CN114606411B

CN114606411B - 一种易切削白铜

Info

Publication number: CN114606411B
Application number: CN202210426668.7A
Authority: CN
Inventors: 叶东皇; 项燕龙; 华称文
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2022-04-21
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-04-21
Also published as: CN114606411A

Abstract

本发明公开了一种易切削白铜，其特征在于：该白铜的质量百分比组成为，Cu：60.0～63.0wt％，Ni：6.5～13.0wt％，Mn：0.1～0.9wt％，Sn：0.3～1.2wt％，Si：0.1～0.5wt％，Co：0.1～0.45％，Mg：0.02～0.10wt％，P：0.055～0.10wt％，Pb≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。本发明的易切削白铜通过添加环境友好的元素Sn、Si、P改善材料的切削性能，同时通过Si、Mn元素的添加，形成耐磨相，并控制耐磨相的尺寸和面积分数，在提高白铜的耐磨性能同时，不对白铜的切削性能产生不利影响。

Description

一种易切削白铜

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种易切削白铜及其制备方法。

背景技术

笔头和墨水是圆珠笔的关键，其中笔头分为笔尖上的球珠和球座体。目前，碳化钨球珠在国内外应用最为广泛，我国已经具有很好的基础，不仅可以满足国内生产需要，还大量供出口。

制造球座体的材料主要有三种：不锈钢、铅白铜和铅黄铜，其中铅黄铜用量最大，铅白铜次之；耐磨性方面，不锈钢最好，其次是铅白铜，铅黄铜最差；加工性能方面，铅黄铜最好，其次是铅白铜，不锈钢最难加工；售价方面，不锈钢最高，其次是铅白铜，最便宜的是铅黄铜，因此，铅白铜作为笔头材料，是最具性价比的材料。

笔头加工精度达5μm，要求球座体与球珠装配配合良好，才能使笔头的书写性能达到好的效果，这就要求制造笔头的材料不仅切削性能要好，还要有良好的耐磨性能，耐磨性能差的材料，笔头书写一段时间，球座体与球珠间隙变大，书写效果变差。

铅白铜材料因为基体中分布了大量软质点Pb，改善了切削，同时由于性质软的Pb颗粒具有良好的自润滑性能，又提高了白铜的耐磨性能。然后无铅白铜由于不含Pb，切削性能与耐磨性能均受到影响。

众所周知，Pb对人体有害，美国、欧盟等都对铜合金中的Pb含量提出了相应的限制，RoHS2.0要求Pb含量不超过0.1％，目前处于豁免期，但易切削铜合金材料去铅化是必然的发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种易切削且耐磨性能好的易切削白铜。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削白铜，其特征在于：该白铜的质量百分比组成为，Cu：60.0～63.0wt％，Ni：6.5～13.0wt％，Mn：0.1～0.9wt％，Sn：0.3～1.2wt％，Si：0.1～0.5wt％，Co：0.1～0.45％，Mg：0.02～0.10wt％，P：0.055～0.10wt％，Pb≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。

Sn能与白铜中的Ni形成Ni₃Sn₂脆性化合物，所以加入Sn能提高白铜的切削性能，但由于Sn原子与Cu原子半径差异大，Sn的固溶强化作用大，Sn含量高不仅不利于切削改善，反而影响材料的冷加工性能，因此，本发明中Sn的适宜添加量0.3～1.2wt％。

Si在白铜中与Cu、Ni、Mn元素分别形成Cu₉Si、Ni₂Si脆性化合物和Mn₅Si₃耐磨相，当Si含量＜0.1％时，Si大部分与Cu、Ni元素形成脆性化合物改善无铅白铜的切削性能，少部分与Mn元素结合形成耐磨相，Si含量＞0.5％以后，Mn₅Si₃耐磨相分布比例增多，尺寸变大，白铜切削性能变差，因此，Si的添加量为0.1～0.5wt％。

Co是一种硬而脆的银白色金属，它的熔点达到1495℃，Co在Cu中溶解度很低，只有0.1％不到，超过固溶度的Co以硬而脆的质点形式存在，提高白铜的切削性能和耐磨性能，但是Co的加入量过高，超过0.45％以上时，质点尺寸增大，出现偏聚现象，加快刀具的磨损，反而不利于切削加工。

