CN110791680A - 一种易切削黄铜线材及其制备方法 - Google Patents

一种易切削黄铜线材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种易切削黄铜线材及其制备方法，按质量百分比计，该易切削黄铜线材由以下化学成分组成：Cu：57.0‑58.0％、Sn：0.05‑0.5％、Fe：0.05‑0.5％、Ni：0.05‑0.5％、Pb：≤0.07％，余量为Zn和不可避免的微量杂质。该易切削黄铜线材的制备方法包括：配料、熔炼、铸造、挤压、拉拔、中间软化退火、小加工率拉拔、低温去应力退火、成品检验、包装。本发明的易切削黄铜线材组分配比科学合理合、金强度高，在铅含量很低(Pb：≤0.07％)的情况下仍然具有很好的切削性能，可替代铅黄铜用于制作接线端子排；同时很低的铅含量使本发明的线材绿色环保。

Description

一种易切削黄铜线材及其制备方法
技术领域
本发明涉及铜合金材料及工艺技术领域，尤其涉及一种易切削黄铜线材及其制备方法。
背景技术
含铅黄铜具有良好的切削加工性能，用途广泛。但是铅是一种有害元素，它被人体吸收后损伤大脑中枢及周围神经系统，对人体健康产生一定的影响，随着人们健康意识的提高，一些原先使用铅黄铜的领域逐渐要求无铅化，而其他替代铅黄铜的材料都存在生产难、成本高、废料不易回收等问题，而限制其在一些领域的应用。
欧盟ROHS规定电子及汽车配件铜合金的Pb含量在0.1％以下；CDA(美国铜行业协会)规定无铅环保铜中Pb含量在0.09％以下。当黄铜中Pb含量在0.1％以下时，其切削性能很差，不满足零件切削加工要求。目前电气行业用的接线端子排主要用铅黄铜材料制作，接线端子排不仅要求较高的强度(抗拉强度不低于600MPa，硬度HV5不低于150)，还要求有良好的塑性(延伸率A11.3％不低于9％)，同时由于接线端子排需要钻孔，还需要有良好的切削性能(钻屑细碎，易排屑)。
因此，急需一种易切削黄铜替代铅黄铜用于制作接线端子排，此黄铜材料具有高强度、绿色环保又易切削的特性。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种易切削黄铜线材及其制备方法，此易切削黄铜线材组分配比科学合理、合金强度高、绿色环保，同时具有良好的易切削性能，可替代铅黄铜用于制作接线端子排。
为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种易切削黄铜线材，按质量百分比计，包括如下化学成分：Cu：57.0-58.0％、Sn：0.05-0.5％、Fe：0.05-0.5％、Ni：0.05-0.5％、Pb：≤0.07％，余量为Zn和不可避免的微量杂质。
进一步地，所述易切削黄铜线材按质量百分比计，包括如下化学成分：Cu：57.4％、Sn：0.25％、Fe：0.15％、Ni：0.25％、Pb：0.05％，余量为Zn和不可避免的微量杂质。
本发明的第二个方面是提供一种所述易切削黄铜线材的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料、熔炼：按黄铜线材的化学成分以及质量百分比称料，将电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1020-1090℃，喷火1-3次，每次10-30s，静置5-10min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm；
(2)铸造：当保温炉温度达到1020-1080℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为550-680℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压；
(4)拉拔、中间软化退火；
(5)小加工率拉拔、低温去应力退火；
(6)成品检验、包装。
进一步地，步骤(2)中，所述水平连铸的具体铸造参数为：铸锭规格直径120-270mm，牵引时间3-15s，牵引节距2-15mm，停顿时间1-10ms，反退时间1-10s，反退节距0.5-6mm，退停时间0.1-5s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度300-1000mm。
进一步地，所述步骤(3)中，所述挤压温度为700-770℃，挤压出的线坯采用在线水冷技术处理。
进一步优选地，所述在线水冷技术具体为：所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后再收线，通过在线高温快速水冷工艺，形成了以β相为基体，针状α相从β相基体中析出的特殊组织。
进一步地，步骤(3)中，所述脱皮挤压具体为：压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，线坯盘圆方式收线。
进一步地，步骤(4)中，所述拉拔的加工率为7-30％。
进一步地，步骤(4)中，所述软化退火的温度为430-520℃，升温时间为30-60min，保温时间为120-300min。
进一步地，步骤(5)中，所述小加工率拉拔的加工率为7-15％；所述低温去应力退火的温度为270-350℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的易切削黄铜线材组分配比科学合理合、金强度高，在铅含量很低(Pb：≤0.07％)的情况下仍然具有很好的切削性能，可替代铅黄铜用于制作接线端子排；同时很低的铅含量使本发明的线材绿色环保。
本发明的易切削黄铜线材的制备方法，在挤压步骤中控制挤压温度为700-770℃，挤压出的线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后再收线，通过在线高温快速水冷工艺，形成了以β相为基体，针状α相从β相基体中析出的特殊组织；由于β相属于硬脆相，β相作为基体相，提高了材料强度，而α相属于软性相，针状软性α相分割脆性β相，使得材料不仅强度高，而且塑性好，并且易于切削加工。
说明书附图
图1为本发明的实施例1中挤压坯水冷金相组织；
图2为本发明的实施例2中成品金相组织；
图3为本发明的实施例3中成品钻屑形貌图；
