一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料及其制備方法，其特點是該黃銅合金材料的化學成分按重量份計為Cu 58～64份，Bi 0.4～1.5份，Sn 0.3～0.7份，Se0.03～0.2份，Zn 34～41份，其它雜質總和小于0.2份。采用常規(guī)備料、配料、熔煉及冷熱加工制成所需規(guī)格的合金材料。其抗拉強度為σb 400MPa～550MPa，硬度HRB 65～80，延伸率δ＞10％。Pb、Fe、Cd含量達到國家標準，且兼顧優(yōu)異的切削性能和冷熱加工性能，適用于各種連接件、閥門、閥桿軸承、水暖衛(wèi)浴、電子電器、鐘表儀器。
【專利說明】
一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料及其制備方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料及其制備方法，屬于金屬 材料的合成領域。
【背景技術】
[0002] 鉛黃銅廣泛應用于各種連接件、閥門、閥桿軸承、水暖衛(wèi)浴、電子電器、鐘表儀器等 領域。然而鉛是一種對環(huán)境和人體有害的元素，2006年以來，包括美國、歐盟、日本、中國等 世界各國對銅合金中的鉛含量和在飲用水中鉛的浸出量分別作了嚴格限制，鉛黃銅的應用 面臨嚴格的限制和挑戰(zhàn)。
[0003] 開發(fā)無鉛易切削銅合金來替代鉛黃銅成為當今世界金屬材料制造業(yè)的重大課題。 目前，以鉍代鉛的無鉛黃銅研究最多，縱觀國內外專家學者對鉍黃銅的各種研究，存在添加 元素種類多、加入量較大、加入稀土元素價格高昂、原料成本高及工業(yè)化應用難等問題，且 很難兼顧優(yōu)異的切削性能和冷熱加工性能。
[0004] 因此，有必要研究開發(fā)添加元素種類少、加入量小、材料制備工藝簡單、性價比高 的無鉛黃銅合金材料，進一步優(yōu)化材料的切削性能及冷熱加工性能。
[0005] 鉍，與鉛有許多相似的性質，鉍本身性脆，其熔點為271.4°C，鉍和鉛一樣不固溶于 黃銅，主要分布在晶界和相界，切削時能起到斷開切削的作用。由于鉍熔點低，又主要在晶 界和相界處分布(見附圖1)，在黃銅熱加工過程中，鉍會以熔融的狀態(tài)存在，鉍含量過高會 導致熱加工時出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，因此鉍含量不宜過高。
[0006] 錫，細化晶粒作用明顯，錫能使長條狀α相和β相變?yōu)榍驙?見附圖2)，晶粒的比表 面積無疑將大大增加，在晶界和相界上，單位面積分布的鉍將大大減少，提高了鉍的分散 性，減少了薄膜狀鉍的存在概率，可提高材料的物理性能、切削性能及抗熱裂性能。錫在后 續(xù)的熱處理時，發(fā)生從β相向α+γ相共析轉變，一定程度上消除脆性的β相，提高材料的塑 性。
[0007] 硒，也能起到細化晶粒的作用，硒使長條狀α相和β相基本消失(見附圖3)，凹的β相 被α相包圍隔離，且α相(塑性相)體積百分量增大，β相(脆性相)體積百分含量相對減少。同 時，硒的加入對鉍有反潤濕作用，對薄膜狀的鉍有球化作用，有利于提高其冷、熱塑性。再 者，硒能與銅、鋅、鉍等元素形成脆性化合物分布于晶界和晶內，也能改善合金切削性能的 作用。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅 合金材料及其制備方法，其特點是以普通黃銅為基體，添加適量的Bi、Sn及Se，制備多元銅 合金材料，滿足行業(yè)對易切削、抗熱裂銅合金材料的需求。
[0009] 本發(fā)明的目的由以下技術措施實現(xiàn)，其中所述原料份數(shù)除特殊說明外，均為重量 份數(shù)。
[0010] 環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料的化學成分按重量份計為 Gu 58.~64.份 Bi 0'4 ~1'5 份
[0011] :Sn 0.3-0.7 份 Se 0.03 ~0.2 份 鐸 34~41 份
[0012] 其它雜質總和小于0.2%。
[0013] 環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料的制備方法包括以下步驟：
[0014] ⑴恪煉
[0015]陰極銅58~64份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔 化后，加入磷銅中間合金0.03~0.05份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫 至1150°C~1250°C，加入0.03~0.2份的高純硒，相繼加入0.3~0.7份的高純錫和0.4~1.5 份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔池，調整熔池溫度為1020~1050 °C，加入34~41份電解鋅， 升溫化渣，調整熔池溫度為1000~1050°C，打渣澆鑄或牽引成型；
[0016] (2)擠壓
[0017]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至620 ~680 °C，保溫5~1 Omin，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內進行擠壓加工；