Mn在铜中溶解度较大，Mn在白铜中不仅起到脱氧除气的作用，还能和Ni有相同的作用，能增强白铜的银白色色泽，但是Mn含量过高，白铜材料在使用过程中有自裂现象，因此在本发明中，Mn含量控制在较低的范围：0.1～0.10wt％，其主要作用是与 Si结合形成耐磨相，提高白铜的耐磨性能。

Ni能与铜无限互溶，铜中随着Ni含量的提高，铜合金呈现美丽的银白色，但Ni 含量在6.5％以下时，白铜呈现白中发黄的颜色，随着Ni含量的逐步提高，颜色越来越白，此外，白铜耐腐蚀性能随着Ni含量提高而提升，但是Ni含量过高，增加了材料成本，因此，Ni含量范围是：6.5～13.0wt％。

P在铜中的溶解度很小，当P含量超过0.055％，过饱和的P会与Cu形成Cu₃P脆性相，可以提高合金的切削性能，但P含量继续增加时，脆性相分布数量增加，铸造时容易出现因冷却不良而聚集的情况，加剧了白铜的脆性，在冷变形过程中容易开裂，因此P的加入量不能过高，适宜控制在0.055～0.10wt％。

作为优选，所述Ni含量应控制在10.5～12.5％。

作为优选，该白铜的微观组织以α相为基体，基体上析出有CuP、NiSn、CuSi、NiSi以及MnSi相。

作为优选，所述MnSi相平均尺寸≤3μm，在组织中的面积含量≤3％。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种易切削白铜的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削白铜的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1100～1250℃，待全部金属熔化，化验成分合格后转炉倒入保温炉保温，转炉温度控制在1200～1300℃；

2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸坯规格Φ8～30mm，铸造温度1160～1230℃，冷却水进水温度：20～30℃，出水温度：33～45℃，牵引工艺采用“拉伸—拉停—反推—推停”牵引动作，牵引速度：0.2～1.5m/min，拉坯长度：1～30mm、拉伸时间：0.03～0.4s、拉停时间：0.01～0.15s、反推长度：0.1～2.5mm、反推时间：0.02～0.3s，推停时间：0.02～0.3s；

3)中间拉伸与退火：采用一道次以上拉伸刨皮，每道次加工率：20～60％，拉伸速度：1～4m/s，中间退火温度：650～750℃，起始温度为室温，升温时间：40～90min，保温时间：120～240min；

4)留底拉伸与退火：留底加工率：30～60％，退火温度400～500℃，起始温度为室温，升温时间：40～120min，保温时间：60～360min；

5)成品拉伸：成品加工率不低于50％，通过多模连续拉丝机拉伸至成品规格，模具数量1～10只，拉伸速度：1～5m/s，拉伸采用乳化液进行润滑和冷却。

水平连铸铸坯规格在满足后道加工率分配的前提下，应尽可能减小铸坯截面积，目的是减小铜水凝固对冷却强度的需求，改善大截面积铸坯连铸时心部与表层冷却不均匀的问题，因此，本发明选择的铸坯规格为：φ8～30mm。牵引工艺采用低速、高频率工艺，也即在降低牵引速度同时减小拉坯长度，低速牵引等于增强了铸坯的冷却强度，高频率牵引时，铜水结晶时受到震动破碎枝晶的作用越明显，可以获得铸态组织致密、第二相细小的铸坯。采用本发明的水平连铸工艺，易切削白铜中Cu₃P脆性相的平均尺寸能控制在5μm以下，Mn₅Si₃耐磨相平均尺寸控制在3μm以下。

留底退火的作用主要通过较低温度退火，促使中间高温退火固溶的Ni、Sn、Si元素部分从基体中析出强化相NiSn、CuSi、NiSi等，提高材料的硬度。

成品加工率不低于50％，目的是提高产品的硬度，提高材料的耐磨性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的易切削白铜通过添加环境友好的元素Sn、Si、P改善材料的切削性能，同时通过Si、Mn元素的添加，形成耐磨相，实现硬度HV5在220～240，切削指数为C72900的75％以上，磨损系数在1.1以上，在实现易切削的同时具有良好的耐磨性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相组织照片(放大200倍)。