图4为对比合金CuZn39钻屑形貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
易切削黄铜线材的制备：
(1)配料、熔炼：按照如下化学成分以及质量百分比：Cu：57.5％、Sn：0.17％、Fe：0.34％、Ni：0.07％、Pb：0.04％，余量为Zn，称取电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块；将所称取的电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1030-1050℃，喷火2次，每次10-30s，静置8min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm。
(2)铸造：当保温炉温度达到1030-1040℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；铸锭规格直径145mm，牵引时间3s，牵引节距8mm，停顿时间1s，反退节距3mm，退停时间1s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度550mm。
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为705℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压，压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，挤出的线坯规格为7.4*11.9，所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后，进行盘圆方式收线。
(4)将收线后的线坯进行拉拔、中间软化退火，即将7.4*11.9的线坯拉拔至6.5*11.0；软化退火温度480℃，升温时间40min，保温时间240min。
(5)将软化退火后的线坯进行小加工率拉拔、低温去应力退火，即将软化退火后的6.5*11.0线坯酸洗除去氧化皮后，拉拔至6.0*10.5的扁线成品。
(6)成品检验、包装。
实施例2
易切削黄铜线材的制备：
(1)配料、熔炼：按照如下化学成分以及质量百分比：Cu：57.3％、Sn：0.28％、Fe：0.14％、Ni：0.26％、Pb：0.06％，余量为Zn，称取电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块；将所称取的电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1050-1060℃，喷火2次，每次10-30s，静置10min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm。
(2)铸造：当保温炉温度达到1040-1050℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；铸锭规格直径170mm，牵引时间2s，牵引节距7mm，停顿时间2s，反退节距3mm，退停时间2s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度600mm。
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为743℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压，压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，挤出的线坯规格为6.9*11.4，所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后，进行盘圆方式收线。
(4)将收线后的线坯进行拉拔、中间软化退火，即将6.9*11.4的线坯拉拔至6.1*10.7；软化退火温度500℃，升温时间45min，保温时间210min。
(5)将软化退火后的线坯进行小加工率拉拔、低温去应力退火，即将软化退火后的6.1*10.7线坯酸洗除去氧化皮后，拉拔至5.6*10.2的扁线成品。
(6)成品检验、包装。
实施例3
易切削黄铜线材的制备：
(1)配料、熔炼：按照如下化学成分以及质量百分比：Cu：57.1％、Sn：0.06％、Fe：0.41％、Ni：0.33％、Pb：0.03％，余量为Zn，称取电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块；将所称取的电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1030-1045℃，喷火2次，每次10-30s，静置15min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm。
(2)铸造：当保温炉温度达到1030-1045℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；铸锭规格直径245mm，牵引时间5s，牵引节距6mm，停顿时间3s，反退节距3mm，退停时间3s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度800mm。
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为726℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压，压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，挤出的线坯规格为8.1*12.5，所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后，进行盘圆方式收线。
(4)将收线后的线坯进行拉拔、中间软化退火，即将8.1*12.5的线坯拉拔至7.0*11.2；软化退火温度490℃，升温时间45min，保温时间240min。
