CN118186250A - 一种高强耐磨黄铜合金棒材及其制备方法和应用 - Google Patents

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CN118186250A CN202410284693.5A CN202410284693A CN118186250A CN 118186250 A CN118186250 A CN 118186250A CN 202410284693 A CN202410284693 A CN 202410284693A CN 118186250 A CN118186250 A CN 118186250A
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Abstract

本发明公开了一种高强耐磨黄铜合金棒材及其制备方法和应用，其中所述高强耐磨黄铜合金棒材包括以下质量百分含量的组分，Cu：59.0～62.0wt％，Si：0.5～1.6wt％，Co：0.5～1.0wt％，Ni：2.5～4.0wt％，Fe：0.5～1.3wt％，Al：3.5～4.5wt％，Sn：0.1～0.3wt％，Mn：0.1‑0.2wt％，As：0.04‑0.08wt％，Zn余量。本发明通过在黄铜中加入Ni、Si、Fe、Al、Mn、As等元素，形成了α相+β相+耐磨相的相组成，并通过调控各元素的添加比例，控制黄铜合金中各个相的比例，最终得到了具有高强、耐磨、耐腐蚀性性能优异的黄铜合金棒材，且该黄铜合金棒材的组织均匀性和材料机加工性能良好，在汽车同步器齿环、耐磨轴承等领域中具有广阔的应用前景。

Description

一种高强耐磨黄铜合金棒材及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于冶金材料领域，具体涉及一种高强耐磨黄铜合金棒材及其制备方法和应用。
背景技术
多元复杂高强耐磨黄铜广泛应用于汽车同步器齿环、耐磨轴承等领域。由于该类合金熔炼工艺难度高、产品性能要求严格，因此一直是代表黄铜生产技术水平最高的产品之一。
目前耐磨铜合金主要分为耐磨青铜和耐磨黄铜，其中耐磨黄铜主要是在合金中加入Al、Ni、Si、Co、Fe等元素的多元复杂黄铜，其可以在保持黄铜本身的强度性能和耐腐蚀性能基本不变的条件下，通过新增形成耐磨性相和强化相(其形成主要是通过合金元素的固溶强化，沉淀析出，在基体面弥散分布)，进而提高材料的强硬度以及耐磨性能，同时这类合金具备很好的锻压加工各种精密部件的优势，广泛用于轴承、精密齿轮，齿轮(蜗轮)、轴瓦、轴套等耐磨损件。
随着近年来我国加工制造业的蓬勃发展，耐磨黄铜的市场需求量不断扩大。然而，针对高强耐磨黄铜合金，国内外开发该类合金均较晚，再加上复杂黄铜多元化的因素，使得对复杂黄铜的性能优化工作需要持续开展。
公开号为CN111455213A的专利文献公开了一种高强度耐磨特种黄铜合金，按重量百分比计，由以下组分构成：Mn:0.8-3.0％、Si:0.32-0.96％、Cu:57-62％、Sn:≤0.60％、Fe:≤0.70％、Ni:≤0.30％、Al:0.56-2.64％、Pb:0.24-1.2％、Zn:余量。该申请制得的高强度耐磨特种黄铜合金的布氏硬度为165-220HB2.5/62.5，维氏硬度为165-245HV30；抗拉强度>590N/mm2；屈服强度>370N/mm2。
公告号为CN115198139B的专利文献公开了一种耐磨黄铜合金棒材，该黄铜合金的质量百分比组成为Cu：65～69wt％，Si：1.7～2.7wt％，Mn：6.2～8.2wt％，Pb：0.4～0.7wt％，Fe：1.0～1.4wt％，Al：4.5～5.0wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。该发明通过在黄铜中添加Si、Mn、Pb、Fe、Al并控制各元素的添加量，最终得到的耐磨黄铜合金棒材的硬度最高为245HV5，抗拉强度最高为675MPa，摩擦系数最低为0.12，磨损量最低为270×10-3mm3。
虽然现有技术对如何提高黄铜合金的强硬度和耐磨性能进行了研究，但现有技术中的方法对黄铜合金的强硬度和耐磨性能提升有限，其制备出的黄铜合金用于汽车同步器齿环、耐磨轴承等时，在耐磨性，强硬度以及机加工性方面依然存在不足。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高强耐磨黄铜合金棒材，该黄铜合金棒材具有高的强硬度，优异的耐磨性能和耐腐蚀性能，且机械加工性能良好。
