專利名稱：一種復(fù)雜黃銅及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種復(fù)雜黃銅，所述復(fù)雜黃銅不含鉛，且具有良好的機(jī)械性能、耐磨性以及切削性，為了方便本領(lǐng)域技術(shù)人員順利實(shí)施，本發(fā)明還進(jìn)ー步的公開了所述復(fù)雜黃銅的制備方法，并且還列舉了所述復(fù)雜黃銅的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前增壓器部件(止推片、浮動(dòng)軸承) 使用的銅合金主要有五種復(fù)雜黃銅CW713R和錫(鉛)青銅SAE620、SAE660、SAE67N和C93500，表I顯示了五種銅合金的組成成分以及相應(yīng)的機(jī)械性能。表I
避含盤(wt%>機(jī)械挫能
-*------T------T---
I:；i
拉強(qiáng)I
觫號(hào)AMlSZl
CaSij Pb搜.丨伸率度
(MPI (%) (HB )a) I
C 57. L K (1丨 O》. < 佘 jW7BR 59.0 3-2.3 WO 3-1..3 I OS 0.4 9 | 60
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目前，歐盟汽車法規(guī)中規(guī)定汽車部件逐步禁止使用含鉛的合金材料(即要求合金中Pb〈0. 1%)，其中蝸輪增壓器部件中的無鉛化在2014年實(shí)施。除了無鉛化要求外，增壓器部件特別是浮動(dòng)軸承的加工現(xiàn)多采用自動(dòng)車完成，必須要有良好的切削性能來保證加工的順利完成和產(chǎn)品表面的粗糙度。從表I中可以看出，CW713R復(fù)雜黃銅總體性能良好，可以滿足各種條件下增壓器部件的要求，但這種復(fù)雜黃銅含有鉛，其余四種銅合金或適用于浮動(dòng)軸承，或適用于止推片。在上述五種銅合金中，只有SAE620合金基本不含鉛，但SAE620合金由于其組織特點(diǎn)不適用于乘用車增壓器的エ況。目前來看，還沒有ー種銅合金既能在元素組成上不使用鉛，又能保證擁有良好的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有銅合金無法在無鉛化的前提下達(dá)到良好的綜合性能(例如切削性、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等)，并針對(duì)該問題提供一種復(fù)雜黃銅。所述無鉛化是指不添加鉛，復(fù)雜黃銅中可能微量的鉛(要求必須小于O. 1%)均來自原材料各種元素中作為不可避免微量雜質(zhì)形式存在的鉛。
本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅，以重量百分比表示，包括
Cu 59. 0-63. 0%、Mn I. 2-4. 0%、Si O. 8-2. 8%、Al I. 0-2. 5%、Sn O. 1-0. 5% ;其余為 Zn。上述復(fù)雜黃銅中鉛含量至少小于O. 1%。合金化元素鋁和硅能夠顯著的縮小黃銅中的α相區(qū)，提高黃銅的強(qiáng)度和硬度，降低復(fù)雜黃銅的塑性；錳元素在黃銅中具有較高的固溶度，提高黃銅的強(qiáng)度和耐蝕性；同時(shí)在黃銅中添加錳、鋁以及硅，可以形成高硬度的Mn5Si3等金屬化合物，是所述復(fù)雜黃銅具有良好的耐磨性的基礎(chǔ)。另外，鋁還能在黃銅表面形成致密而堅(jiān)固的氧化鋁膜，提高復(fù)雜黃銅的耐蝕性，錳和硅也能大大增強(qiáng)復(fù)雜黃銅對(duì)海水、氯化物和過熱蒸汽的抗腐蝕作用。一般的，本發(fā)明將錳、硅以及鋁元素控制在Al I. 0-2. 5%, Mn I. 2-4. 0%, Si
O.8-2. 8%。鋁含量大于2. 5%時(shí)，復(fù)雜黃銅中的α相區(qū)將不會(huì)出現(xiàn)，雖可繼續(xù)提高強(qiáng)度，但降低了復(fù)雜黃銅的塑性，錳硅的含量配制能夠使復(fù)雜黃銅擁有足夠的強(qiáng)化相(例如Mn5Si3等)，而又不至于聚集成大顆粒，影響使用性能。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)，在上述錳硅鋁范圍下，銅含量低于59%，復(fù)雜黃銅中的α相不能出現(xiàn)，銅含量過高，α相數(shù)量増加，Y相不再出現(xiàn)，切削性能將快速惡化，表現(xiàn)為切屑呈連續(xù)卷狀，因此要求銅含量在59. 0-63. 0%。另外，本發(fā)明還將錳硅的質(zhì)量比設(shè)在I. 3-1. 