CN117327940A

CN117327940A - 一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法

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Publication number: CN117327940A
Application number: CN202311066088.2A
Authority: CN
Inventors: 欧阳好; 沈波; 张小娟; 舒孟洋; 华称文; 王东
Original assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jintian Copper Group Co Ltd
Priority date: 2023-08-23
Filing date: 2023-08-23
Publication date: 2024-01-02

Abstract

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，该黄铜的化学成分如下：Cu 60～65％；Sn 0.5～1.5％；Bi 0.10～0.3；Pb 0.01～0.15；As 0.01～0.1；B 0.01～0.05；Fe 0.05～0.15；杂质<0.5％；余量Zn；上述百分比为质量百分比。制备步骤：熔炼；水平连铸；卧式挤压，棒线坯；酸洗、拉伸；退火+淬火；校直；定尺、成品检测，包装。本发明制备工艺简单易操作，制备的无铅黄铜强度高、硬度大，具有优良的机加工性能和耐腐蚀性，解决了无铅黄铜切削下料困难，钻屑排屑困难，表面粗糙度不良等问题，同时有效提高了加工零部件的生产效率，提升了产品质量。

Description

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金材料技术领域，涉及一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法。

背景技术

黄铜是由铜和锌所组成的合金，由于其具备较好的热加工性能、机加工性能、力学性能和耐腐蚀性能等，被大量用于五金卫浴，接头零件、舰船上的小五金、螺栓、螺母、阀杆、冷凝器管和焊条等。

随着轮船、家用电器、交通运输、玩具/娱乐、电动车、电视游戏机、IT及通讯仪器，医疗器械等领域技术的发展，因此零部件变得异常复杂，进而需要材料具有更加优异的机加工性能、钻孔排屑性能等，同时不能出现重金属铅，必须满足RoHS指令，镉：小于100ppm，铅：小于1000ppm，即铅的含量必需小于0.1％，以及材料的耐腐蚀性能需要大幅度提升，保证材料的强度得到保证。

普通无铅黄铜C46400具备较好的无铅环保性能，也被称作海军黄铜，但是该材料基体缺乏机加工过程的切削相，导致车削，钻屑非常不畅，加工零件效率非常低，而且加工零部件表面非常毛糙、暗淡，严重影响产品的表面质量，同时耐腐蚀性能也需要进一步优化。

经查，现有专利号为CN201310044722.2的中国专利《一种热成型性能优异的无铅易切削耐蚀黄铜合金》，该黄铜合金含有：74.5～76.5wt％的Cu、3.0～3.5wt％的Si、0.11～0.2wt％的Fe、0.04～0.10wt％的P，其余为Zn和不可避免的杂质。该黄铜具有较好的冷加工和热加工成型性能、抗脱锌腐蚀及抗应力腐蚀性能，但是其不是海军黄铜，在强度、硬度与抗海水耐蚀性方面还不够理想。

因此，需要开发一种无铅易切削耐蚀黄铜，满足机加工性能达到HPb63-3切削性能的60％以上，表面粗糙度0.3μm以下，铅含量低于0.1％，抗脱锌值低于100μm是当务之急。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种无铅易切削耐蚀黄铜，在无铅黄铜C46400的基础上进行优化，具有较好的机加工性能和耐蚀性能。

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耐蚀黄铜的制备方法，制备的无铅黄铜具有优异的机加工性能和耐蚀性能，有效提高生产效率和产品质量。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于该黄铜的化学成分如下：

上述百分比为质量百分比。

作为优选，所述黄铜的化学成分包括：

上述百分比为质量百分比。

进一步优选，所述黄铜的金相主要相为α+β相，以及单质的Pb相、Bi相，β相为分散存在，网状结构被打散，均为小块分布，将α相分割为许多团块。

作为优选，所述β相比例60～70％，甚至可以更高。

最后，所述黄铜的表面粗糙度为0.2～0.3μm，切削性可以达到HPb63-3的60～75％，甚至可以更高。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述无铅易切削耐蚀黄铜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)熔炼：将原料放入熔炼炉中加热熔化，测试铜水成分；

