CN113201662B - 一种无铅铜棒及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种无铅铜棒及其制备工艺。所述铜棒包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.5‑0.8%，Zn 10‑20%，C 0.2‑0.5%，Nb 0.5‑1%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。采用本发明获得的铜棒无铅，安全性好且兼顾铸造性能、切削性、耐腐蚀性与机械性能。
Description
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种无铅铜棒及其制备工艺。
背景技术
铜，因其具有优良的性能被广泛应用于管线、 水龙头、 供水/排水系统的金属装置或金属阀等制品。目前，随着该行业的进一步发展以及人们环保意识的提高，对铜材料的要求越来越高，限制含铅合金的使用已成为目前的趋势。但是现有的铜棒含铅量高，耐磨性差，导致与铜棒相关的产品安全性和耐磨性较差，使用寿命短，不能很好的满足市场需求。因此，市场上急切需要一种可替代含铅黄铜，且兼顾铸造性能、切削性、耐腐蚀性、与机械性能的合金配方。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种无铅铜棒及其制备工艺，采用本发明可以获得无铅且耐磨性好的铜棒。
本发明所述的一种铜棒，包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.5-0.8%，Zn 10-20%，C 0.2-0.5%，Nb 0.5-1%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。
所述强化剂与基础原料的质量比为1-10：100。
所述强化剂粒径为3-5微米。
本发明所述的一种铜棒的制备工艺，其具体步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
（2）铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
（3）连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.1-0.2米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为300~500℃，保温时间为6~10小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入50-60%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1150～1200℃，然后依次加入Bi，锌， 搅拌均匀后恒温10～15min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭， 搅拌均匀后升温至1200～1250℃ 下熔炼15～20min，得到熔炼的混合液；在熔炼的同时将强化剂预热至500-600℃，并将其加入混合液中。
步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
本发明中，强化粒子的加入有效的提高了耐磨性，Si元素的引入能提高脆硬相浓度，增强切削性能和合金耐腐蚀性能；铌是强碳化物形成元素，铌碳化物以弥散颗粒分布，阻止滑移变形过程的进行和碳化物聚集长大，阻止晶粒长大，从而细化组织，另外铜棒在使用过程中，遇酸在表面能形成一层富集 Cu、Nb 等元素的钝化膜， 因而具有较高的耐硫酸露点腐蚀性能；Bi可以改善铌碳化物与铜基体的润湿性，使铌碳化物颗粒很好的与铜基体进行融合，进一步增加铜棒的耐摩擦能力和强度，而且Bi在一定程度上能够起到替代铅的作用，使得黄铜中不含铅，更加环保友好。采用本发明获得的铜棒无铅，安全性好且兼顾铸造性能、切削性、耐腐蚀性与机械性能。
具体实施方式
实施例1
一种铜棒，包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.5%，Zn 15%，C 0.3%，Nb 0.7%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。
所述强化剂与基础原料的质量比为7：100。
所述强化剂粒径为3-5微米。
其具体制备步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
（4）铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
（5）连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.1米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为500℃，保温时间为6小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min，乳化液或者植物油做为拉拔润滑液；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入50%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1200℃，然后依次加入Bi，锌， 搅拌均匀后恒温10min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭，搅拌均匀后升温至1250℃ 下熔炼15min，得到熔炼的混合液； 在熔炼的同时将强化剂预热至600℃，并将其加入混合液中。
步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
实施例2
一种铜棒，包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.8%，Zn 20%，C0.5%，Nb 0.5%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。
所述强化剂与基础原料的质量比为5：100。
所述强化剂粒径为3-5微米。
其具体制备步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
（6）铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