(5)将软化退火后的线坯进行小加工率拉拔、低温去应力退火，即将软化退火后的7.0*11.2线坯酸洗除去氧化皮后，拉拔至6.5*10.7的扁线成品。
(6)成品检验、包装。
实施例4
易切削黄铜线材的制备：
(1)配料、熔炼：按照如下化学成分以及质量百分比：Cu：57.4％、Sn：0.25％、Fe：0.15％、Ni：0.25％、Pb：0.05％，余量为Zn和不可避免的微量杂质，称取电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块；将所称取的电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1060-1070℃，喷火2次，每次10-30s，静置10min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm。
(2)铸造：当保温炉温度达到1050-1060℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；铸锭规格直径245mm，牵引时间2s，牵引节距4mm，停顿时间2s，反退节距2mm，退停时间2s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度800mm。
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为738℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压，压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，挤出的线坯规格为5.4*10.1，所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后，进行盘圆方式收线。
(4)将收线后的线坯进行拉拔、中间软化退火，即将5.4*10.1的线坯拉拔至4.5*9.4；软化退火温度500℃，升温时间60min，保温时间180min。
(5)将软化退火后的线坯进行小加工率拉拔、低温去应力退火，即将软化退火后的4.5*9.4线坯酸洗除去氧化皮后，拉拔至4.1*9.0的扁线成品。
(6)成品检验、包装。
性能测试
将实施例1-4中所制备的易切削黄铜线材的性能进行测试，结果如表1所示：
表1
项目 硬度(HV5) 抗拉强度/MPa 延伸/A11.3％
实施例1 166 641 15
实施例2 159 622 19
实施例3 172 650 13
实施例4 169 638 16
从表1可以看到本发明制备的易切削黄铜线材具有铅含量低、高强度、塑性好的特点。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无铅易切削黄铜线材，其特征在于，按质量百分比计，包括如下化学成分：Cu：57.0-58.0％、Sn：0.05-0.5％、Fe：0.05-0.5％、Ni：0.05-0.5％、Pb：≤0.07％，余量为Zn和不可避免的微量杂质。
2.根据权利要求1所述的无铅易切削黄铜线材，其特征在于，按质量百分比计，包括如下化学成分：Cu：57.4％、Sn：0.25％、Fe：0.15％、Ni：0.25％、Pb：0.05％，余量为Zn和不可避免的微量杂质。
3.一种如权利要求1或2所述的无铅易切削黄铜线材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配料、熔炼：按黄铜线材的化学成分以及质量百分比称料，将电解铜、镍块、含铁20％的铜铁中间合金、锡块、锌锭、铅块加入熔炼炉中熔化；待原料全部熔化后，加入100-500g清渣剂，搅拌30-60s，将液面浮渣捞干净，加入木炭覆盖，覆盖厚度30-80mm；然后升温至1020-1090℃，喷火1-3次，每次10-30s，静置5-10min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖厚度80-100mm；
(2)铸造：当保温炉温度达到1020-1080℃时，采用水平连铸铸造技术拉铸铸锭；
(3)挤压：步骤(2)所得的铸锭在挤压温度为550-680℃时，采用3150吨反向挤压机进行脱皮挤压；
(4)拉拔、中间软化退火；
(5)小加工率拉拔、低温去应力退火；
(6)成品检验、包装。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述水平连铸的具体铸造参数为：铸锭规格直径120-270mm，牵引时间3-10s，牵引节距2-15mm，停顿时间1-5s，反退时间1-7s，反退节距0.5-6mm，退停时间0.1-5s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度300-1000mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述挤压温度为700-770℃，挤压出的线坯采用在线水冷技术处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在线水冷技术具体为：所述线坯从模具流出后先经过水冷槽冷却后再收线，通过在线高温快速水冷工艺，形成了以β相为基体，针状α相从β相基体中析出的特殊组织。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述脱皮挤压具体为：压余厚度控制在10-15mm，同时挤出线坯数量4根，线坯盘圆方式收线。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述拉拔的加工率为7-30％。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述软化退火的温度为430-520℃，升温时间为30-60min，保温时间为120-300min。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述小加工率拉拔的加工率为7-15％；所述低温去应力退火的温度为270-350℃。
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