CN111235427A - 一种易切削黄铜合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种易切削黄铜合金，以质量百分比计，该黄铜合金包括以下组成：Cu 56.8～58.0%，Fe+Sn＜0.5%，Ni＜0.1%，Si＜0.05%，Pb＜0.07%，以及0.0005～0.2%的元素X和0.001～0.2%的元素M，余量为Zn和不可避免的杂质；其中，元素X为B、As、RE中的至少一种元素，元素M为Zr、P中的至少一种元素。该黄铜合金无污染且切削加工性能、耐脱锌腐蚀性能和机械性能良好，其抗拉强度≥550 MPa，延伸率＞9%，切削性能为C36000切削性能的60%以上，最长切屑长度比C28500减少20%以上，脱锌层厚度小于250μm，能够满足家用电器、通讯设备、检测和控制仪器、水暖行业的需求。

Description

一种易切削黄铜合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铜合金技术领域，具体涉及一种易切削黄铜合金及其制备方法和应用，该黄铜合金可应用于家用电器、通讯设备、检测和控制仪器、水暖等行业。

背景技术

黄铜具有出色的可加工性、机械强度、耐腐蚀性，是工业工程中常用的基础材料，如螺栓、螺母、液压零件、阀门和连接器、开关等等。这些零件通常经过对黄铜切削加工生产得到，而黄铜的可加工性是材料性能中至关重要的指标。作为黄铜的代表，铅黄铜因成本低廉、耐蚀性能好、切削性能优异等优点被广泛用于电气、机械、水暖等各个领域中。

在铅黄铜中，铅并非通过在基体上形成固溶体，而是以粒状分布来提高合金的切削加工性。为了得到所希望的可加工性，铅黄铜中通常添加多达2.0wt％以上的铅。然而铅本身具有毒性，在生产过程中，由于铅存在于熔解和铸造等过程产生的金属蒸汽中，会对人体的健康和环境卫生造成威胁。而在使用过程中，尤其是饮用水领域，由铅黄铜制成的供水设备的零件、阀门等含有的铅也有可能溶解于饮用水中，存在潜在危险性。由于这些原因，各国对含铅铜合金的使用进行了严格限制。

随着无铅黄铜的研究发展，以铋、锑、硅等元素代替铅的黄铜合金相继出现，并获得了能与铅黄铜相媲美的机械加工性能。与此同时，新的问题也随之而来，由于铋与铅同为重金属，其毒害性尚未确认，在欧盟国家不被认可，未来可能会受到限制；锑本身具有毒性，不适用于大规模的工业应用；硅黄铜由于其铜含量相对较高，成本也随之上浮，且含硅废料的处理也是一大难题。

迄今为止，在现有无铅黄铜和低铅黄铜的替代合金方面进行的研究尚不能获得满足要求的合金材料，反而会导致切削工具磨损的加剧，还可能引入其他对环境有害的元素，同时部分合金成本也比铅黄铜要高的多。因此，本发明提出一种减少多余合金元素成分、成本较低同时具有良好的耐脱锌腐蚀性能和切削性能的易切削黄铜合金及其制备方法和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种无污染且切削加工性能、耐脱锌腐蚀性能和机械性能良好的易切削黄铜合金及其制备方法和应用，该黄铜合金的抗拉强度≥550MPa，延伸率＞9％，切削性能为C36000切削性能的60％以上，最长切屑长度比 C28500减少20％以上，脱锌层厚度小于250μm，能够满足家用电器、通讯设备、检测和控制仪器、水暖行业的需求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种易切削黄铜合金，以质量百分比计，该黄铜合金包括以下组成：Cu 56.8～58.0％，Fe+Sn＜0.5％，Ni＜0.1％，Si＜0.05％，Pb＜ 0.07％，以及0.0005～0.2％的元素X和0.001～0.2％的元素M，余量为Zn和不可避免的杂质；其中，元素X为B、As、RE中的至少一种元素，元素M为Zr、P中的至少一种元素。