图2为本发明实施例1的切削屑照片。

图3为本发明对比例1的切削屑照片。

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。

本发明提供3个实施例和1个对比例，具体成分见表1。

实施例1：

规格为φ2.3mm的易切削白铜线材制备步骤以下：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，然后在中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1100～1250℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入工频炉保温，转炉温度控制在1200～1250℃。

2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸坯规格Φ10mm，铸造温度1190～1210℃，冷却水进水温度：28℃，出水温度：35℃，牵引工艺采用“拉伸—停顿—反推—停顿”牵引动作，牵引参数：牵引速度：0.43m/min，拉坯长度：4mm、拉伸时间：0.26s、拉停时间：0.04s、反推长度：1.2mm、反推时间：0.08s，推停时间：0.05s。

3)中间拉伸与退火：水平连铸杆坯φ10mm经过两道次分别拉伸刨皮至φ7.5mm、φ5.5mm，拉伸速度：2～3.5m/s，第一道次刨皮量：0.024mm，第二道次刨皮量：0.017mm，φ7.5mm、φ5.5mm分别进行中间退火，退火温度：720℃，起始温度为室温，升温时间：60min，保温时间：180min。

4)留底拉伸与退火：φ5.5mm拉伸刨皮至φ4mm，加工率：47.1％，刨皮量：0.013mm，φ4硬态线坯作为留底规格在罩式炉里进行退火，退火温度420℃，起始温度为室温，升温时间：45min，保温时间：300min。

5)成品拉伸：退火后的φ4线坯通过水箱拉丝机拉伸至φ2.3，模具数量6只，加工率66.9％，拉伸速度：3.5m/s，拉伸采用乳化液进行润滑和冷却。

6)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φ5mm易切削白铜线材制备步骤以下：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，然后在中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1100～1250℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入工频炉保温，转炉温度控制在1230-1250℃。

2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸坯规格Φ10mm，铸造温度1170～1190℃，冷却水进水温度：26℃，出水温度：34℃，牵引工艺采用“拉伸—拉停—反推—推停”牵引动作，牵引参数：牵引速度0.38m/min，拉坯长度3.5mm、拉伸时间0.22s、拉停时间0.035s、反推长度：1.0mm、反推时间：0.06s，推停时间：0.04s。

3)中间拉伸与退火：水平连铸杆坯φ12mm经过一道次拉伸刨皮至φ9mm，加工率：43.8％，拉伸速度：2m/s，刨皮量：0.027mm，φ9mm进行中间退火，退火温度：750℃，起始温度为室温，升温时间：60min，保温时间：210min。

4)留底拉伸与退火：φ9mm拉伸至φ7.4mm，加工率：32.4％，刨皮量：0.022mm，φ7.4硬态线坯作为留底规格在罩式炉里进行退火，退火温度460℃，起始温度为室温，升温时间60min，保温时间270min。

5)成品拉伸：退火后的φ7.4线坯通过水箱拉丝机拉伸至φ5，模具数量3只，加工率54.3％，拉伸速度：3m/s，拉伸采用乳化液进行润滑和冷却。

6)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φ2.0mm的易切削白铜线材制备步骤以下：

1)熔炼：按照所需成分进行配料，然后在中频熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1100～1250℃，待全部金属熔化后，化验成分合格后转炉倒入工频炉保温，转炉温度控制在1200-1250℃。

2)水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸坯规格Φ8mm，铸造温度1180～1200℃，冷却水进水温度：24℃，出水温度：42℃，牵引工艺采用“拉伸—停顿—反推—停顿”牵引动作，牵引参数：牵引速度0.50m/min，拉坯长度4mm、拉伸时间0.28s、拉停时间0.03s、反推长度：1.5mm、反推时间：0.05s，推停时间：0.05s。

