CN111304488A - 一种耐应力开裂铅黄铜棒材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于包括以下质量百分组成，Cu：58.0～60.0wt％，Pb：0.8～1.9wt％，Fe：0.10～0.20wt％，Ni：0.5～2.0wt％，P：0.003～0.02wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。本发明在传统铅黄铜的基础上添加Fe、Ni，提高了基体中α相的比例，使得α相和β相以等轴晶存在，材料内部的组织更加均匀，减少了应力集中，降低了焊接后开裂的风险。

Description

一种耐应力开裂铅黄铜棒材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铜合金，尤其涉及一种耐应力开裂铅黄铜棒材及其制备方法。

背景技术

空调截止阀是控制空调里气体交换的阀门，而空调截止阀与空调的紫铜管焊接后如果密封不好会造成氟利昂泄露影响空调的冷热交换功能。而空调截止阀通常是由六角铅黄铜棒材加工而成，通过对失效的铅黄铜缺陷分析发现裂纹是材料的应力集中产生的，而应力集中点往往是材料组织内部存在某种缺陷，通过对开裂的阀体金相组织与未开裂的金相组织对比发现两者的相组成存在明显的不同。

铅黄铜HPb59-1化学成分范围：Cu：57.0～60.0％，Pb：0.8～1.9％，Fe≤0.5％，Zn为余量，采用的生产工艺为铸锭—挤压—扒皮—拉伸—低温去应力退火。HPb59-1金相组织是由α相和β相组成的双相黄铜，通常β相的体积比例在50％左右，β相基体硬而脆，高比例β相使得黄铜变脆而难以发生塑性变形，在后续加工过程中易开裂。通过对裂纹的样品进行分析，发现其内部组织中α相呈长条状分布，而且组织不均匀。出现这种金相组织的原因是传统铅黄铜合金成分的铸锭在挤压时高温组织全部为β相，挤压坯在自然冷却过程中，从β相基体中析出针状α相并长大成条状，其大小、形貌和方向各不相同，杂乱无章地分布在β相基体上，使得材料内部组织呈现不均匀性。当采用该牌号铜棒制作器件，与其他器件焊接时，由于铜棒在加工变形过程中，组织的不均匀性使得各个α相和β相的应力分布和大小不尽相同，容易出现应力集中开裂情况。如空调截止阀是控制空调里气体交换的阀门，通常是由六角铅黄铜棒材加工而成。空调截止阀与空调的紫铜管焊接时，由于截止阀受材料应力集中影响而发生开裂，导致密封不好，造成氟利昂泄露。

因此，针对现有铅黄铜HPb59-1空调截止阀存在的组织问题需要对合金成分重新设计，从而解决在焊接后开裂的问题。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状提供一种α相比例升高且α相和β相为等轴晶、两者均匀分布的耐应力开裂铅黄铜棒材。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于包括以下质量百分组成，Cu：58.0～60.0wt％，Pb：0.8～1.9wt％，Fe：0.10～0.20wt％，Ni：0.5～2.0wt％，P：0.003～0.02wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。

本发明添加一定含量的Ni，Ni与Cu能形成连续固溶体，显著扩大α相区，提高α相比例，从而提高黄铜的强度和韧性，增强黄铜抗应力开裂的能力，Ni由于熔点达到1453℃，能提高黄铜的再结晶温度，促使黄铜退火时形成更细的晶粒。Ni含量太低，不能明显提高α相比例，作为有限，Ni含量太高，不仅增加成本，还会恶化铜水流动性，反而容易产生气孔、夹渣等缺陷；因此，将Ni控制在0.5～2.0wt％。

传统的铅黄铜中Fe一般作为杂质而控制，因Fe元素不固溶与铜基体析出后影响成品的塑形，本发明在铅黄铜的基础上有意添加一定含量的Fe，利用Fe作为质点，使其聚集在α相和β相相界上，阻碍α相、β相长大，实现细化结晶组织和形成等轴晶的作用。因此，Fe含量太低，细化组织的作用不明显，Fe含量太高，会形成富Fe相，恶化铜合金的加工性能；因此，结合本发明拟实现的技术效果，将Fe控制在0.10～0.20wt％。

P能与铜水中的O(以氧化物形式存在)反应产生P₂O₅气体，从铜水中逸出，起到改善铜水流动性，消除铸锭中气孔、氧化物夹杂等缺陷，净化铜水。

作为优选，还包括B：0.005～0.05wt％、Mg：0.005～0.02wt％中的至少一种。

B聚集在α相和β相相界处，影响了凝固界面处的溶质原子的扩散、界面的生长曲率以及再次形核的发生，从而抑制了α相和β相的长大，达到了细化组织的目的。

Mg活性很强，极易与铜水中的氧反应，达到脱氧的目的。

作为优选，所述六角铅黄铜棒材的相组成含有β相和α相，其中α相的体积分数为60～80％，其余为β相和不可避免的其它相组成。

传统的HPb59-1金相组织是由α相和β相组成的双相黄铜，α相在提供一定强度的同时主要是改善合金的塑形，满足在后续加工过程中具有优良的加工性能，β相强度较高，但塑形较差，不利于后续加工和焊接，因此，α相和β相的比例控制是影响材料性能的关键，HPb59-1中α相的比例在50％左右，通过试验发现，适当的提高α相可以减少空调截止阀的开裂，因此，结合本发明的铜合金的具体应用，α相的体积分数为60～80％，其余为β相和少量的单质Fe相。在该范围的相组成下，材料仍然具有高的强度，且与紫铜管焊接后的开裂大大降低。