一种高强耐磨黄铜合金棒材，包括以下质量百分含量的组分，Cu：59.0～62.0wt％，Si：0.5～1.6wt％，Co：0.5～1.0wt％，Ni：2.5～4.0wt％，Fe：0.5～1.3wt％，Al：3.5～4.5wt％，Sn：0.1～0.3wt％，Mn：0.1-0.2wt％，As：0.04-0.08wt％，Zn余量。
金属Co主要用于提高材料的耐蚀性和强度，钴可以使合金晶界上的活性晶点沉淀，形成坚硬的、抗磨耗的颗粒，有效抵御磨损的侵蚀，从而提高合金的耐磨性。
金属镍属于无限固溶型的金属，可以扩大α相比例和降低β相比例，形成高强度合金，进而可以让合金具备较好的耐腐蚀开裂能力，金属镍和Si可以形成耐磨相Ni2Si粒子，进一步改善材料的摩擦性能。
金属铁可以形成富铁相颗粒，即可以细化材料的晶粒度，又可以配合Si形成硬度值在950HV以上的硅铁离子，提高合金材料的耐磨性能。为了避免偏析，金属铁的含量一般限制在1.3wt％以内。
金属铝可提高材料的强度和耐腐蚀能力，由于其可以显著缩小α相比例，提高材料的强度和硬度，同时在黄铜中，铝的表面离子化倾向最大，优先在材料的表面形成致密坚硬的保护膜，Ni和Al可以形成金属间化合物Ni3Al和NiAl，Si和Al可以形成金属间化合物AlSi2，Fe和Al可以形成Fe-Al金属间化合物，主要包括Fe3Al和FeAl。Ni3Al、NiAl、Fe3Al和FeAl粒子可以均匀，弥散分布在晶内和晶界，在金属变形时起到位错钉扎的作用，提高材料的强硬度和耐磨性能。此外，FeAl和Fe3Al粒子具有超高的熔点，使得其在熔体中充当非均匀形核的质点，除了起到提高材料强硬度和耐磨性的作用之外，还可联合相关基体进一步提升材料整体的综合力学性能。AlSi2粒子的形成可进一步提高合金材料的抗腐蚀性能。因此，可通过控制Al元素与Ni、Si、Fe之间的比例来控制上述各金属间化合物的形成，进而调控合金材料的性能。
微量的Mn可以完全固溶到基体内，并不会影响材料的组织形貌，但是会大大改善材料的耐腐蚀和耐磨性能，主要体现高温，海水，氯化物等环境均具有抗腐蚀的能力。
金属锡可以固溶在α相和(α+β)相中，用于提高材料的强度以及耐腐蚀性能，对海水，淡水均具有相当强的抗蚀性。同时，通过配入金属As，由于As的电化学辅助作用，As与Cu2+作用，产生As3+和Cu-，抑制Cu2+形成，使得电位处于Cu/Cu2+和Cu/Cu-电位中间，从而使得材料的耐蚀性能进一步提高。
优选地，所述的高强耐磨黄铜合金棒材的相组织包括β相、α相和耐磨相，所述的α相在所有相中的面积占比为20-30％，耐磨相在所有相中的面积占比为5-20％，其中所述的耐磨相为过渡相，由β相，α相和多种金属间化合物粒子形成的第二相组成。
β相和α相属于基体相，其中β相为以电子化合物CuZn为基体的固溶体，属于硬脆相，可以提高材料的切削性，强硬度。α相为锌在铜中的固溶体，α相的存在可以用于提高材料的耐磨性和耐蚀性，同时增加材料的强硬度，α相的面积占比高于30％，不利于材料硬度的提升，耐磨性得不到保证；低于20％，则会使得材料发脆，失去功能材料的作用。
耐磨相分布在α相、β相晶内和晶界，主要由β相，α相以及诸多金属间化合物粒子Ni3Al、NiAl、AlSi2、Mn2Si、Fe3Al和FeAl等(第二相)组成。第二相以微米级粒子的形式析出，弥散分布在晶体内部或者晶界，充当位错钉扎的角色，在金属发生变形的时候可以阻碍滑移的进行，使得材料的塑性下降，而材料的强度得到明显提升。由于第二相粒子的硬度达到80HRC以上，进而使得材料的耐磨性能也得到了显著的提升。其中耐磨相中第二相粒子起到主要作用，其在所有相中的面积占比为0.01-0.06％。
优选地，所述的高强耐磨黄铜合金棒材中，Ni与Si的质量比为2～5:1，Ni与Al的质量比为1:1～1.5，Si与Al的质量比为1:2.5～5，Fe与Al的质量比为1:3～6。此元素比例范围内可使得第二相粒子充分形成，进而使得合金棒材的强硬度和耐磨性能更优。此时，合金棒材中，Ni2Si粒子在所有相中的面积占比为0.001-0.02％，Ni3Al和NiAl粒子在所有相中的面积占比为0.001-0.02％，AlSi2粒子在所有相中的面积占比为0.001-0.01％，Fe3Al和FeAl粒子在所有的相中的面积占比为0.005-0.01％。
