CN113106289B - 一种热锻性能优异的易切削铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于，该铜合金的质量百分比组成为Cu：59.5～62wt％，Sn：0.2～0.8wt％，Si：0.3～1.0wt％，Al：0.02～0.05wt％，Ni：0.05～0.2wt％，Pb≤0.01wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。本发明通过控制Cu、Sn、Si、Al、Ni的添加量，并限定Pb≤0.01wt％，控制铜合金的组织为α+β双相组织，并限定β相面积比例为50～65％，切削指数为C36000的70％以上，热锻温度为660～680℃，热锻时冲型饱满，热锻后表面光滑平整，无凸起和凹坑，无褶皱裂纹，壁厚精度高，尺寸公差小，致密性好，金属Pb析出量＜0.001mg/L，实现环保易切削的同时具有优异的热锻性能。

Description

一种热锻性能优异的易切削铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种热锻性能优异的易切削铜合金及其制备方法。

背景技术

含铅黄铜具有良好的切削加工性能和力学性能，且材料成本低廉，广泛应用于饮用水系统、管道配件、电气插件、电子零件等诸多领域。但是铅是一种有害元素，在其生产加工和使用过程中均会对环境造成污染，尤其铅易从黄铜基体中渗出而溶于水中，严重威胁人类的健康。随着人们健康意识的提高，大部分国家相继出台各种法律法规，无铅化成为未来黄铜发展的必然趋势。而有的零部件如管道阀门等是采用红冲出成品，即棒料在前期需满足锯切等易切削要求外，还需要满足后道的热锻性能要求。

目前已发布的《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》明确规定：相关产品浸泡铅析出不得高于0.001mg/L。当前市场上热锻用低铅、无铅黄铜合金主要以铋黄铜、锡黄铜和硅黄铜为主。含铋黄铜包括HBi59-1、HBi60-1等，虽然材料切削性能优良，接近铅黄铜水平，但是Bi与Pb同为重金属，其毒害性尚未确认，且加工后废料不易回收再利用，在欧洲及中东国家不被认可，因此未来可能会受到限制。锡黄铜包括C46500、C46400，虽然材料抗脱锌性能良好，但材料切削性能一般，材料在热锻前进行锯切下料时易损刀黏屑，生产效率低。硅黄铜包括C69300，虽然材料切削性能较好，但其原料成本高，且存在热锻性能开裂等问题，且因含较高的硅导致材料焊接性能较差，因此难以实现大规模产业化。

公开号CN111655878A提供的一种不含有铅和铋的易切削无铅铜合金，包含：58至70重量％的铜(Cu)，0.5至2.0重量％的锡(Sn)，0.1至2.0重量％的硅(Si)，余量的锌(Zn)和不可避免的杂质，其中锡(Sn)和硅(Si)的含量之和为1.0wt％≤Sn+Si≤3.0wt％。该铜合金包括α相，β相和ε相，其中金属基质中ε相的面积百分比为3％至20％。该发明主要通过控制合适ε相的面积占比达到理想的切削效果，但ε相不利于在700℃左右的温度下热锻，易造成热锻开裂，热锻性能差。

因当前市场上适用于热锻加工用无铅环保铜材均存在诸多问题，因此需要开发一款具有优异热锻性能、良好切削性能的环保(无Pb，Bi元素)铜合金。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种热锻性能优异的易切削铜合金。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于，该铜合金的质量百分比组成为Cu：59.5～62wt％，Sn：0.2～0.8wt％，Si：0.3～1.0wt％，Al：0.02～0.05wt％，Ni：0.05～0.2wt％，Pb≤0.01wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质；所述铜合金为α+β双相组织，其中以β相为基体，所述β相的面积比例为50～65％。

Cu：上限控制在62％，目的为控制足够的Zn含量，以提高材料β相的形成，从而获得良好的热锻加工性能和切削性能，限制铜含量同时也有利于降低原料成本；下限控制在59.5％，目的为避免Zn含量过高导致材料易发生内应力腐蚀开裂的风险。因此Cu含量优选范围在59.5～62wt％。

Sn：锌当量系数为2，一方面提高材料在高温加工时塑性，经热锻后材料强度高，脆性良好，有利于提高切削性能；另一方面Sn元素能够改善材料耐腐蚀性能。当Sn含量低于0.2％时，上述改善效果不明显。当Sn含量高于0.8％时，材料硬度和强度进一步增加，材料热锻性能，切削性能改善不明显，且有下降趋势，同时进一步增加原料成本。因此Sn含量优选范围在0.2～0.8wt％。