（7）连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.2米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为400℃，保温时间为7小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min，乳化液或者植物油做为拉拔润滑液；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入60%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1200℃，然后依次加入Bi，锌， 搅拌均匀后恒温15min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭，搅拌均匀后升温至1250℃ 下熔炼20min，得到熔炼的混合液； 在熔炼的同时将强化剂预热至600℃，并将其加入混合液中。
步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
实施例3
一种铜棒，包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.7%，Zn 10%，C 0.2%，Nb 1%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。
所述强化剂与基础原料的质量比为10：100。
所述强化剂粒径为3-5微米。
其具体制备步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
（8）铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
（9）连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.1米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为500℃，保温时间为8小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min，乳化液或者植物油做为拉拔润滑液；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入55%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1150℃，然后依次加入Bi，锌， 搅拌均匀后恒温10min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭，搅拌均匀后升温至1200℃ 下熔炼20min，得到熔炼的混合液； 在熔炼的同时将强化剂预热至600℃，并将其加入混合液中。
步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
实施例4
一种铜棒，包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.6%，Zn 15%，C 0.3%，Nb 0.6%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅。
所述强化剂与基础原料的质量比为1：100。
所述强化剂粒径为3-5微米。
其具体制备步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
（10）铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
（11）连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.2米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为300℃，保温时间为10小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min，乳化液或者植物油做为拉拔润滑液；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入50%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1200℃，然后依次加入Bi，锌， 搅拌均匀后恒温15min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭，搅拌均匀后升温至1250℃ 下熔炼20min，得到熔炼的混合液；在熔炼的同时将强化剂预热至500℃，并将其加入混合液中。
步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
表1 本发明获得的铜棒性能检测结果
| 编号 | 抗拉强度/MPa | 摩擦系数 | 磨损率mg/Km | 切削性 |
| 实施例1 | 730 | 0.20 | 70 | 90% |
| 实施例2 | 750 | 0.18 | 63 | 90% |
| 实施例3 | 770 | 0.18 | 58 | 90% |
| 实施例4 | 800 | 0.19 | 66 | 90% |
Claims (4)
1.一种铜棒的制备工艺，其特征在于，所述铜棒包括强化剂和基础原料，所述铜棒通过强化剂对基础原料强化获得；以质量百分比计，所述基础原料的组成为：Bi 0.5-0.8%，Zn10-20%，C 0.2-0.5%，Nb 0.5-1%，余量为铜及不可避免的杂质；所述强化剂选自碳化硅；
所述强化剂与基础原料的质量比为1-10：100；
其具体步骤为：
（1）上引连铸铜杆：在熔炼装置内熔炼、上引连续铸造，熔炼装置内覆盖有木炭和石墨鳞片，采用牵引机组上引连续铸造铜杆；
铣削：将步骤（1）所得的铜杆进行铣削；
连续轧制：将步骤（2）所得的铜杆为原料，采用多机架的二辊轧机轧制铜棒，轧制速度0.1-0.2米/秒；
（4）退火：采用保护气氛光亮炉进行退火，退火温度为300~500℃，保温时间为6~10小时，退火后铜棒的晶粒尺寸为0.01~0.03mm；
（5）拉拔：将铜棒进行拉拔变形，变形系数为1.15-1.5；拉拔变形的速度小于8m/min；
（6）矫直：将铜棒材进行矫直变形，变形系数为1.01-1.05；矫直变形后铜棒的扭拧度每米不大于0.5mm，铜棒的平面度每米不大于1mm，铜棒的直度每米不大于0.5mm；
（7）分切：将铜棒材进行分切；
步骤（1）中具体的熔炼过程为：先加入50-60%的纯铜锭，待纯铜锭熔化后加热到1150～1200℃，然后依次加入Bi，锌，搅拌均匀后恒温10～15min；再依次加入C和Nb，以及余量的纯铜锭， 搅拌均匀后升温至1200～1250℃ 下熔炼15～20min，得到熔炼的混合液；在熔炼的同时将强化剂预热至500-600℃，并将其加入混合液中。
2.根据权利要求1所述的一种铜棒的制备工艺，其特征在于，所述强化剂粒径为3-5微米。
3.根据权利要求1所述的一种铜棒的制备工艺，其特征在于，步骤（1）中上引连续铸造铜杆的直径为15~45mm，上引连续铸造铜杆的速度为200~300mm/min。
4.根据权利要求1所述的一种铜棒的制备工艺，其特征在于，步骤（1）中铜杆铣削的尺寸为0.2~1mm。
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