优选地，所述的高强耐磨黄铜合金棒材的相组织中，α相与β相的比例为1:3～4。此比例范围内可以获得较好的耐腐蚀性能。腐蚀会改变金属表面的物理和化学性质,导致材料失去原有的抗磨蚀特性，通过侧面改善材料的耐腐蚀性能可以提高材料的耐磨性能。。
更优选地，所述的高强耐磨黄铜合金棒材包括以下质量百分含量的组分，Cu 60.0～61wt％，Si：1.0～1.6wt％，Co：0.6～1.0wt％，Ni：3.2～4.0wt％，Fe：0.8～1.3wt％，Al：4.0～4.5wt％，Sn：0.1～0.3wt％，Mn：0.1-0.2wt％，As：0.04-0.08wt％，Zn余量。
优选地，所述高强耐磨黄铜合金棒材的硬度在280HV5以上，抗拉强度在760MPa以上，延伸率在10％以上，车削性能在HPb63-3的60％以上，晶粒度在35um以下，表面粗糙度在0.8以下，直度在0.5mm/m以下，摩擦系数在0.12以下，磨损量在270×10-3mm3以下。
本发明还提供了所述的高强耐磨黄铜合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
A、配料熔炼
B、水平连铸：将细化剂粉体加入符合成分要求的融铜合金熔体中，搅拌保温8～12min，待保温炉温度达到要求后开始牵引，牵引温度为1050-1080℃，电磁搅频率为10～60HZ，冷却水进水出水温差30～40℃，二次冷却水与结晶器距离1500-2000mm，冷却水压为0.2～0.4MPa，牵引距离为4-10mm，牵引速度为4-20mm/s，牵引时间为1000-1200ms，反推时间为1200-1500；
C、过道校直
D、剥皮延伸
E、成品退火
优选地，步骤A中，将符合目标成分配比的原料加入熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为1030-1080℃，熔炼结束后转至保温炉中进行保温处理，转炉温度为1050～1080℃。
优选地，步骤B中，所述的细化剂以质量分数计，包括氟硼酸钾KBF4：50～70wt％，氟钛酸钾K2TiF6：10～20wt％，铁粉Fe：1～5wt％，硼粉B：5～10wt％，硼矸B2O3：5～20wt％。所述细化剂属于硼系细化剂，可与合金原料中的Al，Si，Fe相作用，充当a相和β相的形核核心，使得后续结晶更加均匀，数量更多。更多的晶粒可以获得更多的界面，使得第二相粒子的分布更加均匀，进而使得合金材料的强度、耐磨性和耐腐蚀性能得到均衡提升。
优选地，所述的细化剂粉体的加入量为融铜合金熔体质量的0.03-0.05％。
优选地，所述的细化剂粉体的加入方式采用底吹形式，采用高压氮气将细化剂粉体吹入符合成分要求的融铜合金熔体中，以分散细化剂粉体，使得细化剂粉体与融铜合金熔体混合更加均匀，起到充分细化反应的目的。
优选地，步骤B中，本发明通过控制电磁搅拌频率确保固液两相区充分搅动，使得枝晶碎裂得到更多的枝晶粒(固液两相区开始结晶出现枝晶)，进而获得结晶核心以及更细腻的组织，使得材料的强度、耐腐蚀和耐磨性能得到提升。同时通过设置冷却条件，将二次冷却水与结晶器距离设置为1500-2000mm，以获得轴向晶，细化晶粒。
优选地，步骤C中，过道校直直度在0.3-0.5mm/m。
优选地，步骤D中，剥皮延伸分4道次，每道次150丝以上，留底扒皮量在20丝左右。
优选地，步骤E中，所述的成品退火温度为280-350℃，退火时间为2-4h。采用本发明方法生产的棒材规格在
本发明还提供了所述的高强耐磨黄铜合金棒材在汽车同步器齿环、精密齿轮或耐磨轴承等领域中的应用。本发明的高强耐磨黄铜合金棒材的耐磨性能优异、强度高、组织均匀性好，材料机械加工性能好，在汽车的同步器齿环、耐磨轴承等领域中应用前景广阔。
相比于现有技术，本发明至少具备以下有益效果：
本发明通过在黄铜中加入Ni、Si、Fe、Al、Mn、As等元素，形成了α相+β相+耐磨相的相组成，并通过调控各元素的添加比例，控制黄铜合金中各个相的比例，最终得到了高强、耐磨、耐腐蚀性优异的黄铜合金。本发明的高强耐磨黄铜合金棒材组织均匀性好，材料机加工性能好，钻孔排屑顺畅，棒材表面无凹坑和麻点，其硬度在280HV5以上，抗拉强度在760MPa以上，材料的晶粒度在35um以下，摩擦系数在0.12以下，磨损量在270×10-3mm3以下，在汽车同步器齿环、耐磨轴承等领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例中采用的粉体扩散机的结构示意图。
