CN114438368A - 一种无铅易切削锡磷青铜合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：该锡磷青铜合金的质量百分比组成为，Sn：4.0～7.0wt％，P：0.01～0.50wt％，S：0.03～0.50wt％，V：0.02‑0.1wt％，Pb≤0.01wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明合金在QSn6.5‑0.1的基础上添加S元素，不含有人体有害的Pb元素，也不含有Bi元素(含Bi铜合金废料再生性能差)，通过添加S元素，形成Cu2S、SnS2，改善材料的切削性能，最终实现导电性、切削性能以及塑性均衡的无铅易切削锡磷青铜合金，满足自动化车床的快削加工。

Description

一种无铅易切削锡磷青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，具体涉及一种无铅易切削锡磷青铜合金及其制备方法。
背景技术
锡磷青铜是一种很好的弹性材料，主要用于制作各种弹性元件、通讯接插件，应用最为广泛的合金牌号是QSn6.5-0.1，美标是C5191，它作为棒材用于加工端子接插件时，通常要在自动车床上进行切削加工，需要材料具有较好的切削性能，于是市场出现了锡铅青铜QSn4-4-4，QSn4-4-4是在添加一定含量的Pb元素，Pb不溶于Cu中，以单质形式分布于晶内和晶界，破坏的铜基体的连续性，在切削加工时起到断屑作用。众说周知， Pb是一种对环境和人体有害的元素，随着人类对健康的关注，材料无铅化是一种趋势，但是青铜棒材中不含Pb，切削性很差，不能满足自动车床加工要求。
因此，开发一种满足易切削加工的无铅锡磷青铜是市场紧迫所需的材料。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种导电性、切削性能以及塑性均衡的无铅易切削锡磷青铜合金。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：该锡磷青铜合金的质量百分比组成为，Sn：4.0～7.0wt％，P：0.01～0.50wt％， S：0.03～0.50wt％，V：0.02-0.1wt％，Pb≤0.01wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
本发明添加0.03～0.50wt％的S，S在锡磷青铜中以Cu2S、SnS2脆性化合物存在，能显著改善铜的切削性能，SnS2比Cu2S更脆，改善切削性能的作用强于Cu2S，但是Cu 相比Sn更亲S，在Cu的作用下，SnS2较难形成，因此，添加0.02-0.1wt％的V，V的熔点1890℃，远高于Cu(1083℃)，属于高熔点物质，铜水凝固结晶时，阻碍富Cu2S的树枝晶生成，促进低熔点Sn(232℃)与S结合在枝晶形成SnS2。但铜的塑性随着S含量提高而下降，超过0.5％以后，塑性严重变差，影响材料的冷加工性能；铜的电导率与塑性随着S含量提高而下降，因此，S控制在0.03～0.50wt％。
作为优选，所述锡磷青铜合金的微观组织包括基体相以及第二相，所述基体相为α相，所述第二相包括Cu2S、SnS2，所述Cu2S、SnS2总面积含量控制在0.1～1％。α相作为基体相提供强度和塑性，第二相分散在铜基体中提高材料的切削性能，但Cu2S、SnS2总面积超过1％，材料在冷变形过程中，容易开裂。
为了实现切削与塑性的平衡，作为优选，所述SnS2占Cu2S、SnS2总面积含量的 60％～90％。
作为优选，所述锡磷青铜合金的晶粒度≤10μm，Cu2S、SnS2相尺寸≤1μm。Cu2S、SnS2为脆性相尺寸越细小，在基体中分布越弥散，提高切削性能的效果越显著。
作为优选，所述锡磷青铜合金的硬度HV5为180～220，延伸率：2～5％，相对切削指数为QSn4-4-4的60％以上，导电率≥10％IACS。
作为弹性元件及通讯接插件，要求材料具有较高的硬度和强度，抵抗外力作用变形，延伸率需控制在合理范围，延伸率过高，材料塑性好，切削加工时容易粘刀造成切削不良，延伸率低于2％以下，材料呈现脆化现象，容易脆断，此外，作为通讯接插件，材料还需具有较好的导电性能，导电率低，电流通过时电阻大，增大电子元器件的发热量，影响材料的使用性能。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种权利要求1至4任一权利要求所述的无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜合金的制备工艺流程为：熔炼→水平连铸→均匀化处理→中间拉伸、中间退火→留底拉伸、留底退火→成品拉伸；所述均匀化处理工艺为：1)4.0wt％≤Sn≤5.0wt％时，均匀化处理温度： 520～550℃，保温时间：10～12h；2)5.0wt％＜Sn≤6.0wt％时，均匀化处理温度560～600℃，保温时间6～8h；6.0wt％＜Sn≤7.0wt％时，均匀化处理温度610～650℃，保温时间3～5h。
铸态锡磷青铜存在比较严重的枝晶偏析现象，Cu2S、SnS2不均匀分布在枝晶之间，不仅不能充分发挥其改善切削作用，而且恶化了材料的冷加工性能，后道冷加工过程中会出现开裂。均匀化处理的目的是消除合金铸态组织的枝晶偏析，使合金的成分、组织、性能均匀。但是均匀化温度过高，Cu2S、SnS2脆性相会聚集球化，数量减少，改善切削性能的作用会下降。本发明要求采用在Cu、Sn、S原子扩散的下限温度区进行，Sn含量高，适当提高均匀化温度，但是要缩短均匀化时间，Sn含量低，适当降低均匀化温度，可适当延长保温时间，以促进均匀化充分进行，避免高温下Cu2S、SnS2相聚集球化，控制最终的Cu2S、SnS2相尺寸≤1μm。