[0018] (3)酸洗及冷拉加工
[0019] 上述擠壓加工坯料酸洗，洗去表面氧化物，然后進行冷拉加工，根據(jù)客戶要求設定 產品加工率，加工成半硬態(tài)、硬態(tài)；
[0020] (4)退火
[0021] 上述冷拉加工后的材料置于退火爐內，進行去應力退火、均勻化退火、中間退火、 成前退火及光亮退火，加熱到設定退火溫度，保溫設定時間，出爐完成退火；
[0022] (5)矯直鋸切
[0023] 材料在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度，表面質 量檢查合格后包裝入庫。
[0024] 環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料的制備方法，合金元素硒、錫、鉍，均以高 純金屬彡99.99 %形式加入，加料時間一般不超過3~5min，每種物料加入間隔時間不低于 10~15min〇
[0025] 性能測試：
[0026] 環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料，可加工成各類型號產品，其化學成分及 性能如表1、2、3所示。
[0027] 1、化學成分
[0028]表1化學成分檢測結果(單位wt% )
[0029]
[0030] 2、物理性能與切削性能
[0031] 物理性能在萬能測試機上測定，切削性能按照國標GB/T26306-2010《易切削銅合 金棒》中規(guī)定的切削性能測試方法測定。
[0032] 表2物理性能與切削加工性能檢測結果
[0033]
[0034] 備注:表2中切削性能與HPb62-3(100%)相比較。
[0035] 3、熱加工性能
[0036]為了檢測材料的熱加工性能，把樣品切斷成25mm長的小試樣，分別在720 °C、760 °C、800°C加熱條件下，在軸線方向上進行熱錘擊，目測判斷錘擊后的表面狀態(tài)。試樣表面不 產生裂紋表示為"〇"、產生小裂紋表示為"Λ"，產生大裂紋表示為" X"，檢測結果如表3所 不。
[0037]表3熱加工性能檢測結果 [0038]
[0039]本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0040] 1、該合金材料不含鉛，滿足最新環(huán)保標準要求。
[0041 ] 2、合金元素祕、錫、硒同時加入，祕起斷削作用，錫起細化、球化晶粒作用，硒起細 化晶粒、降低β相含量、促進鉍反潤濕作用，各合金選擇最適當?shù)呐浔攘?，共同作用，產生一 定的累積效果，滿足材料各方面的使用性能。
[0042] 3、合金主要成分Cu、Bi、Sn及Se，可在一定范圍內適當調整，并配套不同的擠壓、拉 拔及退火工藝，滿足不同客戶對產品使用性能的要求。
[0043] 4、兼顧優(yōu)良的切削性能及抗熱裂性能：切削性能達到HPb62-3的80%以上；高溫 650°C~800°C抗熱裂性能良好，適用于熱擠壓、熱鍛、熱沖壓等熱加工工藝；物理性能達到 鉛黃銅HPb59-l水平。
[0044] 5、合金元素加入量少，原料成本可降低5~10%，生產設備及工藝簡單，適宜大規(guī) 模產業(yè)化生產。
【具體實施方式】
[0045] 以下通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用于 對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員可 以根據(jù)上述本發(fā)明的內容作出的一些非本質的改進和調整。
[0046] 實施例1
[0047] ⑴恪煉
[0048] 陰極銅58份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.03份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1150 °C，加入0.03份的高純硒，相繼加入0.3份的高純錫和0.4份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020°C，加入43份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000°C，打渣澆鑄 或牽引成型。
[0049] (2)擠壓
[0050 ]饒鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至70 土 5TTC，保溫5min，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用Φ6.2五孔擠壓模具進行擠壓 加工，擠壓比52。
[00511 (3)酸洗、冷拉及退火
[0052] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。上述擠壓坯料冷卻后收 縮20絲，的Φ 6的擠壓坯料，在倒拉機上拉拔并對焊收成圈線。
[0053] 拉拔及退火工藝：Φ6 Φ5 8 -?屮間退火（退火Μ度500°C，保溫3h，出 倒拉 爐空冷)一~? Φ 5.0 -?中間退火（退火溫度500°C，保溫3h，出爐空冷） 倒拉 倒拉 ：--? Φ4.2-?中間退火（退火溫度500°G，保溫3h，出爐空冷)--? 聯(lián)合拉拔 Φ3.5 -?成前退火（退火溫度480?，保溫3h，出爐空冷）-? Φ3.2〇