2)水平连铸，铸坯：开启引拉，引拉开始温度在1130℃～1180℃，当铸造稳定后，温度保持在1050℃～1080℃，速度70mm/min～80mm/min，水冷进水出水温度温差15℃～25℃；

3)卧式挤压，棒线坯：采用卧式挤压机，挤压温度680℃～720℃；

4)酸洗、拉伸；

5)退火+淬火：拉伸后进行低温退火，退火后快速放入水池冷却；

6)校直；

7)最后定尺、成品检测，包装。

作为改进，所述步骤1)熔炼的具体过程为：

a、在2t工频熔炼炉，熔炼过程中先将回料沫子500±50kg加入炉内熔化区域，电压打到高压400±40V，熔化后，再将加工回料1500±150kg加入炉内，等所有的物料熔化后，温度保持在1020℃～1040℃；

b、原料熔化完全后，温度提高到1080℃-1100℃，加入清渣剂2±0.2kg，搅拌捞渣，捞渣完成后，将温度调节到1010℃～1040℃，将精炼剂2±0.2kg压入，加入磷铜，搅拌均匀，然后将Sn、Pb，Bi、As、B-Cu加入，静止保温；

c、取样测试铜水的成分，成分合格，将温度提高到1090℃～1120℃即可。

进一步，所述步骤2)引拉规格为φ175±5mm。

进一步，所述步骤3)采用1800型卧式挤压机，铸锭长度720±10mm。

优选，所述步骤3)的挤压出来后，快速冷却，出口采用水雾风机，确保出来的铜棒低于450℃。

进一步，所述步骤4)的酸洗是采用质量浓度为3～5％的稀硫酸进行酸洗去除氧化层。

最后，所述步骤5)的低温退火的退火温度480±10℃，退火时间6h±0.5h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在传统无铅黄铜C46400的基础上，对黄铜成分进行科学优化设计，添加了铋、砷、硼元素，有效改善机加工性能，提高耐腐蚀性，同时细化晶粒，使得强度和硬度更高；在制备过程中采用高温挤压，快速冷却，以得到材料组织更多的β相比例，以及拉伸后进行低温退火，退火后快速放入水池冷却，获得均匀的相组织分配，尤其在第二相铋在晶界均匀分布和晶粒的细化方面起到较好的改善作用，起到阻断腐蚀通道，提高材料的耐腐蚀性能，同时β相的析出稳定保存至室温，从而提高切削性能，也实现通过热处理过程，封闭了由于β相连接的腐蚀通道，同时提高材料的抗脱锌性能，即耐脱锌腐蚀的能力。本发明制备工艺简单易操作，制备的无铅黄铜强度高、硬度大，具有优良的机加工性能和耐腐蚀性，解决了无铅黄铜切削下料困难，钻屑排屑困难，表面粗糙度不良等问题，同时有效提高了加工零部件的生产效率，提升了产品质量。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的无铅黄铜的金相图；

图2是实施例1制备的无铅黄铜机加工后的车削沫子；

图3是本发明实施例2制备的无铅黄铜的金相图；

图4是实施例2制备的无铅黄铜机加工后的车削沫子；

图5是对比例1制备的无铅黄铜的金相图；

图6是对比例1制备的无铅黄铜机加工后的车削沫子。

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。

一种无铅易切削耐蚀黄铜，该黄铜的化学成分如下：

上述百分比为质量百分比。

作为进一步优选，该黄铜的化学成分可以如下：

上述百分比为质量百分比。

下面就本发明的无铅易切削耐蚀黄铜的成分设计及创新思路进行具体说明：

一、成分设计

表1是改进前传统无铅黄铜C46400的化学成分：

表1C46400材料化学成分

Cu

Sn

Bi

Pb

As

B

Fe

杂质

C46400

62-65

0.5-1.0

/

0.2

/

0.1

0.4

改进前的C46400(62Cu％、0.8Sn％)具有较好的抗脱锌腐蚀(C46400材料经480℃.6h退火处理后基体以α为主抗脱锌值78μm)、抗残余应力开裂能力，但切削性较差，需要优化材料成分，确保较好的机加工性能。