作为优选，所述水平连铸工艺为：铸坯规格Φ8～40mm，铸造温度1150～1220℃，冷却水进水温度：25～33℃，出水温度：35～45℃，牵引工艺采用“拉-停-反推-拉”的牵引动作，牵引速度200～700r/min。“拉-停-反推-拉”牵引动作起到振动的作用，可以在铜水凝固结晶时起到破碎枝晶、细化结晶组织的作用，使得枝晶之间分布的Cu2S、SnS2脆性相更加均匀。
作为优选，所述中间拉伸的总加工率控制在20～60％，中间退火温度450～550℃，升温时间30～60min，保温时间120～240min。
作为优选，所述留底拉伸总加工率控制在50～70％，留底退火温度350-450℃，升温时间30～90min，保温时间120～360min。留底拉伸总加工率控制在50～70％，目的是通过大加工率变形充分破碎晶粒，增加留底退火形核数量，同时退火温度控制在 350-450℃，升温时间30-90min，保温时间120～360min，目的是通过低温退火获得较小的晶粒度，细化Cu2S、SnS2相尺寸，提高材料的切削性能，最终实现锡磷青铜合金的晶粒度≤10μm，Cu2S、SnS2相尺寸≤1μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明合金在QSn6.5-0.1的基础上添加S元素，不含有人体有害的Pb元素，也不含有Bi元素(含Bi铜合金废料再生性能差)，通过添加S元素，形成Cu2S、SnS2，改善材料的切削性能，最终实现导电性、切削性能以及塑性均衡的无铅易切削锡磷青铜合金，满足自动化车床的快削加工。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供3个实施例和1个对比例，具体成分见表1。
本发明实施例的锡磷青铜合金的制备工艺流程为：熔炼→水平连铸→均匀化处理→中间拉伸、中间退火→留底拉伸、留底退火→成品拉伸。
实施例1
规格为φ4mm的无铅易切削锡磷青铜合金，具体制备步骤为：
1)熔炼：按照表1所需成分进行配料，然后在工频联体炉里进行熔炼，熔炼温度为1120～1160℃，待全部金属熔化后，化验成分合格，升温至1170-1190℃，加入清渣剂清渣，并加入木炭覆盖保温。
2)水平连铸：铜水由结晶器从安装在联体炉保温端的结晶器中水平引出，铸坯规格Φ14mm，铸造温度1170～1190℃，冷却水进水温度：28℃，出水温度：37℃，牵引工艺采用“拉-停-拉”的牵引动作，牵引速度550r/min。
3)均匀化处理：均匀化处理温度：580℃，均匀化处理时间：7h。
4)中间拉伸、中间退火：均匀化后的φ14mm铸坯经过3道次拉伸至φ9mm，中间退火温度500℃，升温时间60min，保温时间180min。
5)留底拉伸、留底退火：φ9mm退火后经过2道次拉伸至φ6mm，退火温度420℃，升温时间60min，保温时间240min。
6)成品拉伸：退火后的φ6mm线坯经过3道模具连拉至φ4mm。
7)检验包装：成品经过各项检验合格后包装入库。
实施例2
规格为φ4.8mm的无铅易切削锡磷青铜合金，具体制备步骤为：
1)熔炼：按照表1所需成分进行配料，然后在工频联体炉里进行熔炼，熔炼温度为1100～1150℃，待全部金属熔化后，化验成分合格，升温至1150-1170℃，加入清渣剂清渣，并加入木炭覆盖保温。
2)水平连铸：铜水由结晶器从安装在联体炉保温端的结晶器中水平引出，铸坯规格Φ14mm，铸造温度1150-1170℃，冷却水进水温度：26℃，出水温度：36℃，牵引工艺采用“拉-停-拉”的牵引动作，牵引速度550r/min。
3)均匀化处理：均匀化处理温度：540℃，均匀化处理时间：11h。
4)中间拉伸、中间退火：均匀化后的φ14mm铸坯经过1道次拉伸至φ10mm，中间退火温度520℃，升温时间60min，保温时间180min。
5)留底拉伸、留底退火：φ10mm退火后经过2道次拉伸至φ7.2mm，退火温度 420℃，升温时间60min，保温时间300min。
6)成品拉伸：退火后的φ7.2mm线坯经过3道模具连拉至φ4.8mm。
7)检验包装：成品经过各项检验合格后包装入库。
实施例3
规格为φ3.0mm的无铅易切削锡磷青铜合金，具体制备步骤为：
1)熔炼：按照表1所需成分进行配料，然后在工频联体炉里进行熔炼，熔炼温度为1130～1160℃，待全部金属熔化后，化验成分合格，升温至1190-1210℃，加入清渣剂清渣，并加入木炭覆盖保温。
2)水平连铸：铜水由结晶器从安装在联体炉保温端的结晶器中水平引出，铸坯规格Φ12mm，铸造温度1190-1210℃，冷却水进水温度：28℃，出水温度：36℃，牵引工艺采用“拉-停-拉”的牵引动作，牵引速度400r/min。
3)均匀化处理：均匀化处理温度：630℃，均匀化处理时间：4h。
4)中间拉伸、中间退火：均匀化后的φ12mm铸坯经过3道次拉伸至φ8.5mm，中间退火温度520℃，升温时间60min，保温时间240min。
5)留底拉伸、留底退火：φ8.5mm退火后经过3道次拉伸至φ5.0mm，退火温度 400℃，升温时间60min，保温时间300min。