8之間，這ー比例區(qū)間和形成猛娃化合物Mn5Si3的質(zhì)量比相比,娃有50%左右的過量,娃是縮小α相區(qū)最強(qiáng)的元素，能夠顯著増加合金鋅當(dāng)量，過量的硅進(jìn)ー步提高了復(fù)雜黃銅β (β ^ )相的硬度和脆性，并且有少量的Y相出現(xiàn)，這種Y相細(xì)小硬脆，破壞切屑的連續(xù)性，從而提高復(fù)雜黃銅的切削性能，錳硅兩元素質(zhì)量比過高，切屑會(huì)呈連續(xù)卷狀，不利于加工時(shí)排屑，過低，將惡化合金的塑性。另外O. 01%以上的錫就可以提高合金的抗脫鋅腐蝕能力，為降低貴金屬元素的使用量，且具有明顯的效果，把錫含量控制在O. 1-0. 5%。鐵和鎳是兩種在復(fù)雜黃銅制備中可能引入的雜質(zhì)元素，例如，為節(jié)約生產(chǎn)成本，本發(fā)明所需要的各種元素原料用于制備復(fù)雜黃銅后，可以將在這ー過程中產(chǎn)生的料屑重新作為原料用于制備復(fù)雜黃銅，而料屑中就很有可能會(huì)引入鐵和鎳，因此，對(duì)鐵和鎳元素對(duì)所述復(fù)雜黃銅性能影響方面的研究至少有助于復(fù)雜黃銅制備成本的降低，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)鐵含量過高會(huì)形成高硬質(zhì)點(diǎn)，對(duì)刀具壽命不利，故一般限制在O. 7%以下，鎳在復(fù)雜黃銅中以固溶狀態(tài)存在，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鎳含量高于O. 4%時(shí)，會(huì)影響切削性，通常限制在O. 3%以下。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，上述復(fù)雜黃銅的抗拉強(qiáng)度不小于630MPa,屈服強(qiáng)度不小于350MPa,延伸率不小于15%，硬度不小于170HB。需要特別指出的是，本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅，作為ー種多元合金，所表現(xiàn)出來的性質(zhì)來源于多元素的協(xié)同作用。上面介紹了單個(gè)或者兩個(gè)元素(例如硅和錳)對(duì)復(fù)雜黃銅性能的影響，但作為ー個(gè)復(fù)雜黃銅合金整體，配方中所述的元素之間還可以優(yōu)先形成可以互相溶解的各種金屬間化合物(例如Mn5Si3XuAlMn等),這些金屬間化合物對(duì)復(fù)雜黃銅性能的影響非常復(fù)雜，本發(fā)明經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上述復(fù)雜黃銅配方的基礎(chǔ)上，要獲得具有良好切削性和穩(wěn)定相組織的復(fù)雜黃銅，應(yīng)當(dāng)至少使鋁錳硅之間滿足如下關(guān)系12 < IOX {[Si]-[Mn]/3}+5[Al] <51，[Si]表示Si在合金中的重量百分比，其他類推。依照上述配方得到的復(fù)雜黃銅具有良好的切削性，例如可以通過以下描述來反映復(fù)雜黃銅的切削性
由所述復(fù)雜黃銅制得的15mm圓棒，在無切削液條件下，用炭化鎢工具切削；切削條件為在6°傾角及O. 3_的刀尖半徑，1500-2500_轉(zhuǎn)速，O. 5_的切削深度，及F 100的進(jìn)給速度切削；切削形狀為C形或不超過3個(gè)旋的螺旋狀。進(jìn)ー步的優(yōu)化方案是使鋁錳硅之間滿足如下關(guān)系
25 < IOX {[Si]-[Mn]/3}+5[Al] <40，[Si]表示Si在合金中的重量百分比，其他類推。這樣在不降低復(fù)雜黃銅其他性能(例如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等)的情況下，能夠進(jìn)ー步的提高復(fù)雜黃銅的相組織穩(wěn)定性及切削性。對(duì)于本發(fā)明所述的復(fù)雜黃銅相組織，在上面文字中已有涉及，事實(shí)上，本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅的相結(jié)構(gòu)是以β相為基，包括β相、α相、Mn5Si3相以及Y相，常溫下體心立方結(jié)構(gòu)的β (β ^ )硬度高，能夠?yàn)閺?fù)雜黃銅提供強(qiáng)度保證，而Mn5Si3等金屬間化合物可提供高硬度質(zhì)點(diǎn)，為緩沖高硬度質(zhì)點(diǎn)帶來的脆性，需要使復(fù)雜黃銅相組織中含有一定數(shù)量面心立方的α相，這樣能夠使本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅具有良好的強(qiáng)度和塑性。一般的，α相的比例在5-20%之間，呈球狀均布。Y相比例小于3%，在不影響復(fù)雜黃銅其他性能(例如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率等)的情況下，確保良好的切削性。本發(fā)明還提供了ー種復(fù)雜黃銅的制備方法，依次包括配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；熱鍛步驟以及退火步驟；