[0054] (4)矯直鋸切
[0055] Φ 3.2產品，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度，表面質量檢查合格 后包裝入庫。
[0056] 實施例2
[0057] (1)熔煉
[0058]陰極銅64份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化；待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.05份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1250 °C，加入0.2份的高純硒，相繼加入0.7份的高純錫和1.5份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020~1050°C，加入36份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000~ 1050°C，打渣澆鑄或牽引成型。
[0059] (2)擠壓
[0060]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至650 ±5°C，保溫lOmin，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用Φ 14單孔擠壓模具進行擠壓 加工，擠壓比51。
[0061 ] (3)酸洗及冷拉
[0062] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。擠壓時收縮30絲，得Φ 13.7擠壓坯料，在鏈式拉拔機上拉拔至Φ 13。
[0063] (4)矯直鋸切
[0064] Φ 13拉拔樣在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度， 表面質量檢查合格后包裝入庫。
[0065] 實施例3
[0066] ⑴恪煉
[0067] 陰極銅60份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.04份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1200 °C，加入0.1份的高純硒，相繼加入0.7份的高純錫和0.8份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020~1050°C，加入40份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000~ 1050°C，打渣澆鑄或牽引成型。
[0068] (2)擠壓
[0069]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至640 ±5°C，保溫8min，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用Φ33.6單孔擠壓模具進行擠壓 加工，擠壓比7.5。
[0070] (3)酸洗及冷拉
[0071 ] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。擠壓時收縮60絲，得Φ 33擠壓坯料，在鏈式拉拔機上拉拔至Φ 32。
[0072] (4)矯直鋸切
[0073] Φ 32拉拔樣在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度， 表面質量檢查合格后包裝入庫。
[0074] 實施例4
[0075] (1)熔煉
[0076]陰極銅59份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.03份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1200 °C，加入0.1份的高純硒，相繼加入0.4份的高純錫和1.0份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020~1050°C，加入41份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000~ 1050°C，打渣澆鑄或牽引成型。
[0077] (2)擠壓
[0078]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至670 ±5°C，保溫8min，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用Φ7五孔擠壓模具進行擠壓加 工，擠壓比40.8。
[0079] (3)酸洗、冷拉及退火
[0080] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。上述擠壓坯料冷卻后收 縮20絲，的Φ 6.8的擠壓坯料，在倒拉機上拉拔并對焊收成圈線。
[0081]拉拔及退火工藝如下：φ:6.8 _^?_^Φ6.6 ___?成前退火（退火溫度480?,保 聯(lián)合拉拔 溫31ι,出:爐空冷)--? Φ6,〇β
