CN117926070A - 一种无铅黄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黄铜合金及其制备方法，其特征在于：该无铅黄铜合金的化学成分质量百分比为：Cu：53～60％；Bi：0.1～0.8％；Ni：0.05～1.8％；B：0.001～0.08％；In：0.03～0.15％，余量为Zn和不可避免杂质。它经过熔炼、铸造、挤压、退火、联合拉拨、检验入库等工艺步骤而获得。与现有技术相比，本发明的无铅黄铜合金兼具优异切削性能、耐应力松弛性能、弹性性能和冷热加工性能，尤其适合高精密光学仪器上应用。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金技术领域，具体涉及一种无铅黄铜合金及其制备方法。
背景技术
近年来，光学仪器作为资源勘探、空间探索、科学实验、以及社会生活各领域不可缺少的工具，其市场规模呈不断扩大趋势，同时对于其性能要求也逐步提升。特别是其配套使用的镜头零件，基本呈小、薄、轻趋势发展，因此对于镜头与铜制模组垫片之间的精密度提出更高要求。不但要求铜制模组垫片尺寸公差精度控制在微米级0.001mm以内，而且垫片表面需实现良好光滑平整度，才能保证与镜片组装时完美契合。考虑铜制模组垫片与镜头的组装紧密性以长期使用不出现松弛导致镜片脱落，因此，要求垫片材料需具备良好耐应力松弛性和弹性性能。
目前铋黄铜作为商业化普及率较高的无铅环保黄铜产品，逐步替代部分铅黄铜应用于电子、电气、五金等众多行业，也可以被应用在铜制模组垫片中。铋黄铜主要通过形成铋颗粒或薄膜质点，在材料加工过程达到润滑、断屑的作用，实现良好的切削加工性能。然而铋黄铜虽然综合性能接近铅黄铜，但自脆倾向性极高，同时在冷热加工过程极易开裂。虽然可通过降低铋元素添加量来改善上述问题，但是铋含量减少意味材料切削性能大幅度降低，因此，在现有技术中，铋黄铜的冷热加工性能和切削性能不能两全。
例如，公开号为CN115198137A的中国发明申请的手机镜头用高性能铋黄铜合金材料，其工艺中挤压温度高，同时中间退火工艺会加剧Bi元素聚集以薄膜状态分布，一方面材料切削性能难以满足微米级精密加工切削性能要求；另一方面，中间高温退火处理会造成材料弹性性能和耐应力松弛性能难以符合要求。而公开号为CN113337754A的中国发明申请的手机镜头用无铅易切削铋黄铜合金材料，其中间工艺同样经过高温软化退火，且软化温度远高于铋熔点271℃，虽然有利于改善材料加工塑性，但不利于切削性能，同时经过再结晶软化退火后材料屈服强度偏低，材料弹性性能同样无法满足垫片的要求。
综上，需要对铋黄铜材料进行改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述技术现状提供一种兼具优异切削性能、耐应力松弛性能和弹性性能的无铅黄铜合金。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述技术现状提供一种相关的无铅黄铜合金的制备方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种无铅黄铜合金，其特征在于：该无铅黄铜合金的化学成分质量百分比为：Cu：53～60％；Bi：0.1～0.8％；Ni：0.05～1.8％；B：0.001～0.08％；In：0.03～0.15％，余量为Zn和不可避免杂质。
优选地，该无铅黄铜合金的化学成分质量百分比为：Cu：55～58％；Bi：0.2～0.6％；Ni：0.1～1.5％；B：0.001～0.05％；In：0.05～0.1％，余量为Zn和不可避免杂质。
Cu含量下限控制53％，若低于下限值，则会造成余量Zn含量偏高，形成过多的CuZn电子化合物，β相和γ相易造成材料脆性增加，难以满则拉伸等冷变形加工要求。Cu含量上限控制60％，若高于上限值，则形成α相数量增加，α相质软塑性高，虽利于冷变形塑性加工，但切削加工过程易黏刀，不利于切削性能，无法满足高速精密车床加工，因此综合考虑材料加工塑性和切削性能平衡，控制Cu含量在53～60％范围，为了获得更好的加工塑性和切削性能平衡，优选Cu含量在55～58％范围。
Bi作为易切削元素，在基体中溶解度极低，一般分布于晶界中。虽然Bi含量的增加对于切削性能有利，但伴随Bi含量增加，材料热脆性和自裂倾向大幅度增加，同时也不利于弹性性能和耐应力松弛性能，为获得良好的冷热加工塑性和弹性、耐松弛性能，控制Bi含量上限为0.8％，优选地，控制Bi含量上限为0.6％。