6)成品拉伸：退火后的φ5.0mm线坯经过3道模具连拉至φ3.0mm。
7)检验包装：成品经过各项检验合格后包装入库。
对3个实施例和1个对比例进行性能检测，结果见表3。
切削性能测试通过铜屑形貌和相对切削指数来反映：
1)铜屑形貌：铜棒在车床上车削加工时收集铜屑，车削加工条件：车床转速：2000r/min,切深：1mm，通过铜屑形貌比较切削性能优劣，铜屑越细碎，表明切削性能越佳。实施例1车削的铜屑为碎片状，对比例QSn6.5-0.1车削的铜屑为钢丝球状。
2)相对切削指数：根据切削力测试仪计算的切削力，并与QSn4-4-4进行比较，然后根据公式：相对切削指数＝(QSn4-4-4合金切削力)/示例合金切削力×100％得出相对切削指数，具体数据见表2，说明本发明无铅易切削锡磷青铜合金的切削性能略差于 QSn4-4-4，但远高于QSn6.5-0.1。
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。
导电率测试按照《GB/T 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为ZFD微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。
硬度采用《GB/T 231.3-2021》进行检测。
表1 本发明实施例、对比例的化学成分/wt％
编号 Cu Sn Zn P S Fe Pb V
实施例1 余量 5.91 0.026 0.11 0.22 0.023 0.0067 0.03
实施例2 余量 4.45 0.067 0.084 0.17 0.045 0.0080 0.08
实施例3 余量 6.62 0.11 0.14 0.092 0.019 0.0035 0.04
QSn6.5-0.1 余量 6.05 0.035 0.12 / 0.0064 0.0045
QSn4-4-4 余量 3.97 4.14 0.12 / 0.058 3.37
表2 本发明实施例的微观组织
Figure RE-GDA0003567486570000061
表3 本发明实施例和对比例的性能
Figure RE-GDA0003567486570000062

Claims (9)

1.一种无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：该锡磷青铜合金的质量百分比组成为，Sn：4.0～7.0wt％，P：0.01～0.50wt％，S：0.03～0.50wt％，V：0.02-0.1wt％，Pb≤0.01wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：所述锡磷青铜合金的微观组织包括基体相以及第二相，所述基体相为α相，所述第二相包括Cu2S、SnS2，所述Cu2S、SnS2总面积含量控制在0.1～1％。
3.根据权利要求2所述的无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：所述SnS2占Cu2S、SnS2总面积含量的60％～90％。
4.根据权利要求1所述的无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：所述锡磷青铜合金的晶粒度≤10μm，Cu2S、SnS2相尺寸≤1μm。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的无铅易切削锡磷青铜合金，其特征在于：所述锡磷青铜合金的硬度HV5为180～220，延伸率：2～5％，相对切削指数为QSn4-4-4的60％以上，导电率≥10％IACS。
6.一种权利要求1至4任一权利要求所述的无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法，其特征在于：该锡磷青铜合金的制备工艺流程为：熔炼→水平连铸→均匀化处理→中间拉伸、中间退火→留底拉伸、留底退火→成品拉伸；所述均匀化处理工艺为：1)4.0wt％≤Sn≤5.0wt％时，均匀化处理温度：520～550℃，保温时间：10～12h；2)5.0wt％＜Sn≤6.0wt％时，均匀化处理温度560～600℃，保温时间6～8h；6.0wt％＜Sn≤7.0wt％时，均匀化处理温度610～650℃，保温时间3～5h。
7.根据权利要求6所述的无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法，其特征在于：所述水平连铸工艺为：铸坯规格Φ8～40mm，铸造温度1150～1220℃，冷却水进水温度：25～33℃，出水温度：35～45℃，牵引工艺采用“拉-停-反推-拉”的牵引动作，牵引速度200～700r/min。
8.根据权利要求6所述的无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法，其特征在于：所述中间拉伸的总加工率控制在20～60％，中间退火温度450～550℃，升温时间30～60min，保温时间120～240min。
9.根据权利要求6所述的无铅易切削锡磷青铜合金的制备方法，其特征在于：所述留底拉伸总加工率控制在50～70％，留底退火温度350-450℃，升温时间30～90min，保温时间120～360min。
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