CN115449655B - 一种黄铜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种黄铜，其特征在于：该黄铜的质量百分比组成为Cu：59wt％～62wt％，Sn：0.5wt％～1.0wt％，As：0.02wt％～0.06wt％，Mg：0.1wt％～0.2wt％，Si：0.1wt％～0.2wt％，B：0.03wt％～0.08wt％，Pb≤0.2wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn及不可避免的杂质。在铜合金中添加Mg、Si、B，并控制各自的含量，增加易切削相的同时，将基体割裂，细化了基体的晶粒，提高切削性的同时提高了耐蚀性能，最终实现该黄铜的切削指数为C36000的60％以上，材料头部、中部、尾部的硬度偏差控制在10％以内，沿横向、纵向的平均抗脱锌深度均≤100μm。

Description

一种黄铜及其制备方法

技术领域

本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种黄铜及其制备方法。

背景技术

黄铜具有美观的外表和优异的性能，在多个领域中大量应用。在黄铜中加入少量铅(约1～4.5％)显著改善了材料的切削性能，从而为加工形状复杂的日用品和机械零部件带来了便利。随着人们对自身健康的不断关注，环保意识的进一步增强，生活中一些日常用品中的有害元素如铅、镍、镉、汞、六价铬等对人体的危害越来越被人们所重视，更引起了许多发达国家的密切关注。他们已经或正在制订相关法令、法规控制工业产品中一些有害元素的含量，要求为居民提供饮用水或烹饪用水的设备，包括水管、阀门、水龙头等产品都必须达到新的无铅化标准。

C46500牌号是具有良好的切削性能、热锻性能、抗脱锌腐蚀性能的无铅环保黄铜材料，广泛应用在水暖、厨卫等环保领域。目前生产C46500挤压铜材具有较好的市场认可度，但是仍存在几个较为突出的问题。第一，产品的抗脱锌性能不能稳定小于《ISO 650金属和合金的腐蚀黄铜抗脱锌性的测定》中关于挤制产品纵向平均300um和横向平均100微米的要求。第二，晶粒局部粗大且不均匀，材料的机加工性能差。第三，产品加工路线较长，导致产品价格较高、交期长。因存在上述问题，大大限制了无铅黄铜的应用。

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、耐蚀性能优异且组织和性能均匀的黄铜。

本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜，其特征在于：该黄铜的质量百分比组成为Cu：59wt％～62wt％，Sn：0.5wt％～1.0wt％，As：0.02wt％～0.06wt％，Mg：0.1wt％～0.2wt％，Si：0.1wt％～0.2wt％，B：0.03wt％～0.08wt％，Pb≤0.2wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn及不可避免的杂质。

本发明铜合金中添加一定量的硅，一部分硅固溶于β相中，进一步提高β相的硬度，提高切削性，同时一部分硅以游离态存在，分散在铜基体中，作为切削质点，起到断削作用；硅小于0.1％时，对于切削性的改善效果不明显，高于0.2％时，容易增加硬脆相γ的比例，导致材料开裂的风险增加，材料的塑性降低较多，不利于材料的生产加工和工程应用。

本发明铜合金中添加一定量的镁，Mg与Sn形成MgSn相，MgSn相为切削相，弥散分布在铜合金基体中，起到改善切削性的同时还将基体割裂，细化基体的晶粒。Mg小于0.1％时，不利于MgSn相的形成，高于0.2％时，MgSn相含量过高，容易导致材料边变脆，容易开裂。