作为优选，所述α相与β相呈等轴状，α相与β相的粒径≤15μm。

传统的HPb59-1出现裂纹的样品内部组织α相呈长条状分布，而且组织不均匀，组织的不均匀性使得各个α相和β相的应力分布和大小不尽相同，容易出现应力集中开裂情况。本发明的α相与β相呈等轴状，等轴晶各向异性小，加工时变形均匀，不容易形成应力集中现象，从而避免了应力开裂。

为了使α相与β相均匀分布，本发明将α相与β相的粒径控制在≤15μm，一方面晶粒越细小，各项异性也越小，加工时变形均匀更加均匀，这种组织应力开裂的倾向性小；另一方面，细小的α相与β相可以提高基体的强度，弥补α相相对传统的HPb59-1过高的缺陷。

作为优选，所述六角铅黄铜棒材的抗拉强度为500～550MPa，延伸率≥20％。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术的现状提供一种α相和β相为等轴晶的耐应力开裂铅黄铜棒材的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种耐应力开裂铅黄铜棒材的制备方法，其特征在于包括以下工艺流程：

1)配料：按照所需合金元素、配比进行配料；

2)熔炼：熔炼温度为1000～1080℃，待全部金属熔化后保温；

3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出；

4)铸锭加热：加热温度550～650℃；

α+β两相黄铜具有很宽的热挤压温度范围，550～750℃范围都能挤压，铸锭加热温度过高，在680℃以上时，α相全部转化为β相，挤压坯挤出后自然冷却过程中，α相呈针状从β相中杂乱无章的析出，并逐渐长大成条状，组织呈现不均匀性。当加热温度控制在较低的550～650℃范围，挤压时组织为α+β相，不会出现不均匀的条状α相。因此，对于空调截止阀用铅黄铜铸锭加热温度控制应控制在550～650℃范围。

5)挤压：挤压力5～40MN，压余厚度控制在5～20mm；

6)拉伸：挤压坯酸洗后在拉拔机上进行拉伸；

7)去应力退火：拉伸后棒坯进行消除应力退火，退火温度250～350℃，保温时间：2～8h；

8)成品检验、包装、入库。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在传统铅黄铜的基础上添加Fe、Ni，适当的Ni提高了基体中α相的比例，α相比例的提高增加了材料的塑形，改善了焊接后开裂的问题；一定比例Fe能够细化α相和β相，使得α相和β相以等轴晶存在，材料内部的组织更加均匀，减少了应力集中，降低了焊接后开裂的风险，同时细化的组织晶粒提高了基体的强度，弥补了α相提高后强度存在一定降低的损失，实现了与HPb59-1相当的强度和更优异的塑形。

2)本发明六角铅黄铜棒材的抗拉强度为500～550MPa，延伸率≥20％，与传统的铅黄铜相比，在抗拉强度相当的情况下，延伸率更高。

附图说明

图1为本发明的实施例1的金相照片(放大100倍)。

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。

选取20个实施例按照本发明方法制备，具体工艺流程为：

1)配料：按照所需合金元素、配比进行配料；

2)熔炼：熔炼温度为1000～1080℃，待全部金属熔化后保温；

3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出；

4)铸锭加热：加热温度550～650℃；与传统工艺相比，控制在该温度范围的机理

5)挤压：挤压力5～40MN，压余厚度控制在5～20mm；

6)拉伸：挤压坯酸洗后在拉拔机上进行拉伸；

7)去应力退火：拉伸后棒坯进行消除应力退火，退火温度250～350℃，保温时间：2～8h；

8)成品检验、包装、入库。

对于制备得到的20个实施例合金和1个对比例合金的棒材样品，分别测试力学性能和气密性检检测。

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，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。

气密性检检测标准：根据JB/T 10648-2017《空调用铜制制冷剂截止阀》行业标准6.5.1条(密封性试验)对本发明铅黄铜截止阀进行气密性检验。

Claims (6)

1.一种耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于包括以下质量百分组成，Cu：58.0～60.0wt％，Pb：0.8～1.9wt％，Fe：0.10～0.20wt％，Ni：0.5～2.0wt％，P：0.003～0.02wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于还包括B：0.005～0.05wt％、Mg：0.005～0.02wt％中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于：所述六角铅黄铜棒材的相组成含有β相和α相，其中α相的体积分数为60～80％，其余为β相和不可避免的其它相组成。

4.根据权利要求3所述的耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于：所述α相与β相呈等轴状，α相与β相的粒径≤15μm。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种耐应力开裂铅黄铜棒材，其特征在于：所述六角铅黄铜棒材的抗拉强度为500～550MPa，延伸率≥20％。

6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种耐应力开裂铅黄铜棒材的制备方法，其特征在于包括以下工艺流程：

1)配料：按照所需合金元素、配比进行配料；

2)熔炼：熔炼温度为1000～1080℃，待全部金属熔化后保温；

3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出；

4)铸锭加热：加热温度550～650℃；

5)挤压：挤压力5～40MN，压余厚度控制在5～20mm；

6)拉伸：挤压坯酸洗后在拉拔机上进行拉伸；

7)去应力退火：拉伸后棒坯进行消除应力退火，退火温度250～350℃，保温时间：2～8h；

8)成品检验、包装、入库。

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