表2是本发明的无铅黄铜C46400的化学成分：

表2C46400材料化学设计成分

	Cu	Sn	Bi	Pb	As	B	Fe	杂质
									C46400	62-63	0.7-1.0	0.15-0.2	0.05-0.09	0.04-0.06	0.01-0.03	0.09-0.11	0.2-0.4

铅：可以改善材料的机加工性能，需要添加一部分铅，控制含量小于0.09％。

铋：金属铋属于无铅产品中常用金属元素，其作用机理和铅类似，形成铋单质相作为切斜断屑相，用来改善机加工性能，由于其颗粒偏硬，切削过程无法剪切，所以为了确保表面质量会限制使用量，0.15％～0.2％以内最佳，过高会引起材料的开裂。

砷：为确保材料的耐腐蚀性能，会添加抑制脱锌元素，主要是砷，由于其具有一定的健康影响，加入比例在0.04～0.06％以内最佳。

硼：作为材料细化作用的核心元素，必须确保加入0.01％～0.03％。

二、组织设计

金相组织对切削性能和抗脱锌的影响分为两个方面：

a、晶粒度控制

晶粒越细小，晶体的强度、硬度越高，这是因为晶粒越细小，晶界面积越大，而晶界的阻碍作用越大，对于材料的抗脱锌腐蚀深度起到较好的组织抑制作用，细小的晶粒可以分散切削性，使得机加工性能更加顺畅，避免组织异常导致抖动问题等，刀具切割材料表面可以非常容易的将表层剥离，沫子非常细腻，加工材料的表面光泽度高。

b、相组成及分布比例控制

材料主要以α相+β相为基体，存在铅相，铋相，均匀分布在基体上面，两相黄铜中，α相质软，塑性和韧性好，不易切削；而β相质硬，切削过程中易断屑。

为了提高材料的机加工性能，提高组织中β相的比例，并使α相或β相的形状为一个个孤立的块状，将网状的β相打散，用于切割α相，使得α相分布更加均匀，没有局部聚集的组织相，通过一定的热处理手段可以获得以上结果。为获得更多的β相比例，需要采用高温挤压，挤压温度在680℃～720℃，快速冷却，出口采用水雾风机，确保出来的铜棒低于450℃(相转变温度点，β相表面析出α相)，确保β相更多比例保存，从而提高材料的切削性能。

实施例1

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，本实施例的黄铜为规格为φ16mm的圆棒，黄铜成分为：

	Cu	Sn	Bi	Pb	As	B	Fe	Zn
									C46400	62.5	0.8	0.15	0.09	0.06	0.02	0.1	余量

以及其他需要控制的杂质元素0.2-0.4％，锌余量：

具体生产过程如下：

1、熔炼

①在2t工频熔炼炉，熔炼过程中先将回料沫子500kg加入炉内熔化区域，电压打到高压400V，熔化后，再将加工回料1500kg加入炉内，等所有的物料熔化后，温度保持在1020℃～1040℃；

②原料熔化完全后，温度提高到1080℃～1100℃，加入清渣剂2kg，搅拌捞渣，捞渣完成后，将温度调节到1010℃～1040℃，将精炼剂2kg压入，加入磷铜，搅拌均匀，然后将Sn、Pb，Bi、As、B-Cu加入，静止保温；

③取样测试铜水的成分，成分合格，将温度提高到1090℃～1120℃即可。

2、水平连铸，铸坯：开启引拉，引拉规格φ175mm，引拉开始温度在1130℃～1180℃，当铸造稳定后，温度保持在1050℃～1080℃，速度75mm/min～80mm/min,水冷进水出水温度温差15℃～20℃。