本发明黄铜合金中Fe的固溶度较低，超过固溶度的Fe以富铁相的形式存在于合金基体中。富铁相的熔点高，能够细化合金组织，并有效抑制晶粒长大，从而提高黄铜合金的机械性能和切削加工性能。如果Fe含量过高，会使富铁相发生偏析，导致合金耐蚀性的降低，并使合金表面性能劣化。一定含量的Sn可以提高本发明黄铜合金的强度和耐蚀性，但是当Fe 与Sn的总含量大于0.5％时，会降低合金的延伸率和切削性能，使得合金切削阻力增大，断屑能力降低，宏观体现为切屑连续且长。因此本发明黄铜合金将Fe与Sn的总含量控制在0.5％以下。

本发明黄铜合金中，Ni与Cu连续固溶，提高合金强度，降低合金塑性和韧性，有利于断屑，从而提高合金切削性能。而由于Ni的锌当量为负值，当Ni含量大于0.1％时，不利于合金中β相的形成，因此本发明黄铜合金将Ni含量控制在0.1％以下。

本发明黄铜合金中，Si与Fe同时存在时，会产生大块的团聚物，即高硬度的硅化铁粒子形成的硬质点，使得切削刀具的磨损增加，导致合金切削性能恶化，严重时可能会造成崩刀。另一方面，在卫浴等对产品表面性能要求很高的行业，高硬度的硅化铁粒子形成的硬质点会影响产品的抛光和电镀，甚至产生缺陷。故本发明黄铜合金中的Si含量控制在0.05％以下。

Pb在本发明黄铜合金的切削加工过程中起到改变切屑形状、碎裂切屑、减少粘结和焊合以及提高切削速度的作用，但由于其在生产和使用过程对环境和人体存在极大危害，因此应受到严格限制，本发明黄铜合金中Pb含量被严格控制在0.07％以下。

B、As的加入能够提高本发明黄铜合金的耐脱锌腐蚀性能。并且，适量的B、As在改善合金耐蚀性的同时，对合金的硬度、强度和延展性不会造成显著的影响。另外B还具有细化晶粒、改善相分布的作用，可以提高合金的切削加工性能。但添加过量的B和/或As不会产生预期的更好的性能提升，同时会对合金的热加工性能产生负面影响。微量稀土元素的加入可显著细化本发明黄铜合金的铸态组织，除了净化基体的作用外，还会在黄铜表面形成一层薄密的稀土氧化物，延缓腐蚀，从而提高合金的耐脱锌腐蚀性能。本发明黄铜合金控制B、 As、RE中的至少一种元素的含量在0.0005～0.2％。

Zr、P在本发明黄铜合金中的作用为净化熔体、细化晶粒，同时能促使β相组织的均匀分布，有利于合金断屑的稳定性。P同时还具有脱氧、除气的作用。但当Zr和/或P的含量超过0.2％时，无法继续产生明显的作用，反而会使合金的冷热加工性能恶化。因此，本发明黄铜合金中将Zr、P中的至少一种元素的含量控制在0.001～0.2％。

本发明黄铜合金中的Zn作为余量，在Cu-Zn合金基体中形成固溶体，具有提高合金机械强度的作用。同时Zn能够降低合金熔点，提高熔融金属的流动性，从而改善其铸造性能。 Zn含量与本发明黄铜合金的相比例直接相关：当Zn含量不足时，合金中的β相比例偏低，达不到所需的切削性能；当Zn含量过高时，将会出现硬质γ相的沉积，使得合金的机械性能和热加工性能恶化。

本发明主要通过控制黄铜合金的微观组织来提高其切削性能，并通过热加工、热处理等工艺手段的控制来获得稳定的β相面积占比。随着一定范围内β相面积占比的增加，合金的硬度上升，延展性下降，使得合金的断屑能力提高，从而改善合金的机械加工性能。同时本发明人通过对合金成分的设计，严格控制Si、Ni等元素的含量，使合金在保证易切削性能的基础上减少了对刀具的磨损，同时使合金具有更好的抗脱锌腐蚀性能。

从晶体学的角度来看，黄铜中的α相强度相对较低、塑性好，可进行冷热加工；而β相常温下硬而脆，室温塑性低，高温塑性良好，可进行热加工。本发明黄铜合金是一款α+β型黄铜合金，其合金相主要由α相和β相组成，通过控制热加工(如挤压温度、冷却方式及冷却速率)和热处理工艺(如退火温度、保温时间)，从而有效改善合金微观组织中α相与β相的比例、形貌和分布情况，得到的α+β型黄铜合金具有高强度、塑性和切削性能，能形成细碎的锯齿形状切屑。随着本发明合金中β相比例逐渐上升，剩余的α相形态由之前的块状逐渐转变为小颗粒状或针状，使合金的断屑性能能够达到与铅黄铜相当的水平。本发明黄铜合金的横截面的微观组织中，β相的面积含量为55～70％，优选55～65％。