[0082] (4)矯直鋸切
[0083] Φ 6拉拔樣在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度，表 面質量檢查合格后包裝入庫。
[0084] 實施例5
[0085] (1)恪煉
[0086]陰極銅62份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.05份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1150 °C，加入0.15份的高純硒，相繼加入0.6份的高純錫和1.3份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020~1050°C，加入38份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000~ 1050°C，打渣澆鑄或牽引成型。
[0087] (2)擠壓
[0088]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至640 ±5°C，保溫lOmin，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用Φ25.2單孔擠壓模具進行擠 壓加工，擠壓比15.7。
[0089] (3)酸洗及冷拉
[0090] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。擠壓時收縮40絲，得Φ 24.8擠壓坯料，在鏈式拉拔機上拉拔至Φ 24。
[0091] (4)矯直鋸切
[0092] Φ 24拉拔樣在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長度， 表面質量檢查合格后包裝入庫。
[0093] 實施例6
[0094] ⑴恪煉
[0095] 陰極銅61份加入熔煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫熔化;待陰極銅完全熔化 后，加入磷銅中間合金0.04份脫氧，避免加硒過程中產生二氧化硒中毒；調整爐溫至1250 °C，加入0.2份的高純硒，相繼加入0.7份的高純錫和0.8份的高純鉍，完全熔化后，攪拌熔 池，調整熔池溫度為1020~1050°C，加入39份電解鋅，升溫化渣，調整熔池溫度為1000~ 1050°C，打渣澆鑄或牽引成型；
[0096] (2)擠壓
[0097]澆鑄或牽引成型的鑄錠，成分及表面質量檢測合格后，放入感應爐中，加熱至630 ±5°C，保溫5min，使晶粒均勻細化，置入臥式擠壓機內，使用27X27單孔擠壓模具進行擠壓 加工，擠壓比12.2。
[0098] (3)酸洗及冷拉
[0099] 上述擠壓坯料冷卻至常溫后，進行酸洗，洗去表面氧化物。擠壓時收縮60絲，得Φ 26.4 X 26.4擠壓坯料，在鏈式拉拔機上拉拔至25.4 X 25.4。
[0100] (4)矯直鋸切
[0101] 25.4 X 25.4產品在矯直機上矯直，取樣測定各項性能，性能達標后，鋸切成指定長 度，表面質量檢查合格后包裝入庫。
【主權項】
1. 一種環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料，其特征在于該黃銅合金材料的化學成 分按重量份計為其它雜質總和小于0.2%。2. 如權利要求1所述環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料的制備方法，其特征在于 該方法包括W下步驟： (1) 烙煉 將陰極銅58~64份加入烙煉爐中，在木炭保護劑覆蓋下，升溫烙化;待陰極銅完全烙化 后，加入憐銅中間合金0.03~0.05份脫氧，避免加砸過程中產生二氧化砸中毒;調整爐溫至 1150°C~1250°C，加入0.03~0.2份的高純砸，相繼加入0.3~0.7份的高純錫和0.4~1.5份 的高純祕，完全烙化后，攬拌烙池，調整烙池溫度為1020~1050°C，加入34~41份電解鋒，升 溫化渣，調整烙池溫度為1000~1050°C，打渣誘鑄或牽引成型； (2) 擠壓 將誘鑄或牽引成型的鑄錠，檢測合格后，放入感應爐中，加熱至620~68(TC，保溫5~ lOmin，使晶粒均勻細化，置入邸式擠壓機內進行擠壓加工； (3) 酸洗及冷拉加工 將上述擠壓加工巧料酸洗，洗去表面氧化物，然后進行冷拉加工，根據(jù)客戶要求設定產 品加工率，加工成半硬態(tài)、硬態(tài)； (4) 退火 將上述冷拉加工后的材料置于退火爐內，進行去應力退火、均勻化退火、中間退火、成 前退火及光亮退火，加熱到設定退火溫度，保溫設定時間，出爐完成退火； (5) 矯直銀切 將退火后材料在矯直機上矯直，銀切成指定長度，表面質量檢查合格后包裝入庫。3. 如權利要求2所述環(huán)保型無鉛易切削抗熱裂黃銅合金材料的制備方法，其特征在于 合金元素砸、錫、祕，均W高純金屬>99.99 %形式加入，加料時間一般不超過3~5min，每種 物料加入間隔時間不低于10~15min。
【文檔編號】C22C9/04GK105908012SQ201610317388
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】呂忠華, 侯龍超, 侯仁義
【申請人】四川鑫炬礦業(yè)資源開發(fā)股份有限公司