成及质量百分比，选用铝锭、锡锭、铋锭、铝铜合金、铝锰合金、铝铬合金、铝铈合金、铝硼合金和铝钛碳合金丝为原材料进行配料；

(2)将铝锭加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、铝铜合金、铝锰合金、铝铬合金、铝铈合金和铝硼合金，搅拌熔化成铝铜合金液；

(3)采用惰性气体和精炼剂对铝铜合金液进行喷吹精炼除气除杂处理，扒渣后再静置一段时间；

(4)将铝铜合金液导入流槽，然后加入铝钛碳合金丝进行在线细化处理；

(5)将铝铜合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

(6)将铝铜合金液半连续铸造成铝铜合金铸棒；

(7)将铝铜合金铸棒进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；

(8)将铝铜合金铸棒加热，然后挤压成铝铜合金棒材，然后将铝铜合金棒材水雾冷却至室温；

(9)将铝铜合金棒材进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到绿色环保的易切削铝铜合金；

优选地，步骤(1)中所述铝锭的铝含量≥99.7％，锡锭的锡含量≥99.99％，铋锭的铋含量≥99.99％，铝铜合金是AlCu50，铝锰合金是AlMn10，铝铬合金是AlCr10，铝铈合金是AlCe5，铝硼合金是AlB3，铝钛碳合金丝是AlTi5C0.2丝；

优选地，步骤(2)中所述将铝锭加热熔化是将铝锭置于炉底带有永磁搅拌装置的炉子中加热熔化，并在永磁搅拌作用下熔化成铝铜合金液，熔化温度为750～760℃；

由于Bi、Sn的密度较大，在铝铜合金液中的比重较大，容易形成偏析，人工搅拌一般都难以防止Bi、Sn的偏析。因此，为了防止Bi、Sn的偏析，优选炉底带有永磁搅拌炉子进行熔炼；

优选地，步骤(3)中所述惰性气体选自纯度≥99.99％的氮气或氩气，精炼剂选自不含NaCl、NaF、Na₂CO₃等钠盐的铝合金精炼剂，精炼剂的用量占原材料总重量的0.2～0.4％，喷吹精炼的时间为8～12分钟，静置的时间为40～50分钟；

氮气和氩气都是惰性气体，炉内喷吹精炼使用氮气或氩气都可以，除气除杂的效果一样，但为了保证除气除杂效果，氮气或者氩气的纯度必须≥99.99％。使用含有NaCl、NaF、Na₂CO₃等钠盐的铝合金精炼剂容易造成铝铜合金发生钠脆，因此，为了防止钠脆，优选不含NaCl、NaF、Na₂CO₃等钠盐的铝合金精炼剂；

优选地，步骤(4)中所述铝钛碳合金丝的加入量占原材料总重量的0.2～0.4％；

优选地，步骤(5)中所述除气机的石墨转子旋转速度为390～410转/分钟，惰性气体为氮气或氩气，惰性气体的流量为1.3～1.5立方米/小时，泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～60ppi；

气孔和夹杂是铝铜合金的常见缺陷，这些缺陷也是铝铜合金断裂的裂纹源和被腐蚀的起点，会降低铝铜合金的力学性能和耐腐蚀性能。为了提高铝铜合金的洁净度，发明人通过大量实验研究后发现，在对炉内铝铜合金液进行喷吹精炼除气除杂基础上，再将铝铜合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，可深度净化铝铜合金液，获得高洁净度的铝铜合金，确保铝铜合金获得足够的力学性能和耐腐蚀性能；

优选地，步骤(6)中所述半连续铸造的铸造温度为705～715℃，铸造速度为110～120毫米/分钟，冷却水压力为0.9～1.1MPa；

由于Bi、Sn的比重较大，铸造时容易形成偏析。为了防止Bi、Sn的偏析，发明经过反复试验摸索后发现，在铸造温度为705～715℃、铸造速度为110～120毫米/分钟和冷却水压力为0.9～1.1MPa条件下进行半连续铸造，可有效防止Bi、Sn的偏析，获得Bi、Sn均匀分布的铝铜合金铸棒；