本发明铜合金中添加一定量的硼，一方面，其本身具有细化晶粒的作用；另一方面，作为其他第二相的形核中心，增加非均匀形核的几率，使得晶粒更加细小；再次，硼可以进入组织的空位缺陷位置，与砷协同减少原电池数量，降低原电池电极电位，降低电化学腐蚀能力，原因为砷与硼的配合是以As-B配位对的方式在起作用，虽然硼、砷单独加入后，形成的“双空位-硼原子”复合体与“双空位-砷原子”复合体能够占据双空位，降低双空位的扩散能力而达到抑制脱锌的目的，但是由于它们不能完全填充双空位，只是它们只能减缓，而不能有效阻止双空位的迁移；而As和B相互协同作用形成的As-B配位对能完全填充腐蚀后产生的双空位，从而阻断渗流通道，阻止双空位的迁移，从而抑制黄铜脱锌，进而提高抗脱锌腐蚀性能。硼的加入量低于0.03wt％，上述效果不明显，硼的加入量高于0.08wt％，上述效果趋于稳定，而且会增加铜水黏度，不利铸造，一般B和As的加入比例为1:1。

作为优选，该黄铜的微观组织中含有β(Sn,Si)相、MgSn相、γ相，其中，β(Sn,Si)相的面积占比为45％～55％，MgSn相的面积占比为0.1％～0.3％，γ相的面积占比为0.01％～0.03％。

本发明铜合金的基体组织为α和β(Sn,Si)相，其中，β(Sn,Si)相为硬质相，为基体提供强度，相比较于α相，其易切削，β相含量高于55％，可以优化材料的切削性能，但是材料塑性会急剧下降，导致生产过程开裂风险急剧增加，同时材料组织应力也会增加，引起材料应力腐蚀会加剧，不利材料的应用的稳定性，低于45％，材料的切削性变差，易黏刀、带丝、蹦锯片等问题均出现，达不到材料工程应用的目的。

MgSn相为切削相，高于0.3％会使得材料脆性风险急剧增加，低于0.1％对于整体机加工效果不利。

γ相的存在是有助于提高材料切削、断屑作用，优化切削性能。由于γ相辅助提高切削性能，一般尽量控制微量，若高于0.03％，容易引发材料硬度、直度、直径等一致性恶化，低于0.01％辅助提高切削效果消失。

作为优选，所述β(Sn,Si)相中呈孤岛状等轴晶的面积占比占β(Sn,Si)相的90％以上。相比较于α相而言，β(Sn,Si)相更容易腐蚀，而相比较于网状的β(Sn,Si)相，呈孤岛状等轴晶的β(Sn,Si)相切断了相与相之间的腐蚀通道，耐蚀性进一步提高。

作为优选，该黄铜的平均粒径为5μm～10μm。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种黄铜的制备方法。

本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜的制备方法，其特征在于，制备流程包括：配料→熔炼→铸造→挤压→淬火→矫直，所述挤压工艺为：挤压起始温度为650℃～720℃，挤压速度15～20mm/s，挤压比8～120，挤压完成后挤压棒坯温度为580℃～650℃；所述淬火工艺为：挤压棒坯进入淬火介质中进行冷却，冷却速度为40～70℃/s。

铸锭的组织是以α相、β(Sn,Si)相为基体相，在650℃～720℃的挤压温度下，α相不断转变为β(Sn,Si)相，并且网状的β(Sn,Si)相会分解为孤岛状等轴晶，通过采用淬火以快速冷却，挤压完成后挤压棒坯温度为580℃～650℃，冷却速度为40～70℃/s，该孤岛状等轴晶的β(Sn,Si)相会稳定地遗传到成品组织中，最终实现成品中β(Sn,Si)相呈孤岛状等轴晶。

作为优选，所述熔炼工艺为：将原料加入熔炼炉，温度保持在1100～1130℃，捞渣，在成分合格后加入精炼剂，精炼完成将铜硼合金加入，保温，将温度调节到1150℃～1180℃，喷火10～30s，温度降低到1100～1200℃，开始铸造。

为细化铸锭的晶粒，为后续成品获得细小的晶粒做储备，作为优选，所述铸造工艺为：将铜水引流到结晶器中，牵引速度80mm/min～85mm/min，铸锭出结晶器温度为600℃～700℃。