3)中间拉伸与退火：水平连铸杆坯φ8mm拉伸刨皮至φ5.4，加工率：54.4％，拉伸速度：4m/s，刨皮量：0.021mm，φ5.4mm进行中间退火，退火温度680℃，起始温度为室温，升温时间45min，保温时间210min。

4)留底拉伸与退火：φ5.4mm拉伸刨皮至φ3.6mm，加工率：55.5％，刨皮量：0.012mm，φ3.6硬态线坯作为留底规格在罩式炉里进行退火，退火温度420℃，起始温度为室温，升温时间45min，保温时间300min。

5)成品拉伸：退火后的φ3.6mm线坯通过水箱拉丝机拉伸至φ2.0，模具数量5只，加工率69.1％，拉伸速度：4m/s，拉伸采用乳化液进行润滑和冷却。

6)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个对比例切削性能与耐磨性能进行检测：

切削性能检测通过铜屑形貌和切削性能指数来反映。经切削加工工序收集铜屑，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。从图2、图3可以看出，实施例1的铜屑略比对比例C72900的铜屑大，根据切削力测试仪计算的切削力，并与C72900进行比较，然后根据公式：

得出切削性能指数，具体数据见表2。

材料的耐磨性可以由材料的硬度来衡量。这主要是因为材料的硬度反映了材料抵抗物料压入表面的能力，硬度高物料压入材料表面的深度浅，切削产生的磨削体积小，即磨损小，耐磨性高。此外，通过相对耐磨性也即磨损系数来比较本发明合金的耐磨性能。

相对耐磨性(磨损系数)＝标准式样的磨损量/被测试样的磨损量。对比例C72900的磨损系数为1.0，实施例的磨损系数见表2，其值越大，耐磨性能越好。

从表2的数据可以看出，本发明易切削白铜的切削性能略差于铅白铜C72900，耐磨性能优于C72900，能够满足无铅化球座体的使用要求。

表1本发明实施例、对比例的化学成分/wt％

表2本发明实施例的微观组织以及实施例与对比例的性能

Claims

1.一种易切削白铜，其特征在于：该白铜的质量百分比组成为，Cu：60.0～63.0wt%，Ni：6.5～13.0wt%，Mn：0.1～0.9wt%，Sn：0.3～1.2wt%，Si：0.1～0.5wt%，Co：0.1~0.45%，Mg：0.02～0.10wt%，P：0.055～0.10wt%，Pb≤0.1wt%，余量为Zn和不可避免的杂质；

包括以下制备步骤：

1）熔炼：按照所需成分进行配料，熔炼温度为1100~1250℃，待全部金属熔化，化验成分合格后转炉倒入保温炉保温，转炉温度控制在1200~1300℃；

2）水平连铸：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸坯规格Φ8~30mm，铸造温度1160~1230℃，冷却水进水温度：20~30℃，出水温度：33~45℃，牵引工艺采用“拉伸—拉停—反推—推停”牵引动作，牵引速度0.2~1.5m/min，拉坯长度1~30mm、拉伸时间0.03~0.4s、拉停时间0.01~0.15s、反推长度0.1~2.5mm、反推时间0.02~0.3s，推停时间：0.02~0.3s；

3) 中间拉伸与退火：采用一道次以上拉伸刨皮，每道次加工率：20~60%，拉伸速度：1~4m/s，中间退火温度：650~750℃，起始温度为室温，升温时间：40~90min，保温时间：120~240min；

4）留底拉伸与退火：留底加工率：30~60%，退火温度400~500℃，起始温度为室温，升温时间：40~120min，保温时间：60~360min；

5）成品拉伸：成品加工率不低于50%，通过多模连续拉丝机拉伸至成品规格，模具数量1~10只，拉伸速度：1~5m/s，拉伸采用乳化液进行润滑和冷却。

2.根据权利要求1所述的易切削白铜，其特征在于：所述Ni含量应控制在10.5～12.5%。

3.根据权利要求1所述的易切削白铜，其特征在于：该白铜的微观组织以α相为基体，基体上析出有CuP、NiSn、CuSi、NiSi 以及MnSi相。

4.根据权利要求3所述的易切削白铜，其特征在于：所述MnSi相平均尺寸≤3μm，在组织中的面积含量≤3%。