优选地，步骤(7)中所述双级均匀化处理是将铝铜合金铸棒先加热至380～390℃保温4～5小时，接着继续升温到460～470℃保温1～2小时；

均匀化处理的目的是消除铝铜合金铸棒内部Cu、Bi、Sn、Mn、Cr等元素的宏微观偏析，使粗大金属间化合物尽可能充分熔解。发明人通过对本发明铝铜合金铸棒的均匀化处理工艺进行大量实验摸索研究后发现，采用双级均匀化处理工艺，将铝铜合金铸棒先加热至380～390℃保温4～5小时，接着继续升温到460～470℃保温1～2小时，然后水雾强制冷却至室温，可以消除铝铜合金铸棒内部Cu、Bi、Sn、Mn、Cr等元素的宏微观偏析，使粗大金属间化合物充分熔解，确保铝铜合金铸棒的质量；

优选地，步骤(8)中所述铝铜合金铸棒的加热温度为475～485℃，挤压模具的温度为430～440℃，挤压筒的温度为420～430℃，挤压速度为6～7米/分钟，挤压比为20～30；

挤压工艺参数不仅会直接影响挤压过程和生产效率，还会影响到铝铜合金棒材内部和表面质量。挤压工艺参数主要通过影响铝铜合金挤压过程的热平衡来体现，铝铜合金铸棒、挤压模具和挤压料筒的温度太低或者挤压速度太快或者挤压比太大，配合不合理，会导致变形抗拉太大，无法顺利挤压出铝铜合金棒材；温度太高或者挤压比太小，又无法获得内部和表面质量优良的铝铜合金棒材，而挤压速度太慢则生产效率太低；

发明人通过大量实验探索研究后发现，在铝铜合金铸棒的加热温度为475～485℃、挤压模具的温度为430～440℃、挤压筒的温度为420～430℃、挤压速度为6～7米/分钟和挤压比为20～30条件下，可获得内部和表面质量优良的铝铜合金棒材；

优选地，步骤(9)中所述双级时效处理是将铝铜合金棒材先加热至145～155℃保温3～4小时，然后继续降温至120～130℃保温5～6小时。

时效工艺会直接影响到CuAl2强化相的形态、大小和分布，进而影响铝铜合金棒材的强度、塑性和耐腐蚀性能。发明人对本发明铝铜合金棒材的时效工艺进行系统研究后发现，采用双级时效工艺，将铝铜合金棒材先加热至145～155℃保温3～4小时，然后继续降温至120～130℃保温5～6小时，铝铜合金棒材可获得所需要的强度、塑性和耐腐蚀性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的易切削铝铜合金只含有Bi和Sn低熔点元素，不含铅等重金属元素，不会对人体健康和生态环境带来危害和污染作用，属于绿色环保的易切削铝铜合金；

(2)本发明通过优化设计低熔点金属元素Bi、Sn的成分组成，使Bi、Sn低熔点共晶相均匀弥散分布在铝基体，显著提高了铝铜合金的切削性能，高速切削加工时，切屑易断、不粘刀、不缠刀、排屑方便；

(3)本发明通过复合添加Mn和Cr，形成多种弥散质点分布在铝基体，阻碍晶界、亚晶界的迁移和位错运动，阻止高温下晶界的流变，提高铝铜合金的再结晶温度和高温稳定性，解决了易切削铝铜合金的高温脆化问题；

(4)本发明通过细化变质处理，使粗大的针状β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状并弥散分布铝基体上，消除了粗大针状β-Fe富铁相对强度和耐腐蚀性能的影响，提高了铝铜合金的强度和耐腐蚀性能；

(5)本发明通过优化设计铝铜合金的熔铸、均匀化、挤压和时效工艺参数，提高铝铜合金的洁净度和组织成分均匀性，进一步提高了铝铜合金的强度、切削性能、高温稳定性和耐腐蚀性能；