本发明黄铜合金的横截面的微观组织中，α相的平均晶粒尺寸控制在50μm以下。当α相的平均晶粒尺寸在50μm以下时，合金显示出良好的综合性能。为获得更为优异的成型性能，本发明黄铜合金中α相的平均晶粒尺寸进一步优选5～45μm。

本发明黄铜合金可以根据不同的应用需求加工成棒材、线材等。以棒材为例，本发明黄铜合金的制备过程为：熔铸→挤压→酸洗→拉伸→退火→成品，具体为：

(1)熔铸：本发明黄铜合金可采用半连铸或全连铸进行熔铸，铸造温度900～1000℃，优选920～980℃，添加合金组成中的各种微量合金元素，完全熔化后可采用电磁搅拌，获得黄铜合金铸锭。

(2)挤压：本发明黄铜合金为α+β两相合金，热加工性能良好。挤压温度须做严格控制，选择710～740℃。710～740℃的较高的挤压温度可保证合金组织中适量的β相比例，提高合金的高温塑性。若挤压温度过高，β相含量虽高，但合金脆性较大，不利于后续拉伸，易产生拉伸脆断；而若挤压温度过低，合金中的β相含量减少，容易出现挤压困难。在对挤压得到的挤压坯进行冷却时，选用风冷快速冷却，并控制风冷冷却速率在30℃/min以上，以抑制合金内原子扩散，使α相以过饱和形式保留至室温。当冷却速率较慢(低于30℃/min) 时，将发生α相向β相转变，且新生成的β相将在原有的晶界处形核，从而使β相出现偏聚长大的现象，导致整体切削性能降低。因此，本发明控制挤压坯的风冷冷却速率在30℃/min 以上。

(3)拉伸：本发明黄铜合金的拉伸道次变形量不宜过大，为防止冷拉断裂，拉伸道次变形量应控制在10～40％。这主要与合金塑性变形均匀性有关。在大的变形量下，合金受拉应力易产生裂纹，严重的甚至可能出现脆断现象；而变形量过小时，合金表层和芯部变形不均，会增加内部的残余应力。

(4)退火：本发明合金拉伸后采用低温退火，退火温度为200～300℃，退火保温时间为0.5～12h。低温退火可以获得理想的合金微观组织，α相被β相分割成相对孤立的小颗粒状或针状，其形貌和分布有利于切削加工。若退火温度过高，则会使得合金组织粗大化；若退火温度过低，则无法对组织产生影响。本发明合金的退火温度优选220～250℃。

在实际生产中，根据产品的规格需要，可适当增加拉伸和退火次数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过对合金成分的设计，严格控制Si、Ni等元素的含量，使合金在保证易切削性能的基础上减少了对刀具的磨损，同时在合金中加入B、As、RE等元素，使合金具备良好的耐脱锌腐蚀性能，该黄铜合金的脱锌层厚度小于250μm。

2、本发明通过特定的制备工艺获得具有特定β相含量的黄铜合金，利用β相提升合金强度并提高切削性能，达到与铅黄铜较为相近的切削性能，适用于各种高尺寸精度零部件的高速机械加工。

3、本发明合金的抗拉强度≥550MPa，延伸率＞9％，切削性能为C36000切削性能的60％以上，最长切屑长度比C28500减少20％以上。

4、本发明黄铜合金可以根据不同的应用需求加工成棒材、线材等，作为家用电器、通讯设备、检测和控制仪器、水暖行业的元器件的生产原料使用。

附图说明

图1为实施例1与比较例2的黄铜合金的切屑形态对比图；

图2为实施例1的黄铜合金横截面的电子显微组织照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

根据表1列出的本发明实施例1～11及比较例1～5的黄铜合金的组成进行配料，原料采用全新料，亦可采用新料搭配旧料的方式，熔炼时熔炼炉的温度控制在920～980℃，熔炼后进行成分测试，根据成分测试结果补偿或冲淡炉料，成分合格后倒入保温炉，进行全连铸，铸锭规格