图2为实施例1中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织。
图3为实施例1中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的切削样品。
图4为实施例2中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织。
图5为实施例2中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的切削样品。
图6为实施例3中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织。
图7为实施例3中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的切削样品。
图8为实施例4中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织。
图9为实施例4中所制得的高强耐磨黄铜合金棒材的切削样品。
具体实施方式
本发明实施例中制备高强耐磨黄铜合金棒材的步骤如下：
A、配料熔炼
配料：选用的原材料包括：废紫铜(电解板)、普黄铜角料、镀白黄铜角料、1#锌锭、废铝丝或铝锭、白铜角料(C7521或C7701)、钴、铁铜中间合金、硅铜中间合金等等，细化剂(氟硼酸钾50～70％，氟钛酸钾10～20％，铁粉1～5％，硼粉5～10％，硼矸5～20％)。
熔炼：
1)投料顺序：废紫铜、钴、铝、锰，砷，锡，镍，铁铜中间合金→普黄铜角料、镀白黄铜角料、白铜角料→硅铜中间合金→锌→搅拌→加清渣剂搅拌扒渣→取样(熔炼炉)→测温→静置→转炉→取样(保温炉)。
2)原料入炉后及时捣搅熔化，确保炉内不出现搭料(下部高温出现喷火，上部料架空)的现象。熔炼投料中铜沫或角料较多时，应少加、勤捣加速熔化。
3)熔炼时要求低温加锌，高温捞渣，以减少锌的损耗和炉渣带出的金属量过多，扒渣须彻底、干净。
4)将炉中的浮渣打捞干净后进行取样，取样前先确保炉温达到相应的炉温控制要求，用快速测温热电偶开始进行测温，取样温度范围1030～1080℃，熔炼炉转炉前必须进行炉前分析，确保成分符合内控标准。
5)熔炼炉转炉温度：1050～1080℃，实际转炉以喷火为标准，转炉时注意保温炉液位，不得超出保温炉最大容量。
6)熔炼炉熔炼期间可不进行覆盖，但在长时间等待转炉期间，需要用干燥稻壳或鳞片石墨覆盖，保温炉在捞完渣后，使用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度以不裸露铜液为宜。
7)保温炉保温电压为240～260V。
B、水平连铸：保温炉成分合格后，将0.03～0.05％细化剂加入铜水中，搅拌保温10min，关闭保温炉面板冷却水，保温炉电压调至550V开始升温，待保温炉前面板发红且保温炉温度达到要求，1080℃后开始牵引。实施例中细化剂的加入方式为采用高压氮气将细化剂粉体吹入符合成分要求的融铜合金熔体中。铝黄铜铸坯牵引工艺参数见表1。
表1：铝黄铜铸坯牵引工艺参数
C、过道校直：过道校直直度在0.3-0.5mm/m。
D、剥皮延伸：150丝以上，分4道次，留底扒皮量在20丝左右。
E、成品退火：所述成品退火的退火温度为280-350℃，退火时间为2-4h。
本发明实施例和对比例中摩擦系数的检测方法为：标准GB/T22895-2008纸和纸板静态和动态摩擦系数的测定平面法原理：将试验表面以平面接触方式放在一起，并均匀施加接触压力。记录初始滑动时需的力(作用力)N和两表面间相对滑动的力F(动摩擦力)，即F动摩擦力＝μ摩擦系数N作用力，通过该公式即可得出摩擦系数。
磨损量是根据磨损量SRV点接触摩擦磨损试验中磨斑形状，并考虑偶球件(GCr15钢球)的磨损，综合得出磨损体积计算公式：
V＝Πh(3dqds+4h2)/24
式中：ds-微动方向上的磨斑宽度，dq-垂直微动方向的磨斑宽度，h-磨损深度。
实施例1
本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的具体成分为：Cu 60.1％，Si 1.2％，Mn0.15％，Ni 3.5％，Fe 1.1％，Al 4.4％，Co 0.7％，Sn 0.2％，As 0.05％，Zn余量。棒材的规格为具体生产过程如下：
A、配料熔炼