作为优选，结晶器冷却水进出温差控制在25～40℃，结晶器出口增加二级冷却水环，一级水环距离结晶器出口30mm～60mm，二级水环距离结晶器出口150mm～300mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在铜合金中添加Mg、Si、B，并控制各自的含量，增加易切削相的同时，将基体割裂，细化了基体的晶粒，在提高切削性的同时提高了耐蚀性能，材料的组织和性能均匀，最终实现该黄铜的切削指数为C36000的60％以上，材料头部、中部、尾部的硬度偏差控制在10％以内，沿横向、纵向的平均抗脱锌深度均≤100μm。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相组织照片(放大100倍)。

图2为本发明实施例2的金相组织照片(放大100倍)。

图3为本发明对比例1的金相组织照片(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。

本发明提供10个实施例和1个对比例，具体成分见表1。

实施例的制备步骤如下：

1)配料：按照所需成分进行配料，原料包括回料(主要包括加工回料，边角料，挤压压余，料头等)、废杂铜、铜末、铜米、铜硼合金、精炼剂。

2)熔炼：采用3t中频炉熔炼，依次加入铜米，铜末，废杂铜和回料，温度保持在1100～1130℃，捞渣，在成分合格后加入精炼剂，精炼完成将铜硼合金加入，保温5～30min，将温度调节到1150℃～1180℃，喷火10～30s，温度降低到1100～1200℃，开始铸造。

3)铸造：将铜水引流到结晶器中，牵引速度80mm/min～85mm/min，结晶器冷却水进出温差控制在25～40℃，结晶器出口增加二级冷却水环，一级水环距离结晶器出口30mm～60mm，二级水环距离结晶器出口150mm～300mm。铸锭出结晶器温度为600℃～700℃。

4)挤压：挤压起始温度为650℃～720℃，挤压速度15～20mm/s，挤压比8～120，挤压完成后挤压棒坯温度为580℃～650℃。

5)淬火：挤压棒坯进入水浴槽中进行冷却，冷却速度为40～70℃/s。

6)矫直：挤压出来的棒料，采用两辊校直机进行矫直，完成矫直后的棒材可以进行检验，包装，入库，关键参数控制见表2。

对比例：为市购的C46500。

晶粒度测量：按照GB/T 13298规定制备实施例1、实施例2以及对比例金相试样，晶粒度测量按照GB/T 6394-2017(金属平均晶粒度测定方法)规定的比较法测量，即通过与标准评级图对比来评定晶粒度。

相面积含量检测：划定1mm²面积区域，通过扫描电镜确定β(Sn,Si)相、MgSn相、γ相形貌，然后结合金相显微镜人工圈线读取，按照比例计算可得。

从图1的金相组织照片可以看出：平均粒径为6μm，浅色为α相，深色为β(Sn,Si)相，基本以呈孤岛状等轴晶存在，且两者均匀分布。其中，β(Sn,Si)相的面积占比为54％，β(Sn,Si)相中呈孤岛状等轴晶的面积占比占β(Sn,Si)相的93％。该组织中还含有MgSn相、γ相，其中，MgSn相的面积占比为0.2％，γ相的面积占比为0.015％。

从图2的金相组织照片可以看出：平均粒径为6μm，浅色为α相，深色为β(Sn,Si)相，基本以呈孤岛状等轴晶存在，且两者均匀分布。其中，β(Sn,Si)相的面积占比为55％，β(Sn,Si)相中呈孤岛状等轴晶的面积占比占β(Sn,Si)相的92％。该组织中还含有MgSn相、γ相，其中，MgSn相的面积占比为0.2％，γ相的面积占比为0.02％。

从图3的金相组织照片可以看出：平均粒径为45um，基体相为α+β相，枝晶组织非常发达，局部存在铸态组织。

对实施例、对比例进行以下性能检测：

硬度：检测标准为GB/T 4340.2-2012金属材料维氏硬度试验，分别在两边以及中间取样。

切削指数：将得到的棒材进行切削，转速1000r/min，径向进刀量2mm，轴向进刀速度5mm/min，车刀与径向角度10°，观察车削沫子，并与C36000进行比较。