铸锭挤压温度720～730℃，保温时间30min，挤压规格

挤压后采用拉伸和退火工艺。拉伸采用一道次拉伸，拉伸工艺：

拉伸至

退火采用低温退火，退火温度230℃，保温时间4h。

根据表1列出的比较例6～8的黄铜合金的组成进行配料，原料采用全新料，亦可采用新料搭配旧料的方式，熔炼时熔炼炉的温度控制在920～980℃，熔炼后进行成分测试，根据成分测试结果补偿或冲淡炉料，成分合格后倒入保温炉，进行全连铸，铸锭规格

铸锭挤压温度640～650℃，保温时间30min，挤压规格

挤压后采用拉伸和退火工艺。拉伸采用一道次拉伸，拉伸工艺：

拉伸至

退火温度350℃，保温时间4h。

其中，比较例1的合金成分符合铅黄铜C36000标准牌号，比较例2的合金成分符合铜含量近似的普通黄铜C28500标准牌号，比较例3～5在本发明合金成分含量范围外。比较例 6～8与实施例1～3的合金成分分别相同，但比较例6～8使用现有制备方法制备样品。

按相关国家及行业标准规定方法检测各实施例和比较例黄铜合金

棒材样品的抗拉强度、延伸率，检测结果见表1。其中，室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行。

对各实施例和比较例黄铜合金

棒材样品的微观组织结构进行分析，得到的β相的面积含量和α相的平均晶粒尺寸见表1。图2为实施例1的黄铜合金横截面的电子显微组织照片。从图2可以看出实施例1的黄铜合金中β相分布情况，图2中深色相为β相。

对各实施例和比较例黄铜合金

棒材样品进行了脱锌腐蚀试验，脱锌腐蚀试验根据中国国家标准GB/T 10119-2008《黄铜耐脱锌腐蚀性能的测定》进行，各实施例和各比较例的试验条件相同，试验结果见表1。

在相同的机械加工条件下，采用切削力实验仪测得各实施例和比较例黄铜合金样品的切削力，并由此计算出各黄铜合金相对于铅黄铜C36000的切削性指数，假设C36000的切削性能是100％。结果见表1。

在实际切削加工生产中，往往根据切屑的形状大小、排屑顺畅程度、刀具磨损程度来判定材料的切削性能的“好”或“差”。图1为实施例1与比较例2的黄铜合金的切屑形态对比图。从图1可见，本发明实施例1黄铜合金的最长切屑长度相对比较例2的黄铜合金减少20％以上，且长屑数量也明显减少，显示出优异的切削性能。

上述性能测试结果证明，与现有铅黄铜C36000以及本发明合金成分含量范围以外的比较例合金相比，采用本发明方法制备的本发明合金具有优异的切削加工性能、强度及综合性能。

Claims (8)

1.一种易切削黄铜合金，其特征在于，以质量百分比计，该黄铜合金包括以下组成：Cu56.8～58.0％，Fe+Sn＜0.5％，Ni＜0.1％，Si＜0.05％，Pb＜0.07％，以及0.0005～0.2％的元素X和0.001～0.2％的元素M，余量为Zn和不可避免的杂质；其中，元素X为B、As、RE中的至少一种元素，元素M为Zr、P中的至少一种元素。

2.根据权利要求1所述的一种易切削黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的横截面的微观组织中，β相的面积含量为55～70％。

3.根据权利要求1所述的一种易切削黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的横截面的微观组织中，α相的平均晶粒尺寸为50μm以下。

4.根据权利要求1所述的一种易切削黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的抗拉强度≥550MPa，延伸率＞9％，切削性能为C36000切削性能的60％以上，最长切屑长度比C28500减少20％以上。

5.根据权利要求1所述的一种易切削黄铜合金，其特征在于，该黄铜合金的脱锌层厚度小于250μm。

6.权利要求1～5中任一项所述的一种易切削黄铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：熔铸→挤压→拉伸→退火→成品。

7.根据权利要求6所述的一种易切削黄铜合金的制备方法，其特征在于，挤压温度为710～740℃，挤压得到的挤压坯的风冷冷却速率为30℃/min以上，拉伸后的退火温度为200～300℃，退火保温时间为0.5～12h。

8.权利要求1～5中任一项所述的一种易切削黄铜合金在作为家用电器、通讯设备、检测和控制仪器、水暖行业的元器件的生产原料中的应用。

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