Si：锌当量系数为10，协同Sn元素增加材料热锻性能，切削性能和耐腐蚀性能。当Si含量低于0.3％，上述改善效果不明显；当Si含量高于1.0％，材料脆性大幅度增加，冷加工性能急剧下降，同时影响材料的焊接性能。因此，Si含量优选范围在0.3～1.0％。由于Si和Sn的添加作用相似，两者不宜同时以下限或上限量添加。即Si含量接近下限时，Sn含量宜接近上限；反之Si含量接近上限时，Sn含量宜接近下限。作为优选Si+Sn需合理控制在0.6～1.2wt％。

Al：协同Si元素进一步提高材料耐腐蚀性能。当Al含量低于0.02％时，上述改善效果不明显；当Al含量高于0.05％时，热锻时材料黏性过高，难以冲压成型良好。因此Al含量优选范围在0.02～0.05wt％。

Ni：能够与Cu无限固溶，提高材料强度，改善抗应力腐蚀性能。当Ni含量低于0.05％时，上述改善效果不明显；当Ni含量高于0.2％，会进一步抑制β相形成，影响材料热锻性能和切削性能。因此Ni含量优选范围在0.05～0.2wt％。

Pb含量严格控制在0.01％以下，以实现材料Pb析出量＜0.001mg/L。

Fe含量控制在0.1％以下，避免和Si形成耐磨相从而降低材料加工塑性和切削性能。

本发明中铜合金为α+β双相组织，α相是以铜为基的锌固溶于铜的固溶体，具有良好的塑性，β相是以锌为基的铜固溶于锌固溶体，相对较脆而硬，为基体提供强度以及保障高温塑性，将β相的面积比例控制在50～65％，若材料β相比例低于50％，难以获得良好的热锻性能，同时材料中α相占比过高会影响切削性能。若材料β相高于65％，材料硬度强度大幅度提高，但材料易损刀，切削性能反而降低，冷加工性能也急剧降低。同时存在强烈的应力腐蚀倾向，材料内部应力若无法有效消除，则应力极易沿β相拓展延伸。因此本发明将β相控制在50～65％之间，既实现良好热锻性能和切削性能，同时材料可通过合理的去应力退火工艺有效消除残余应力，以避免材料发生应力腐蚀开裂。

作为优选，还包括0.001～0.005wt％的X，X为Sb、P、Mg中的至少一种。

X元素：微量Sb、P、Mg能够进一步增加材料切削性能，同时P元素能够改善熔体流动性，兼具脱氧、除气的作用。若上述元素添加量过高，合金冷热加工性能降低。因此X元素优选控制范围在0.001～0.005wt％。

作为优选，还包括0.001～0.01wt％的Y，Y选在B、As中的至少一种。

B元素能够细化晶粒，提高材料组织均匀性。As元素协同Sn元素能够进一步提高材料耐腐蚀性能。当上述元素添加过量反而会进一步降低材料加工性能，同时增加原料成本。因此Y元素优选控制范围在0.001～0.01wt％。

作为优选，所述铜合金中α相呈等轴孤岛状分布于基体中，所述的α相晶粒度为5～20μm。

控制α相晶粒度在5～20μm范围且使其呈颗粒孤岛状弥散均匀分布目的为获得良好的切削性能。若出现α相呈纤维长条状，晶粒粗大等现象均会造成材料切削性能降低。由于α相在常温下塑性高，与加工刀具接触时不宜断屑。与铅黄铜易切削原理相似，单位面积Pb颗粒数越高，切削性能越好。β相类似于Pb颗粒，合理控制α相晶粒度大小和组织形貌，有利于形成更多的“β相颗粒”，以此改善材料切削性能。

作为优选，所述铜合金横截面上的α相晶粒度A1与纵截面上的α相晶粒度A2比值为：0.9≤A1/A2≤1.1。横截面为垂直于加工方向，纵截面为平行于加工方向，在铜合金进行冷加工时，沿加工方向的α相会被拉长，导致同一晶粒在横截面和纵截面上的晶粒度相差很大，导致材料沿不同方向的性能差异加大，从而影响铜合金在后续热锻和切削时，沿横截面和纵截面的切削性能和热锻性能分布不均，材料的力学性能和加工性能稳定性差，因此，本发明控制0.9≤A1/A2≤1.1，减少材料在不同方向的性能差异。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种热锻性能优异的易切削铜合金的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种热锻性能优异的易切削铜合金的制备方法，其特征在于包括以下制备工艺步骤：

1)熔炼：所述熔炼温度控制在940℃～1060℃；

2)铸造：采用水平连铸或半连铸的方式铸造铸锭，铸造温度控制在990～1020℃；

3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，采用4段不同温度梯度的加热方式：第一段加热温度设置为400～450℃，保温时间10～20min；第二段加热温度为480～550℃，保温时间10～30min；第三段加热温度为580～680℃，保温时间10～20min；第四段加热温度为660～740℃，保温时间5～20min；挤压后对棒坯进行冷却，冷却速率控制在50～100℃/min；