Ni元素在基体Cu中固溶度极高，能够形成连续固溶体，提高材料力学性能和延展塑性，改善冷变形加工性能。Ni元素一方面实现固溶强化作用，另一方面与B元素反应形成NiB化合物，在一定热处理条件下，NiB化合物从材料基体中析出，起到析出强化的作用，有利于提高材料屈服强度和弹性性能，保证成品零件组装时获得良好紧密性。B元素同时能够促进基体中形成更多形核位点，有利于容纳更多易切削相，间接提升材料切削性能。但是，Ni含量过高会增加材料热变形抗力，挤压所需温度就会提高，挤压温度提高材料中易切削相就会发生聚集，切削性能就会降低；此外，Ni还固溶于Cu，Ni过高会导致材料强度进一步增加，材料强度过高在机械加工过程对刀具损耗极大，也不利于切削性，能因此控制Ni含量上限为1.8％，优选地，控制Ni含量上限为1.5％。
In元素能够与Bi元素形成Bi-In易切削相。较比于当前普遍使用的铋黄铜产品，其组分中Bi单质易以Cu-Bi共晶体呈薄膜状分布于铜基体中，材料冷、热加工性能较差，同时Bi元素呈大量薄膜片状分布对材料切削性能提升无明显作用。然而加入In元素后，形成的Bi-In易切削相呈细小球状质点分布，避免形成薄膜片状恶化材料切削性能和冷热加工性能，同时Bi-In相具有优异的润滑性，机械加工过程对刀具损耗低，促进切削性能改善。In含量过高一方面会显著增加原料成本，另一方面材料塑性会大幅度降低，无法进行有效挤压、拉拔加工，因此控制In含量上限为0.15％，优选地，控制In含量上限为0.1％。
为了便于加工，优选地，所述无铅黄铜合金的α相比例≥80％。
优选地，所述Ni以Cu-Ni中间合金形式添加。较比于添加单质纯镍，能够有效降低熔化温度，从而提高熔化效率并且减小高温条件对Zn烧损挥发影响。
优选地，所述无铅黄铜合金的抗拉强度为550～650MPa；屈服强度为350～500MPa；弹性模量为10～130Gpa；切削指数不小于90％。α相平均晶粒尺寸：2～20μm；Bi-In相平均尺寸为0.1～5μm；NiB化合物平均尺寸：0.01～1μm；Bi-In相粒子分布：10000～30000个/mm2。
优选地，所述无铅黄铜合金在120℃条件下保温24h后的耐松弛率≤30％。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、熔炼：将原料放入熔炼炉中加热熔化，熔炼温度为950～1200℃；
S2、铸造：采用水平连铸或半连续铸造生产铸坯；采用电磁搅拌工艺，频率：20～50HZ，电流：80～120A；铸造温度控制在1000～1100℃，生产得到规格铸坯，锯切长度400～1000mm；
S3、挤压：挤压前对铸锭加热，加热温度为600～700℃，保温时间1～4h，加热后将铸锭放置于挤压筒内进行挤压，挤压比为100～350，挤压速度为3～15mm/s，得到挤压坯，完成挤压后冷却坯料，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h；
S4、退火：将挤压坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理，退火温度为300～400℃，保温时间为1～4h，得到毛坯；
S5、联合拉拔：将毛坯置于酸洗池酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率为10～20％，拉拔速度为20～80m/min；
S6、检验入库：完成联合拉拔后，进行直线度检验，控制无铅黄铜合金的直线度＜0.2mm/m。
步骤S3的加热温度过低，则材料挤压变形塑性无法满足要求，同时晶粒破碎细化不彻底，易残留一定量铸态组织，不利于进行后道加工和获得良好性能；加热温度过高，则晶粒易出现长大，晶界数量大幅度减少导致分布其中的易切削相数量减小，材料切削性能降低，同时高温加热条件下材料软化严重，不利于获得良好的弹性性能和耐松弛性能，因此控制加热温度为600～700℃。
挤压比过小，材料热挤压变形不充分，易出现局部残留铸态大尺寸晶粒，无法获得良好的组织性能均匀性和弹性性能。若挤压比过大，则所需挤压力越大，材料变形难度增大，同时增加拉副应力的产生，易出现横向周期裂纹。因此在S3的挤压比为100～350时，挤压坯表面品质良好且得到细小均匀的等轴组织。
高温挤压条件下，材料组织内部保留一定量β相，控制步骤S3挤压坯冷却速度＜200℃/h，在持续高温β→α相变温度条件下，使β相数量尽可能转化为α相，从而改善材料加工塑性和提高组织均匀性。若挤压坯冷却速度偏大，易形成大面积连续块状β相，一方面增加材料脆性，另一方面对于材料切削性能和弹性性能改善尤为不利。
生产上通过加工硬化进一步提高成品强度，若加工率进一步增大，材料力学性能包括弹性性能、耐松弛性能提升接近极值，基本不会显著提升。同时对于产品直线度控制难度增加。因此，控制拉拔速度为20～80m/min，可以在保证加工效率前提下，控制成品表面质量和直线度良好。
为降低Zn元素损耗，优选地，所述S1的熔炼温度为980～1120℃。
优选地，所述S2的得到的铸锭组织特征为：长条纤维状及柱状晶面积比例＜20％，Bi-In相尺寸控制于＜10μm，Bi-In相粒子分布为6000～20000个/mm2。减小长条纤维状及柱状晶形成，有利于改善后道挤压组织均匀性；同时控制铸锭中Bi-In相尺寸细小，有利于改善材料切削性能。