3、卧式挤压：采用1800型卧式挤压机，挤压温度680℃～700℃，铸锭长度720mm。

4、酸洗：采用质量浓度为3～5％的稀硫酸进行酸洗去除氧化层。

5、拉伸：φ17→φ16mm。

6、退火+淬火：低温退火(480℃+6h)，快速进入水池冷却。

7、校直。

8、定尺+检验+包装。

根据上述方法生产出的无铅黄铜C46400棒材机加工性能极佳，无卷曲沫子，钻削均为碎料，表面粗糙度在0.25μmax以下，切削性达到HPb63-3的65％以上，抗脱锌值70μm。制备的无铅黄铜C46400棒材的金相如图1所示，主要相为а+β相，以及单质的Bi相，β相为分散存在，网状结构被打散，均为小块分布，将а相分割为许多团块，阻断腐蚀通道，强化材料的耐腐蚀性能，同时提高材料的断屑效果，直接效果体现为图2切削成碎沫子料，同时该组织晶粒细小在30μm，进一步稳定了切削性能。

实施例2

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，本实施例的黄铜为规格为φ21mm的圆棒，黄铜成分为：

	Cu	Sn	Bi	Pb	As	B	Fe	Zn
									C46400	62	0.8	0.2	0.09	0.06	0.02	0.09	余量

以及其他需要控制的杂质元素0.2-0.4％，锌余量：

具体生产过程如下：

1、熔炼

5、拉伸：φ22→φ21mm。

6、退火+淬火：低温退火(480℃+6h)，快速进入水池冷却。

7、校直。

8、定尺+检验+包装。

根据上述方法生产出的无铅黄铜C46400棒材，机加工性能极佳，无卷曲沫子，钻削均为碎料，表面粗糙度在0.20μmax以下，切削性达到HPb63-3的70％以上，抗脱锌值50μm。制备的无铅黄铜C46400棒材的金相如图3所示，主要相为а+β相，以及单质的Bi相，β相为分散存在，网状结构被打散，均为小块分布，将а相分割为许多团块，阻断腐蚀通道，强化材料的耐腐蚀性能，同时提高材料的断屑效果，直接效果体现为图4切削成碎沫子料，同时该组织晶粒细小在25μm，进一步稳定了切削性能。

实施例3

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，本实施例的黄铜为规格为φ15mm的圆棒，黄铜成分为：

	Cu	Sn	Bi	Pb	As	B	Fe	Zn
									C46400	62	0.5	0.10	0.01	0.01	0.01	0.05	余量

以及其他需要控制的杂质元素小于0.5％，锌余量：

具体生产过程如下：

1、熔炼

3、卧式挤压：采用1800型卧式挤压机，挤压温度680℃～720℃，铸锭长度720mm。

5、拉伸：φ16→φ15mm。

6、退火+淬火：低温退火(480℃+6h)，快速进入水池冷却。

7、校直。

8、定尺+检验+包装。

实施例4

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，本实施例的黄铜为规格为φ30mm的圆棒，黄铜成分为：

	Cu	Sn	Bi	Pb	As	B	Fe	Zn
									C46400	65	1.5	0.3	0.15	0.1	0.05	0.15	余量

以及其他需要控制的杂质元素小于0.5％，锌余量：

具体生产过程如下：

1、熔炼

②原料熔化完全后，温度提高到1080℃-1100℃，加入清渣剂2kg，搅拌捞渣，捞渣完成后，将温度调节到1010℃～1040℃，将精炼剂2kg压入，加入磷铜，搅拌均匀，然后将Sn、Pb，Bi、As、B-Cu加入，静止保温；

5、拉伸：φ31→φ30mm。

6、退火+淬火：低温退火(480℃+6h)，快速进入水池冷却。

7、校直。

8、定尺+检验+包装。

根据上述方法生产出的无铅黄铜C46400棒材机加工性能极佳，无卷曲沫子，钻削均为碎料，表面粗糙度在0.23μmax以下，切削性达到HPb63-3的63％以上，抗脱锌值75μm。制备的无铅黄铜C46400棒材的金相如图1所示，主要相为а+β相，以及单质的Bi相，β相为分散存在，网状结构被打散，均为小块分布，将а相分割为许多团块，阻断腐蚀通道，强化材料的耐腐蚀性能，同时提高材料的断屑效果，直接效果体现为图2切削成碎沫子料，同时该组织晶粒细小在35μm，进一步稳定了切削性能。