4)酸洗；

5)拉拔：拉拔成棒材，拉拔加工率控制在5～18％，拉拔后对棒材进行矫直；

6)去应力退火：退火温度设定为250～320℃，保温时间为3～6h。

熔炼温度控制在940℃～1060℃，温度若高于1060℃则易造成硅、磷、镁元素烧损，影响熔炼成分控制，该温度范围下，熔体流动性好，熔炼效率高，炉前成分变化波动小。

铸造温度控制在990～1020℃，避免温度过高导致熔体中金属锌挥发而造成铸锭成分不均匀。该温度范围下，铸造得到的铸坯成分均匀，铸锭平均每10m长头尾部锌含量变化量能够有效控制在0.3wt％范围以内。

挤压工序中采用逐级升温加热方式，并设定合适的保温时间。第一段加热温度设置为400～450℃，保温时间10～20min，对铸锭进行预热，使铸锭均匀受热升温，该温度范围下加热，铸锭组织晶粒无长大趋势，同时有利于合理过渡至第二加热阶段。

第二段加热温度为480～550℃，保温时间10～30min，本发明挤压加热工序采用燃气加热方式，铸锭外表面受热，第二段加热与第一段升温梯度控制在80～100℃范围，避免升温梯度过高导致铸锭表面受热过高，而铸锭芯部温度未达到预期温度。因此设定上述工序有利于铸锭芯部与表面温度保持相同，同时有效控制加热时长，提高生产效率。

第三段加热温度为580～680℃，保温时间10～20min，与第四阶段加热梯度保持30～80℃范围内，若第三阶段设定加热温度过低或过高均不利于精准控制铸锭出炉后的温度，极易造成铸锭受热不稳定现象，铸锭出炉后温度波动偏差达到±30℃。因此采用上述加热温度范围，能够精准控制铸锭经三、四阶段加热后的温度，铸锭出炉后温度波动偏差可控制在±10℃以内。

第四段加热温度为660～740℃，保温时间5～20min，第四阶段温度即控制铸锭最终温度。由于本发明采用“挤压→拉伸→去应力退火”的工艺方式，无其他热处理工序，因此挤压工艺是决定材料组织性能的重要工序，其中挤压温度是挤压工序中最重要的参数之一。若挤压温度低于660℃，易造成材料β相比例偏低，α相出现长条连续状加工组织。该组织特征不利于提高材料切削性能和热锻性能。若挤压温度高于740℃，易造成材料中β相比例偏高，α相呈纤维状形态，并以六角网格状分布。该组织特征同样不利于提高材料切削性能，同时材料脆性大幅度增加，后道冷加工性能急剧降低，甚至易发生内应力腐蚀开裂。因此第四阶段加热温度加上后续风冷冷却工序均是控制材料组织性能的重要因素。

挤压后对棒坯进行冷却，冷却速率控制在50～100℃/min，冷却速率控制在50℃/min以上能够避免α相过多析出且晶粒长大，同时冷却速率不宜超过100℃/min，避免材料中β相比例过高导致后道冷加工性能变差。通过上述挤压工序和参数控制得到的挤压组织为α+β双相组织，其中以β相为基体，α相呈等轴孤岛状均匀分布于基体中。α相晶粒度范围为5～20μm，β相比例范围为50～65％。

退火温度设定为250～320℃，保温时间为3～6h，若设定温度低于250℃，材料内部残余应力无法有效消除，当材料放置时间过长时，易出现应力腐蚀开裂现象；若设定温度高于320℃，一方面会造成材料力学性能降低，而塑性大幅度提高；另一方面材料内部组织出现晶粒融合长大的趋势，组织均匀性变差。两方面因素均会造成材料切削性能降低，刀具损耗大，材料锯切面有毛刺等，直接影响材料热锻前锯切下料工序的生产效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过控制Cu、Sn、Si、Al、Ni的添加量，并限定Pb≤0.01wt％，控制铜合金的组织为α+β双相组织，并限定β相面积比例为50～65％，切削指数为C36000的70％以上，热锻温度为660～680℃，热锻时冲型饱满，热锻后表面光滑平整，无凸起和凹坑，无褶皱裂纹，壁厚精度高，尺寸公差小，致密性好，金属Pb析出量＜0.001mg/L，实现环保易切削的同时具有优异的热锻性能。