优选地，所述S4退火后毛坯轴向和周向残余应力值均≤100MPa。对挤压坯进行退火处理，一方面促进NiB化合物进一步析出并均匀分布于基体，提高材料耐松弛和弹性性能。另一方面能够降低并消除挤压坯残留应力，使得制得的毛坯的轴向和周向残余应力值均≤100MPa，从而提高坯料各部位性能均匀性，使得成品拉拔后实现直线度良好，达到0.2mm/m以内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过添加少量的Bi元素，Bi元素与In元素形成Bi-In易切削相；保证材料在低Bi添加条件下，使材料具备优异的切削性能，满足微米级器件高精度切削加工要求，且不会显著恶化材料冷、热加工性能和力学性能，保证材料获得良好弹性、耐松弛性能；添加Ni，提高材料力学性能和延展塑性，改善冷变形加工性能；添加B元素，形成NiB化合物，进一步提高材料屈服强度和弹性性能；使得无铅黄铜合金兼具优异切削性能、耐应力松弛性能、弹性性能和冷热加工性能；尤其适合高精密光学仪器上应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织照片；
图2为本发明实施例1的成品Bi-In相分布图；
图3为本发明对比例2的金相组织照片；
图4为本发明对比例2的成品B颗粒分布图。
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。
实施例1
如图1和2所示，为本发明的一种优选实施例。
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度1050℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯。采用电磁搅拌工艺，频率20HZ，电流100A。铸造温度1020℃，生产得到规格铸坯，锯切长度500mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度680℃，保温时间3h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比210，挤压速度13mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度360℃，保温时间：4h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：19％，拉拔速度：60m/min。得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
实施例2
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度1100℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯，并采用电磁搅拌工艺，频率25HZ，电流100A。铸造温度1030℃，生产得到规格铸坯，锯切长度500mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度670℃，保温时间3h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比210，挤压速度10mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度350℃，保温时间：3h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：19％，拉拔速度：70m/min。得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
实施例3
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度1120℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯。采用电磁搅拌工艺，频率30HZ，电流120A。铸造温度1080℃，生产得到规格铸坯，锯切长度600mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度660℃，保温时间3h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比210，挤压速度12mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度330℃，保温时间：3h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：19％，拉拔速度：70m/min。得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