(6)本发明铝铜合金的室温抗拉强度大于500MPa，断后伸长率大于12％，150℃高温下铝铜合金的抗拉强度大于420MPa，断后伸长率大于16％，切屑易断、不粘刀、不缠刀、排屑方便，具有优异的切削性能以及良好的高温稳定性和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为实施例1铝铜合金的车屑形貌。

图2为实施例2铝铜合金的车屑形貌。

图3为实施例3铝铜合金的车屑形貌。

图4为对比例1铝铜合金的车屑形貌。

图5为对比例2铝铜合金的车屑形貌。

图6为对比例3铝铜合金的车屑形貌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明实施例的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种绿色环保的易切削铝铜合金，其组成及质量百分比如下：Cu 5.7％，Bi0.9％，Sn 0.4％，Mn 0.4％，Cr 0.2％，Ce 0.08％，B 0.04％，Ti 0.015％，C 0.0006％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

(1)按照铝铜合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、锡含量99.99％的锡锭、铋含量99.99％的铋锭、AlCu50合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlCe5合金、AlB3合金和AlTi5C0.2合金丝为原材料进行配料；

(2)将铝锭置于炉底带有永磁搅拌装置的炉子中于755℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、AlCu50合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlCe5合金和AlB3合金，搅拌熔化成铝铜合金液；

(3)采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.3％的无钠精炼剂对铝铜合金液进行喷吹精炼10分钟除气除杂处理，扒渣后再静置45分钟；

(5)将铝铜合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为400转/分钟、氩气流量为1.4立方米/小时的除气机和孔隙率为50ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

(6)在铸造温度为710℃、铸造速度为115毫米/分钟、冷却水压力为1MPa的条件下，将铝铜合金液半连续铸造成铝铜合金铸棒。

(7)将铝铜合金铸棒先加热至385℃保温4.5小时，接着继续升温到465℃保温1.5小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；

(8)将铝铜合金铸棒的加热至480℃，然后在挤压模具温度为435℃、挤压筒温度为425℃、挤压速度为6.5米/分钟和挤压比为25条件下挤压成铝铜合金棒材，然后将铝铜合金棒材水雾冷却至室温；

(9)将铝铜合金棒材先加热至150℃保温3.5小时，然后降温至125℃保温5.5小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝铜合金。

实施例2

一种绿色环保的易切削铝铜合金，其组成及质量百分比如下：Cu5.0％，Bi 1.2％，Sn 0.3％，Mn 0.5％，Cr 0.1％，Ce 0.05％，B 0.05％，Ti 0.01％，C 0.0004％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

(2)将铝锭置于炉底带有永磁搅拌装置的炉子中于750℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、AlCu50合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlCe5合金和AlB3合金，搅拌熔化成铝铜合金液；

(3)采用纯度99.99％的氩气和占原材料总重量0.4％的无钠精炼剂对铝铜合金液进行喷吹精炼8分钟除气除杂处理，扒渣后再静置50分钟；

(5)将铝铜合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为410转/分钟、氩气流量为1.3立方米/小时的除气机和孔隙率为60ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

(6)在铸造温度为705℃、铸造速度为120毫米/分钟、冷却水压力为0.9MPa的条件下，将铝铜合金液半连续铸造成铝铜合金铸棒。

(7)将铝铜合金铸棒先加热至390℃保温4小时，接着继续升温到470℃保温1小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；

(8)将铝铜合金铸棒的加热至475℃，然后在挤压模具温度为440℃、挤压筒温度为420℃、挤压速度为7米/分钟和挤压比为30条件下挤压成铝铜合金棒材，然后将铝铜合金棒材水雾冷却至室温；

(9)将铝铜合金棒材先加热至145℃保温4小时，然后降温至120℃保温6小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝铜合金。