配料：铝黄铜熔炼选用的原材料包括：废紫铜(电解板)、普黄铜角料、镀白黄铜角料、1#锌锭、废铝丝或铝锭、白铜角料(C7521或C7701)、钴、铁铜中间合金、硅铜中间合金等(具体见表2)。细化剂(氟硼酸钾50％，氟钛酸钾20％，铁粉5％，硼粉10％+硼矸15％)
表2本实施例的黄铜合金成分配比
熔炼：
1)投料顺序：紫铜、钴、铝、锰，砷，锡，镍，铁铜合金→普黄铜角料、镀白角料、白铜角料→硅铜合金→锌→搅拌→加清渣剂搅拌扒渣→取样(熔炼炉)→测温→静置→转炉→取样(保温炉)。
2)原料入炉后及时捣搅熔化，确保炉内不出现搭料(下部高温出现喷火，上部料架空)的现象。熔炼投料中铜沫或角料较多时，应少加、勤捣加速熔化。
3)熔炼时要求低温加锌，高温捞渣，以减少锌的损耗和炉渣带出的金属量过多，扒渣须彻底、干净。
4)将炉中的浮渣打捞干净后进行取样，取样前先确保炉温达到相应的炉温控制要求，用快速测温热电偶开始进行测温，取样温度范围1070℃，熔炼炉转炉前必须进行炉前分析，确保成分符合内控标准。
5)熔炼炉转炉温度：1080℃，实际转炉以喷火为标准，转炉时注意保温炉液位，不得超出保温炉最大容量。
6)熔炼炉熔炼期间可不进行覆盖，但在长时间等待转炉期间，需要用干燥稻壳或鳞片石墨覆盖，保温炉在捞完渣后，使用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度以不裸露铜液为宜。
7)保温炉保温电压为240V，温度在1050℃。
B、水平连铸：保温炉成分合格后，将0.03％细化剂加入铜水中，搅拌保温10min，关闭保温炉面板冷却水，保温炉电压调至550V开始升温，待保温炉前面板发红且保温炉温度达到1080℃后开始牵引，本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数见表3。本实施例采用粉体扩散机(如图1所示)将细化剂加入铜水中，首先通过进气孔1压入高纯氮气，然后在进料口3加入细化剂，细化剂粉体在混料桶2内螺旋搅拌，最后随高压氮气气流进入扩散石墨棒4，由于石墨棒表面有许多细孔，将扩散石墨棒插入熔体中，可以均匀的将细化剂粉体排出到熔体中，进入熔体的细化剂分布非常均匀。细化作业完成后，关闭1进气口，打开排气孔5，清理尾料。
表3本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数
C、过道校直：毛坯进行扒皮前，需要进行校直，保证棒材的直度，避免扒皮啃肉，单边的缺陷，校直直度0.3mm/m。
D、剥皮延伸：实际工艺参数：Φ18.5～18.7→扒Φ18.2→扒Φ17.8→扒Φ17.5→扒Φ17.2→拉Φ17。
E、成品退火：成品退火温度为300℃，退火时间为3h。
本实施例所生产的黄铜合金棒材的铸态组织如图2所示。由图2可知，本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织呈现β相+细小针状α相+鱼骨状耐磨相(包括诸多金属间化合物Ni3Al，NiAl，Fe3Al和FeA等)，其中细小针状α相的面积占比为22％，鱼骨状耐磨相的面积占比为13％。
图3为本实施例生产的黄铜合金棒材的切削样，由图3可知，断屑的形貌主要呈现月牙状，切削断屑较为容易，可以获得较好的加工性能。
对本实施例生产的黄铜合金棒材进行性能测试(如表10所示)，其硬度为285HV5，抗拉强度为780MPa，材料的延伸率为10％，车削性能为HPb63-3的65％，材料的晶粒度为35um，表面粗糙度为0.7，直度为0.4mm/m，摩擦系数为0.12，磨损量为270×10-3mm3，组织均匀性好，材料机加工性能好，钻孔排屑顺畅，棒材表面无凹坑和麻点。
实施例2
本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的具体成分为：Cu60.9％，Si 1.4％，Mn0.16％，Ni 3.7％，Fe 1.2％，Al 4.4％，Co0.8％，Sn0.3％，As0.07％，Zn余量。棒材的规格为具体生产过程如下：
A、配料熔炼
配料：铝黄铜熔炼选用的原材料包括：废紫铜(电解板)、普黄铜角料、镀白黄铜角料、1#锌锭、废铝丝或铝锭、白铜角料(C7521或C7701)、钴、铁铜中间合金、硅铜中间合金等(具体见表4)。细化剂(氟硼酸钾60％，氟钛酸钾20％，铁粉3％，硼粉5％+硼矸12％)
表4本实施例的黄铜合金成分配比
熔炼：
1)投料顺序：紫铜、钴、铝、锰，砷，锡，镍，铁铜合金→普黄铜角料、镀白角料、白铜角料→硅铜合金→锌→搅拌→加清渣剂搅拌扒渣→取样(熔炼炉)→测温→静置→转炉→取样(保温炉)。