实施例4
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度1000℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯。采用电磁搅拌工艺，频率30HZ，电流80A。铸造温度1000℃，生产得到规格铸坯，锯切长度700mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度680℃，保温时间2h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比158，挤压速度7mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度380℃，保温时间：3h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：18.4％，拉拔速度：30m/min。得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
实施例5
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度980℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯。采用电磁搅拌工艺，频率50HZ，电流100A。铸造温度1000℃，生产得到规格铸坯，锯切长度500mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度620℃，保温时间4h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比158，挤压速度11mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度390℃，保温时间：3h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：18.4％，拉拔速度：50m/min。得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
实施例6
一种无铅黄铜合金，其制备方法如下：
S1、熔炼：按表1所需成分进行配比，熔炼温度1000℃。
S2、铸造：采用水平连铸方式生产铸坯。采用电磁搅拌工艺，频率45HZ，电流110A。铸造温度1050℃，生产得到规格铸坯，锯切长度700mm。
S3、挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热温度640℃，保温时间4h。铸锭完成加热后放置于挤压筒内进行挤压，挤压比158，挤压速度5mm/s。完成挤压后将坯料置于保温罩中，使其缓慢冷却，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h。得到挤压规格毛坯。
S4、退火：将毛坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理。退火温度400℃，保温时间：2h。
S5、联合拉拔：将退火后的毛坯置于酸洗池充分酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率：18.4％，拉拔速度：40m/min，得到成品棒材。
S6、检验入库：完成成品拉拔加工后，进行性能测试分析，并进行直线度检验，成品棒材直线度＜0.2mm/m。
对比例1：从市场上购买的HBi59-1合金。
对比例2：从市场上购买的HBi58-1.5合金。本对比例的金相组织照片和成品B颗粒分布图如图3和4所示。
上述所有实施例和对比例中无铅黄铜合金的化学成分如表1所示。
对得到的实施例和对比例进行力学性能和/或微观组织检测，最终得到的性能测试结果如表2-5所示；
具体检测指标和检测标准如下：
1)抗拉强度、屈服强度、弹性模量测试：根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验》中第1部分：室温拉伸试验方法进行制样和测试。
2)金相显微测试：根据YS/T 449-2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》进行制样和测试。
3)切削指数：根据YS-T 647-2007《铜锌铋碲合金棒》附录B中切削性能检测方法进行评定，设C36000(HPb63-3)的切削指数为100％。
4)耐应力松弛测试：根据GB/T 39152-2022《铜及铜合金弯曲应力松弛试验方法》进行制样和测试。