实施例3

一种绿色环保的易切削铝铜合金，其组成及质量百分比如下：Cu 6.0％，Bi0.8％，Sn 0.5％，Mn 0.3％，Cr 0.3％，Ce 0.1％，B 0.03％，Ti 0.02％，C 0.0008％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

(2)将铝锭置于炉底带有永磁搅拌装置的炉子中于760℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、AlCu50合金、AlMn10合金、AlCr10合金、AlCe5合金和AlB3合金，搅拌熔化成铝铜合金液；

(3)采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.2％的无钠精炼剂对铝铜合金液进行喷吹精炼12分钟除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；

(5)将铝铜合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为390转/分钟、氩气流量为1.5立方米/小时的除气机和孔隙率为50ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

(6)在铸造温度为715℃、铸造速度为110毫米/分钟、冷却水压力为1.1MPa的条件下，将铝铜合金液半连续铸造成铝铜合金铸棒。

(7)将铝铜合金铸棒先加热至380℃保温5小时，接着继续升温到460℃保温2小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；

(8)将铝铜合金铸棒的加热至485℃，然后在挤压模具温度为430℃、挤压筒温度为430℃、挤压速度为6米/分钟和挤压比为20条件下挤压成铝铜合金棒材，然后将铝铜合金棒材水雾冷却至室温；

(9)将铝铜合金棒材先加热至155℃保温3小时，然后降温至130℃保温5小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝铜合金。

对比例1

一种铝铜合金，其组成及质量百分比如下：铝铜合金由以下质量百分比的成分组成：Cu 5.7％，Bi 0.6％，Sn 0.4％，Mn 0.4％，Cr 0.2％，Ce 0.08％，B 0.04％，Ti0.015％，C 0.0006％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

对比例2

一种铝铜合金，其组成及质量百分比如下：Cu 5.0％，Bi 1.2％，Sn 0.1％，Mn0.5％，Cr 0.1％，Ce 0.05％，B 0.05％，Ti 0.01％，C 0.0004％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

对比例3

一种铝铜合金，其组成及质量百分比如下：Cu 6.0％，Bi 0.8％，Sn 0.5％，Mn0.3％，Cr 0.3％，Ce 0.02％，B 0.03％，Ti 0.02％，C 0.0008％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2％，Si≤0.1％，其它杂质元素单个含量≤0.05％，总量≤0.15％；

所述铝铜合金的制备方法包括如下步骤：

验证例

按国家标准GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，将实施例1～3和对比例1～3的铝铜合金加工成标准拉伸试样，在INSTRON-200型电子拉伸试验机上进行25℃室温和150℃高温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，检测铝铜合金的室温和高温抗拉强度和断后伸长率，检测结果分别如表1所示。

表1实施例和对比例铝铜合金的室温和高温拉伸力学性能

为了检验实施例和对比例的铝铜合金的切削性能，分别在实施例1～3和对比例1～3的铝铜合金上取样，在CTN3500型车床上进行车削试验，刀具材料为YG8硬质合金，刀具进刀量为0.5毫米，转速为1500转/分钟，通过观察车屑的形貌来评价铝铜合金的切削性能，图1～3分别为实施例1～3铝铜合金的车屑形貌，图4～6分别为对比例1～3铝铜合金的车屑形貌。

从表1可看到，本发明实施例的铝铜合金的室温抗拉强度大于500MPa，断后伸长率大于12％，150℃高温下铝铜合金的抗拉强度大于420MPa，断后伸长率大于16％。从图1～3可看到，本发明实施例1～3铝铜合金的车屑易断，未见连续长条的车屑。

从图4和图5可看到，对比例1的铝铜合金由于Bi含量低于0.8％，对比例2的铝铜合金由于Sn含量低于0.3％，铝铜合金的车屑连续、不易断，车屑较长。从表1可看到，对比例3的铝铜合金由于Ce含量低于0.05％，其室温抗拉强度低于500MPa，断后伸长率低于12％，150℃高温下的抗拉强度低于420MPa，断后伸长率低于16％。