2)原料入炉后及时捣搅熔化，确保炉内不出现搭料(下部高温出现喷火，上部料架空)的现象。熔炼投料中铜沫或角料较多时，应少加、勤捣加速熔化。
3)熔炼时要求低温加锌，高温捞渣，以减少锌的损耗和炉渣带出的金属量过多，扒渣须彻底、干净。
4)将炉中的浮渣打捞干净后进行取样，取样前先确保炉温达到相应的炉温控制要求，用快速测温热电偶开始进行测温，取样温度范围1070℃，熔炼炉转炉前必须进行炉前分析，确保成分符合内控标准。
5)熔炼炉转炉温度：1080℃，实际转炉以喷火为标准，转炉时注意保温炉液位，不得超出保温炉最大容量。
6)熔炼炉熔炼期间可不进行覆盖，但在长时间等待转炉期间，需要用干燥稻壳或鳞片石墨覆盖，保温炉在捞完渣后，使用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度以不裸露铜液为宜。
7)保温炉保温电压为240V，温度在1050℃。
B、水平连铸：保温炉成分合格后，将0.03％细化剂加入铜水中(本实施例细化剂的加入方式与实施例1相同)，搅拌保温10min，关闭保温炉面板冷却水，保温炉电压调至550V开始升温，待保温炉前面板发红且保温炉温度达到1080℃后开始牵引。本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数见表5。
表5本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数
C、过道校直：毛坯进行扒皮前，需要进行校直，保证棒材的直度，避免扒皮啃肉，单边的缺陷，校直直度0.3mm/m。
D、剥皮延伸：实际工艺参数：Φ31.5～31.7→扒Φ31.2→扒Φ30.8→扒Φ30.5→扒Φ30.2→拉Φ30。
E、成品退火：成品退火温度为300℃，退火时间为3h。
本实施例所生产的黄铜合金棒材的铸态组织如图4所示。由图4可知，本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织呈现β相+细小针状α相+鱼骨状耐磨相(包括诸多金属间化合物Ni3Al，NiAl，Fe3Al和FeA等)，其中细小针状α相的面积占比为25％，鱼骨状耐磨相的面积占比为14％。
图5为本实施例制备的样品的切削样，断屑的形貌主要呈现月牙状，切削断屑较为容易，可以获得较好的加工性能。
对本实施例生产的黄铜合金棒材进行性能测试(如表10所示)，其硬度为290HV5，抗拉强度为785MPa，材料的延伸率为12％，车削性能为HPb63-3的65％，材料的晶粒度为30um，表面粗糙度为0.6，直度为0.35mm/m，摩擦系数为0.11，磨损量为260×10-3mm3，组织均匀性好，材料机加工性能好，钻孔排屑顺畅，棒材表面无凹坑和麻点。
实施例3
本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的具体成分为：Cu59.6％，Si 1.5％，Mn0.15％，Ni 3.4％，Fe 1.0％，Al 4.5％，Co0.8％，Sn0.3％，As0.07％，Zn余量。棒材的规格为具体生产过程如下：
A、配料熔炼
配料：铝黄铜熔炼选用的原材料包括：废紫铜(电解板)、普黄铜角料、镀白黄铜角料、1#锌锭、废铝丝或铝锭、白铜角料(C7521或C7701)、钴、铁铜中间合金、硅铜中间合金等(具体见表6)。细化剂(氟硼酸钾65％，氟钛酸钾35％，铁粉3％，硼粉5％+硼矸12％)。
表6本实施例的黄铜合金成分配比
熔炼：
1)投料顺序：紫铜、钴、铝、锰，砷，锡，镍，铁铜合金→普黄铜角料、镀白角料、白铜角料→硅铜合金→锌→搅拌→加清渣剂搅拌扒渣→取样(熔炼炉)→测温→静置→转炉→取样(保温炉)。
2)原料入炉后及时捣搅熔化，确保炉内不出现搭料(下部高温出现喷火，上部料架空)的现象。熔炼投料中铜沫或角料较多时，应少加、勤捣加速熔化。
3)熔炼时要求低温加锌，高温捞渣，以减少锌的损耗和炉渣带出的金属量过多，扒渣须彻底、干净。
4)将炉中的浮渣打捞干净后进行取样，取样前先确保炉温达到相应的炉温控制要求，用快速测温热电偶开始进行测温，取样温度范围1070℃，熔炼炉转炉前必须进行炉前分析，确保成分符合内控标准。
5)熔炼炉转炉温度：1080℃，实际转炉以喷火为标准，转炉时注意保温炉液位，不得超出保温炉最大容量。
6)熔炼炉熔炼期间可不进行覆盖，但在长时间等待转炉期间，需要用干燥稻壳或鳞片石墨覆盖，保温炉在捞完渣后，使用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度以不裸露铜液为宜。