表1实施例和对比例无铅黄铜合金的化学成分/wt％
表2实施例铸造工序半成品显微组织特征
表3实施例成品显微组织性能
表4对比例成品显微组织性能
表5实施例与对比例成品力学性能和切削性能
由表1-4所示，本发明黄铜合金成品性能如下：抗拉强度：550～650MPa；屈服强度：350～500MPa；弹性模量：110～130Gpa；α相平均晶粒尺寸：2～20μm；α相比例≥80％；Bi-In相平均尺寸为0.1～5μm；NiB化合物平均尺寸：0.01～1μm；Bi-In相粒子分布：10000～30000个/mm2；120℃条件下保温24h后耐松弛率≤30％。实施例组织均匀性优于对比例，且易切削相分布数量高于对比例。
由表3可知，实施例中均含NiB化合物且控制形貌尺寸良好，α相比例≥80％，并且控制α相尺寸细小，从而有利于提升材料强度和耐松弛性能。同时实施例通过控制Bi-In相尺寸，实现单位面积Bi-In相更多弥散分布，从而有利于提升材料切削性能。
由表4可知，实施例材料屈服强度、弹性模量均高于对比例，耐松弛率均低于对比例，说明实施例产品加工使用耐变形、耐松弛能力更加优异。同时实施例的无铅黄铜合金切削性能优于对比例。此外，实施例的抗拉强度为550～650MPa，均高于对比例，可见实施例的无铅黄铜合金加工塑性较好。尤其适合高精密光学仪器上应用。
Claims (10)
1.一种无铅黄铜合金，其特征在于：该无铅黄铜合金的化学成分质量百分比为：Cu：53～60％；Bi：0.1～0.8％；Ni：0.05～1.8％；B：0.001～0.08％；In：0.03～0.15％，余量为Zn和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的无铅黄铜合金，其特征在于：该无铅黄铜合金的化学成分质量百分比为：Cu：55～58％；Bi：0.2～0.6％；Ni：0.1～1.5％；B：0.001～0.05％；In：0.05～0.1％，余量为Zn和不可避免杂质。
3.根据权利要求1所述的无铅黄铜合金，其特征在于：所述无铅黄铜合金的α相比例≥80％。
4.根据权利要求1所述的无铅黄铜合金，其特征在于：所述Ni以Cu-Ni中间合金形式添加。
5.根据权利要求1所述的无铅黄铜合金，其特征在于：所述无铅黄铜合金的抗拉强度为550～650MPa；屈服强度为350～500MPa；弹性模量为10～130Gpa；切削指数不小于90％；α相平均晶粒尺寸：2～20μm；Bi-In相平均尺寸为0.1～5μm；NiB化合物平均尺寸：0.01～1μm；Bi-In相粒子分布：10000～30000个/mm2。
6.根据权利要求1所述的无铅黄铜合金，其特征在于：所述无铅黄铜合金在120℃条件下保温24h后的耐松弛率≤30％。
7.一种权利要求1-6任一所述的无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、熔炼：将原料放入熔炼炉中加热熔化，熔炼温度为950～1200℃；
S2、铸造：采用水平连铸或半连续铸造生产铸坯；采用电磁搅拌工艺，频率：20～50HZ，电流：80～120A；铸造温度控制在1000～1100℃，生产得到φ100～300mm规格铸坯，锯切长度400～1000mm；
S3、挤压：挤压前对铸锭加热，加热温度为600～700℃，保温时间1～4h，加热后将铸锭放置于挤压筒内进行挤压，挤压比为100～350，挤压速度为3～15mm/s；得到挤压坯，完成挤压后冷却坯料，控制挤压坯冷却速度＜200℃/h；
S4、退火：将挤压坯置于钟罩炉或井式炉中进行退火热处理，退火温度为300～400℃，保温时间为1～4h，得到毛坯；
S5、联合拉拔：将毛坯置于酸洗池酸洗后，在联合拉拔设备进行成品拉伸、矫直、定尺加工，拉拔加工率为10～20％，拉拔速度为20～80m/min；
S6、检验入库：完成联合拉拔后，进行直线度检验，控制无铅黄铜合金的直线度＜0.2mm/m。
8.根据权利要求7所述的无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于：所述S1的熔炼温度为980～1120℃。
9.根据权利要求7所述的无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于：所述S2的得到的铸锭组织特征为：长条纤维状及柱状晶面积比例＜20％，Bi-In相尺寸控制于＜10μm，Bi-In相粒子分布为6000～20000个/mm2。
10.根据权利要求7所述的无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于：所述S4退火后毛坯轴向和周向残余应力值均≤100MPa。
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