对比例1

一种无铅易切削耐蚀黄铜及其制备方法，本对比例的黄铜为规格为φ20mm的圆棒，黄铜成分为：

Cu

Sn

Bi

Pb

As

B

Fe

Zn

C46400

62

0.8

/

0.09

/

余量

具体生产过程如下：

1、熔炼

②原料熔化完全后，温度提高到1080℃～1100℃，加入清渣剂2kg，搅拌捞渣，捞渣完成后，将温度调节到1010℃～1040℃，将精炼剂2kg压入，加入磷铜，搅拌均匀，然后将Sn、Pb加入，静止保温；

5、拉伸：φ21→φ20mm。

6、退火：低温退火(300℃+3h)。

7、校直。

8、定尺+检验+包装。

根据上述方法生产出的无铅黄铜C46400棒材，机加工性能极佳，无卷曲沫子，钻削均为碎料，表面粗糙度在0.80μmax以下，切削性达到HPb63-3的20％以上，抗脱锌值250μm。制备的无铅黄铜C46400棒材的金相如图5所示，主要相为а+β相，β相为相互存在，并且连接一起，а相也是存在大块分布，同时存在局部组织异常，直接效果体现为图6切削成卷曲料，同时该组织晶粒细度在100μm，切削性恶化，实际生产中严重影响效率，产品不良度持续身高。

实施例1、2、3、4与对比例1制备的无铅黄铜C46400棒材测试后的性能如下所示：

表3性能表

备注：粗糙度采用TIME3200型金属表面粗糙度仪检测；

切削性采用HPb63-3的黄铜为比较基准％；

耐腐蚀性采用抗脱锌值表征；

结论：采用本发明制备的无铅黄铜组织中β相的比例超过65％，晶粒度更加细小，表面粗糙度更小，具有较好的切削性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于该黄铜的化学成分如下：

Cu 62～65；

Sn 0.5～1.5；

Bi 0.10～0.3；

Pb 0.01～0.15；

As 0.01～0.1；

B 0.01～0.05；

Fe 0.05～0.15；

杂质<0.5；

余量Zn；

上述百分比为质量百分比。

2.根据权利要求1所述的一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于所述黄铜的化学成分如下：

Cu 62～63；

Sn 0.7～1.0；

Bi 0.15～0.2；

Pb 0.05～0.09；

As 0.04～0.06；

B 0.01～0.03；

Fe 0.09～0.11；

杂质0.2～0.4；

余量Zn；

上述百分比为质量百分比。

3.根据权利要求1所述的一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于所述黄铜的金相主要相为α+β相，以及单质的Pb相、Bi相，β相为分散存在，网状结构被打散，为小块分布，将α相分割为团块。

4.根据权利要求3所述的一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于所述β相比例60～70％。

5.根据权利要求1所述的一种无铅易切削耐蚀黄铜，其特征在于所述黄铜的表面粗糙度为0.2～0.3μm，切削性达到HPb63-3的60～75％。

6.一种根据权利要求1～5任意所述的无铅易切削耐蚀黄铜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)熔炼：将原料放入熔炼炉中加热熔化，测试铜水成分；

4)酸洗、拉伸；

6)校直；

7)最后定尺、成品检测，包装。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)熔炼的具体过程为：

a、在工频熔炼炉，熔炼过程中先将回料沫子500±50kg加入炉内熔化区域，电压打到高压400±40V，熔化后，再将加工回料1500±150kg加入炉内，等所有的物料熔化后，温度保持在1020℃～1040℃；

b、原料熔化完全后，温度提高到1080℃～1100℃，加入清渣剂2±0.2kg，搅拌捞渣，捞渣完成后，将温度调节到1010℃～1040℃，将精炼剂2±0.2kg压入，加入磷铜，搅拌均匀，然后将Sn、Pb、Bi、As、B-Cu加入，静止保温；

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)引拉规格为φ175±5mm。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)采用1800型卧式挤压机，铸锭长度720±10mm。

10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)的挤压出来后，快速冷却，出口采用水雾风机，确保出来的铜棒低于450℃。

11.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的酸洗是采用质量浓度为3～5％的稀硫酸进行酸洗去除氧化层。

12.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)的低温退火的退火温度480±10℃，退火时间6h±0.5h。