抗脱锌腐蚀性能：检测标准为《ISO 650金属和合金的腐蚀黄铜抗脱锌性的测定》，分别沿样品横向、纵向三点进行取值。

表1本发明实施例、对比例的成分/wt％

编号	Cu	Sn	As	Mg	Si	B	Pb	Fe	Zn
										实施例1	60.85	0.71	0.051	0.15	0.14	0.032	-	-	余量
实施例2	60.75	0.68	0.052	0.17	0.15	0.041	-	-	余量
										实施例3	61.83	0.75	0.049	0.13	0.19	0.055	-	-	余量
实施例4	61.52	0.69	0.045	0.14	0.18	0.044	-	-	余量
										实施例5	61.32	0.77	0.055	0.12	0.17	0.073	-	-	余量
实施例6	60.54	0.72	0.057	0.15	0.16	0.067	-	-	余量
										实施例7	59.88	0.71	0.058	0.17	0.16	0.046	-	-	余量
实施例8	61.11	0.69	0.052	0.18	0.14	0.054	-	-	余量
										实施例9	60.98	0.66	0.049	0.16	0.13	0.046	-	-	余量
实施例10	61.22	0.81	0.048	0.14	0.14	0.062	-	-	余量
										C46500	59～62	0.5～1.0	-	-	-	-	-	-	余量

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本发明实施例的组织性能

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Claims (7)

1.一种黄铜，其特征在于：该黄铜的质量百分比组成为Cu：59wt％～62wt％，Sn：0.5wt％～1.0wt％，As：0.02wt％～0.06wt％，Mg：0.1wt％～0.2wt％，Si：0.1wt％～0.2wt％，B：0.03wt％～0.08wt％，Pb≤0.2wt％，Fe≤0.1wt％，余量为Zn及不可避免的杂质；该黄铜的微观组织中含有β(Sn,Si)相、MgSn相、γ相，其中，β(Sn,Si)相的面积占比为45％～55％，MgSn相的面积占比为0.1％～0.3％，γ相的面积占比为0.01％～0.03％。

2.根据权利要求1所述的黄铜，其特征在于：所述β(Sn,Si)相中呈孤岛状等轴晶的面积占比占β(Sn,Si)相的90％以上。

3.根据权利要求1所述的黄铜，其特征在于：该黄铜的平均粒径为5μm～10μm。

4.一种权利要求1至3任一权利要求所述的黄铜的制备方法，其特征在于，制备流程包括：配料→熔炼→铸造→挤压→淬火→矫直，所述挤压工艺为：挤压起始温度为650℃～720℃，挤压速度15～20mm/s，挤压比8～120，挤压完成后挤压棒坯温度为580℃～650℃；所述淬火工艺为：挤压棒坯进入淬火介质中进行冷却，冷却速度为40～70℃/s。

5.根据权利要求4所述的黄铜的制备方法，其特征在于，所述熔炼工艺为：将原料加入熔炼炉，温度保持在1100～1130℃，捞渣，在成分合格后加入精炼剂，精炼完成将铜硼合金加入，保温，将温度调节到1150℃～1180℃，喷火10～30s，温度降低到1100～1200℃，开始铸造。

6.根据权利要求4所述的黄铜的制备方法，其特征在于，所述铸造工艺为：将铜水引流到结晶器中，牵引速度80mm/min～85mm/min，铸锭出结晶器温度为600℃～700℃。

7.根据权利要求4所述的黄铜的制备方法，其特征在于，结晶器冷却水进出温差控制在25～40℃，结晶器出口增加二级冷却水环，一级水环距离结晶器出口30mm～60mm，二级水环距离结晶器出口150mm～300mm。

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