7)保温炉保温电压为240V，温度在1050℃。
B、水平连铸：保温炉成分合格后，将0.03％细化剂加入铜水中(本实施例的细化剂的加入方式与实施例1相同)，搅拌保温10min，关闭保温炉面板冷却水，保温炉电压调至550V开始升温，待保温炉前面板发红且保温炉温度达到1080℃后开始牵引。本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数见表7。
表7本实施例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数
C、过道校直：毛坯进行扒皮前，需要进行校直，保证棒材的直度，避免扒皮啃肉，单边的缺陷，校直直度0.3mm/m。
D、剥皮延伸：实际工艺参数：Φ81.5～81.7→车皮Φ80。
E、成品退火：成品退火温度为300℃，退火时间为3h。
本实施例所生产的黄铜合金棒材的铸态组织如图6所示。由图6可知，本实施例的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织呈现β相+细小针状α相+鱼骨状耐磨相(包括诸多金属间化合物Ni3Al，NiAl，Fe3Al和FeA等)，其中细小针状α相的面积占比为22％，鱼骨状耐磨相的面积占比为12％。
图7本实施例制备的样品的切削样，断屑的形貌主要呈现月牙状，切削断屑较为容易，可以获得较好的加工性能。
对本实施例生产的黄铜合金棒材进行性能测试(如表10所示)，其硬度为295HV5，抗拉强度为765MPa，材料的延伸率为10％，车削性能为HPb63-3的68％，材料的晶粒度为25um，表面粗糙度为0.5，直度为0.25mm/m，摩擦系数为0.09，磨损量为250×10-3mm3，组织均匀性好，材料机加工性能好，钻孔排屑顺畅，棒材表面无凹坑和麻点。
对比例1
设计的具体的成分控制要求：Cu 60.5％，Si 1.4％，Ni 3.7％，Fe 1.2％，Al4.2％，Co 0.8％，Zn余量。棒材的规格为具体生产过程如下：
A、配料熔炼
配料：铝黄铜熔炼选用的原材料包括：废紫铜(电解板)、普黄铜角料、镀白黄铜角料、1#锌锭、废铝丝或铝锭、白铜角料(C7521或C7701)、钴、铁铜中间合金、硅铜中间合金等(具体见表8)。
表8本对比例的黄铜合金成分配比
熔炼：
1)投料顺序：紫铜、钴、铝、锡、镍，铁铜合金→普黄铜角料、镀白角料、白铜角料→硅铜合金→锌→搅拌→加清渣剂搅拌扒渣→取样(熔炼炉)→测温→静置→转炉→取样(保温炉)。
2)原料入炉后及时捣搅熔化，确保炉内不出现搭料(下部高温出现喷火，上部料架空)的现象。熔炼投料中铜沫或角料较多时，应少加、勤捣加速熔化。
3)熔炼时要求低温加锌，高温捞渣，以减少锌的损耗和炉渣带出的金属量过多，扒渣须彻底、干净。
4)将炉中的浮渣打捞干净后进行取样，取样前先确保炉温达到相应的炉温控制要求，用快速测温热电偶开始进行测温，取样温度范围1070℃，熔炼炉转炉前必须进行炉前分析，确保成分符合内控标准。
5)熔炼炉转炉温度：1080℃，实际转炉以喷火为标准，转炉时注意保温炉液位，不得超出保温炉最大容量。
6)熔炼炉熔炼期间可不进行覆盖，但在长时间等待转炉期间，需要用干燥稻壳或鳞片石墨覆盖，保温炉在捞完渣后，使用鳞片石墨覆盖，覆盖厚度以不裸露铜液为宜。
7)保温炉保温电压为240V，温度在1050℃，正常生产期间，如果发现保温炉出现大喷火现象(大量氧化锌逸出)，应及时调低保温炉保温电压至200V以下，待大喷火现象消除后，及时回调电压至240。温度控制在1050℃。
B：水平连铸：保温炉成分合格后，关闭保温炉面板冷却水，保温炉电压调至550V开始升温，待保温炉前面板发红且保温炉温度达到1080℃后开始牵引。铝黄铜铸坯牵引工艺参数见表9。
表9本对比例的铝黄铜铸坯牵引工艺参数
C、过道校直：毛坯进行扒皮前，需要进行校直，保证棒材的直度，避免扒皮啃肉，单边的缺陷，校直直度0.3mm/m。
D、剥皮延伸：实际工艺参数：Φ31.5～31.7→扒Φ31.2→扒Φ30.8→扒Φ30.5→扒Φ30.2→拉Φ30。
E、成品退火：成品退火温度为300℃，退火时间为3h。
本对比例所生产的黄铜合金棒材的铸态组织如图8所示。由图8可知，本对比例的高强耐磨黄铜合金棒材的铸态组织呈现β相+细小针状α相+耐磨相，耐磨相包括金属间化合物Ni3Al，NiAl，Fe3Al和FeAl等，但是本对比例合金带材的金相晶粒粗大，耐磨相呈现团块状，分布不均匀，耐磨性能降低，耐蚀性能恶化。本对比例的合金棒材中，细小针状α相的面积占比为15％，耐磨相的面积占比为5％。