附图说明

图1为本发明实施例1成品的横截面金相组织照片。

图2为本发明实施例1成品的纵截面金相组织照片。

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。

实施例1至实施例5为采用本发明成分制备的热锻性能优异的易切削铜合金，具体成分见表1，包括以下制备工艺步骤：

1)熔炼：按表1成分要求进行配料，原料加入中频熔炼炉中加热融化。

2)铸造：采用水平连铸方式铸造规格φ240mm铸锭，铸锭锯切长度为850mm。

3)挤压：采用4段不同温度梯度的加热方式对挤压前的铸锭进行加热，采用单孔挤压方式制成直圆棒，直圆棒规格为φ29mm，挤压后对坯料进行冷却。

4)酸洗：将挤压棒材置于10％H₂SO₄+10％H₃PO₄酸液浸泡1～3min，酸洗后使用工业肥皂水进行冲洗中和酸液，最后使用高压清水冲洗。

5)拉拔：将挤压棒材置于直拉设备进行拉拔至φ27mm规格圆棒，加工率为13％。拉拔后使用矫直设备对拉拔棒材进行矫直。

6)去应力退火：将棒材置于箱式退火炉中进行退火。

对比例1.(目前较为普遍使用的热锻用无铅铜合金——C46500)

1)熔炼：按上述对比例成分要求进行配比，使用原料包括：C46500回料，电解铜，锡锭，金属砷，锌锭等。原料依次加热中频熔炼炉加热，熔炼温度范围为1020～1060℃。

2)铸造：成分化验合格后，采用水平连铸方式铸造规格φ190mm铸锭，铸造温度为1000～1020℃，铸锭锯切长度为1000mm。

3)挤压：铸锭在中频感应电炉内加热至680℃，保温时间75min。采用单孔挤压方式制成直圆棒，直圆棒规格为φ17mm。挤压后棒材自然冷却至室温温度。

4)酸洗：将挤压棒材置于20％H₂SO₄酸液浸泡2min，酸洗后使用工业肥皂水进行冲洗中和酸液，最后使用高压清水冲洗。

5)拉拔：将挤压棒材置于直拉设备进行拉拔至φ16mm规格圆棒，加工率为11％。拉拔后使用矫直设备对拉拔棒材进行矫直。

6)去应力退火：将棒材置于箱式退火炉中进行退火。

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测试抗拉强度、延伸率和屈服强度等性能。

热锻成型性能：将实施例和对比例的棒材在热锻温度下进行热锻，本发明材料热锻温度范围660～680℃，热锻时冲型饱满，热锻后表面光滑平整，无凸起和凹坑，无褶皱裂纹，壁厚精度高，尺寸公差小，致密性好。

对比例C46500热锻温度范围在740～760℃，成本能耗提升。

切削指数：根据YS-T 647-2007《铜锌铋碲合金棒》附录B中切削性能检测方法进行评定，设C36000(HPb63-3)的切削指数为100％。

金属Pb析出量检测：根据GBT-17219《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》附录A的规定进行浸泡试验。

表1本发明实施例和对比例的成分

表2本发明实施例的关键工艺参数控制

表3本发明实施例的关键工艺参数控制

表4实施例与对比例铜合金棒材性能测试结果

Claims (5)

1.一种热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于，该铜合金的质量百分比组成为Cu：59.5～62wt％，Sn：0.2～0.8wt％，Si：0.3～1.0wt％，Al：0.02～0.05wt％，Ni：0.05～0.2wt％，Pb≤0.01wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质；所述铜合金为α+β双相组织，其中以β相为基体，所述β相的面积比例为50～65％；所述铜合金中α相呈等轴孤岛状分布于基体中，所述的α相晶粒度为5～20μm。

2.根据权利要求1所述的热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于：还包括0.001～0.005wt％的X，X为Sb、P、Mg中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于：还包括0.001～0.01wt％的Y，Y选自 B、As中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的热锻性能优异的易切削铜合金，其特征在于：所述铜合金横截面上的α相晶粒度A1与纵截面上的α相晶粒度A2比值为：0.9≤A1/A2≤1.1。

5.一种权利要求1至4任一权利要求所述的热锻性能优异的易切削铜合金的制备方法，其特征在于包括以下制备工艺步骤：

1)熔炼：所述熔炼温度控制在940℃～1060℃；

2)铸造：采用水平连铸或半连铸的方式铸造铸锭，铸造温度控制在990～1020℃；

3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，采用4段不同温度梯度的加热方式：第一段加热温度设置为400～450℃，保温时间10～20min；第二段加热温度为480～550℃，保温时间10～30min；第三段加热温度为580～680℃，保温时间10～20min；第四段加热温度为660～740℃，保温时间5～20min；挤压后对棒坯进行冷却，冷却速率控制在50～100℃/min；

4)酸洗；

5)拉拔：拉拔成棒材，拉拔加工率控制在5～18％，拉拔后对棒材进行矫直；

6)去应力退火：退火温度设定为250～320℃，保温时间为3～6h。

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