通过上述实施例和对比例铝铜合金的比较可以看到，本发明通过优化设计Bi、Sn的成分组成、对粗大针状富Fe相进行细化变质处理和添加B元素对Bi+Sn共晶组织进行细化球化处理，可以显著提高铝铜合金的强度、切削性能，且本发明易切削铝铜合金不含铅等重金属元素，属于绿色环保的易切削铝铜合金。

Claims

1.一种绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于，所述铝铜合金由以下质量百分比的成分组成：Cu 5.0～6.0%，Bi 0.8～1.2%，Sn 0.3～0.5%，Mn 0.3～0.5%，Cr 0.1～0.3%，Ce 0.05～0.1%，B 0.03～0.05%，Ti 0.01～0.02%，C 0.0004～0.0008%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素Fe≤0.2%，Si≤0.1%，其它杂质元素单个含量≤0.05%，总量≤0.15%；

并包括如下步骤：

（1）按照铝铜合金的成分组成及质量百分比，选用铝锭、锡锭、铋锭、铝铜合金、铝锰合金、铝铬合金、铝铈合金、铝硼合金和铝钛碳合金丝为原材料进行配料；

（2）将铝锭加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、铝铜合金、铝锰合金、铝铬合金、铝铈合金和铝硼合金，搅拌熔化成铝铜合金液；

（3）采用惰性气体和精炼剂对铝铜合金液进行喷吹精炼除气除杂处理，扒渣后再静置一段时间；

（4）将铝铜合金液导入流槽，然后加入铝钛碳合金丝进行在线细化处理；

（5）将铝铜合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；

（6）将铝铜合金液半连续铸造成铝铜合金铸棒；

（7）将铝铜合金铸棒进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；

（8）将铝铜合金铸棒加热，然后挤压成铝铜合金棒材，然后将铝铜合金棒材水雾冷却至室温；

（9）将铝铜合金棒材进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到绿色环保的易切削铝铜合金；

其中，步骤（6）中所述半连续铸造的铸造温度为705～715℃，铸造速度为110～120毫米/分钟，冷却水压力为0.9～1.1Mpa；

步骤（7）中所述双级均匀化处理是将铝铜合金铸棒先加热至380～390℃保温4～5小时，接着继续升温到460～470℃保温1～2小时；

步骤（9）中所述双级时效处理是将铝铜合金棒材先加热至145～155℃保温3～4小时，然后继续降温至120～130℃保温5～6小时；

步骤（8）中所述铝铜合金铸棒的加热温度为475～485℃，挤压模具的温度为430～440℃，挤压筒的温度为420～430℃，挤压速度为6～7米/分钟，挤压比为20～30。

2.根据权利要求1所述的绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述铝锭的铝含量≥99.7%，锡锭的锡含量≥99.99%，铋锭的铋含量≥99.99%，铝铜合金是AlCu50，铝锰合金是AlMn10，铝铬合金是AlCr10，铝铈合金是AlCe5，铝硼合金是AlB3，铝钛碳合金丝是AlTi5C0.2丝。

3.根据权利要求1所述的绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述将铝锭加热熔化是将铝锭置于炉底带有永磁搅拌装置的炉子中加热熔化，并在永磁搅拌作用下熔化成铝铜合金液，熔化温度为750～760℃。

4.根据权利要求1所述的绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述惰性气体选自纯度≥99.99%的氮气或氩气，精炼剂选自不含NaCl、NaF、Na₂CO₃等钠盐的铝合金精炼剂，精炼剂的用量占原材料总重量的0.2～0.4%，喷吹精炼的时间为8～12分钟，静置的时间为40～50分钟。

5.根据权利要求1所述的绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述铝钛碳合金丝的加入量占原材料总重量的0.2～0.4%。

6.根据权利要求1所述的绿色环保的易切削铝铜合金的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所述除气机的石墨转子旋转速度为390～410转/分钟，惰性气体为氮气或氩气，惰性气体的流量为1.3～1.5立方米/小时，泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～60ppi。