图9为本对比例生产的黄铜合金棒材的切削样，断屑的形貌主要呈现卷曲弹簧状，切削断屑困难，机加工过程容易卡刀，表面质量粗糙。
对本对比例生产的黄铜合金棒材进行性能测试(如表10所示)，其硬度为200HV5，抗拉强度为620MPa，材料的延伸率为2％，车削性能为HPb63-3的40％，材料的晶粒度为80um，表面粗糙度为4.0，直度为0.7mm/m，摩擦系数为0.21，磨损量为380×10-3mm3，组织均匀性较差，材料机加工性能不良，钻孔排屑困难，棒材表面出现明显的凹坑和麻点。
表10实施例和对比例生产的合金棒材的性能
备注：粗糙度采用TR200金属表面粗糙度仪检测。

Claims (10)

1.一种高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分，Cu：59.0～62.0wt％，Si：0.5～1.6wt％，Co：0.5～1.0wt％，Ni：2.5～4.0wt％，Fe：0.5～1.3wt％，Al：3.5～4.5wt％，Sn：0.1～0.3wt％，Mn：0.1-0.2wt％，As：0.04-0.08wt％，Zn余量。
2.根据权利要求1所述的高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，所述的高强耐磨黄铜合金棒材的相组织包括β相、α相和耐磨相，所述的α相在所有相中的面积占比为20-30％，耐磨相在所有相中的面积占比为5-20％，其中所述的耐磨相为过渡相，由β相，α相和多种金属间化合物粒子形成的第二相组成。
3.根据权利要求2所述的高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，所述的第二相包括金属间化合物粒子Ni3Al、NiAl、AlSi2、Mn2Si、Fe3Al和FeAl，所述的第二相在所有相中的面积占比为0.01-0.06％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，所述的高强耐磨黄铜合金棒材中，Ni与Si的质量比为2～5:1，Ni与Al的质量比为1:1～1.5，Si与Al的质量比为1:2.5～5，Fe与Al的质量比为1:3～6。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，所述的高强耐磨黄铜合金棒材的相组织中，α相与β相的比例为1:3～4。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高强耐磨黄铜合金棒材，其特征在于，所述高强耐磨黄铜合金棒材的硬度在280HV5以上，抗拉强度在760MPa以上，晶粒度在35um以下，摩擦系数在0.12以下，磨损量在270×10-3mm3以下。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高强耐磨黄铜合金棒材的制备方法，包括配料熔炼、水平连铸、过道校直、剥皮延伸、成品退火；
其中，水平连铸包括：将细化剂粉体加入符合成分要求的融铜合金熔体中，搅拌保温8～12min，待保温炉温度达到要求后开始牵引，牵引温度为1050-1080℃，电磁搅频率为10～60HZ，冷却水进水出水温差30～40℃，二次冷却水与结晶器距离1500-2000mm，冷却水压为0.2～0.4Mpa。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的细化剂粉体以质量分数计，包括氟硼酸钾：50～70wt％，氟钛酸钾：10～20wt％，铁粉：1～5wt％，硼粉：5～10wt％，硼矸：5～20wt％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的细化剂粉体的加入量为融铜合金熔体质量的0.03-0.05％；所述的细化剂粉体的加入方式为：采用高压氮气将细化剂粉体吹入符合成分要求的融铜合金熔体中。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的高强耐磨黄铜合金棒材在汽车同步器齿环、精密齿轮或耐磨轴承领域中的应用。
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