或者
配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；擠壓步驟；拉伸步驟；退火步驟以及矯直步驟。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)生產(chǎn)目的合理的選擇使用該方法，例如需要生產(chǎn)復(fù)雜黃銅熱鍛件時(shí)，可以選擇含有熱鍛步驟的復(fù)雜黃銅制備方法，而如果需要生產(chǎn)復(fù)雜黃銅棒材，可以選擇含有擠壓步驟的復(fù)雜黃銅制備方法。技術(shù)人員通?？梢愿鶕?jù)冶煉黃銅的方法將上述各步驟具體化，以便于技術(shù)人員將本發(fā)明所提供的復(fù)雜黃銅配方應(yīng)用到生產(chǎn)中，但本發(fā)明發(fā)現(xiàn)如果不加以進(jìn)ー步說明，所得到的復(fù)雜黃銅的性能往往是不理想的，事實(shí)上，這些得到的復(fù)雜黃銅的相組織與本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅的相組織存在差別。
為此，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)至少擠壓步驟中的擠壓溫度、熱鍛步驟中的熱鍛溫度以及退火步驟中的退火溫度能夠?qū)?fù)雜黃銅相組織形態(tài)的控制做出貢獻(xiàn)。通常本發(fā)明所述擠壓步驟中的擠壓溫度在570-700 V，所述熱鍛步驟中的熱鍛溫度在600-750°C，用上述溫度范圍進(jìn)行熱加工吋，復(fù)雜黃銅處于相當(dāng)于Cu-Zn ニ元相圖的β相區(qū)，具有很好的熱塑性。而在隨后380_480°C溫度下退火，α相析出，β相發(fā)生有序序轉(zhuǎn)變成β ^。高于此溫度，α相不能有效析出，低于此溫度，α相析出溫度非常緩慢，同時(shí)加工所產(chǎn)生的應(yīng)カ不能消除。通過擠壓溫度、熱鍛溫度以及退火溫度的配合，能夠確保復(fù)雜黃銅相組織形態(tài)即Y相比例小于3%; α相的比例在5-20%，并呈球狀分布。本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅均采用常規(guī)元素，制備方法簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本和質(zhì)量控制成本低，可以進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，具有的優(yōu)良綜合性能能夠使其應(yīng)用于各種機(jī)械部件，例如，汽車渦輪增壓器中的浮動(dòng)軸承、止推片；汽車同步器齒環(huán)、液壓件(柱塞泵銅部件等)、空調(diào)壓縮·機(jī)斜盤、園林機(jī)械用蝸輪、縫制設(shè)備中的連桿、供水設(shè)備中的銅部件等。


圖I是實(shí)施例I所述復(fù)雜黃銅Φ 15mm棒材制備方法的流程 圖2是實(shí)施例2所述復(fù)雜黃銅Φ 120 X IOmm鍛件制備方法的流程 圖3是實(shí)施例I在制備復(fù)雜黃銅Φ 15mm棒材擠壓狀態(tài)的金相組織圖(放大倍數(shù)為100倍，β +Mn-Si 相)；
圖4是實(shí)施例I所述復(fù)雜黃銅Φ15πιπι棒材的金相組織圖(放大倍數(shù)為400倍，β +Mn-Si+ a + y 相)；
圖5是實(shí)施例2所述復(fù)雜黃銅Φ 120X IOmm鍛件的金相組織圖(放大倍數(shù)為400倍，β +Mn-Si+ a + y 相)。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例中所使用的各種原料金屬或非金屬，均為市售純金屬或純非金屬。實(shí)施例I
ー種復(fù)雜黃銅Φ 15mm棒材，按照重量百分比，投入Cu59. 5%, All. 8%, Mnl. 8%、Sil. 3%、SnO. 2%、雜質(zhì)元素FeO. 25%和NiO. 2%、余下為Zn。制備方法包括配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；擠壓步驟；拉伸步驟；退火步驟；矯直步驟；
配料步驟按照上述投入比例稱量銅476Kg、鋁14. 4 Kg、錳14.4 Kg、硅10. 4 Kg、錫
I.6 Kg、鐵 2 Kg、鎳 I. 6 Kg、鋅 279. 6 Kg ；
熔煉步驟把配好的原料在中頻感應(yīng)電爐熔煉，原料熔化完畢，成分分析合格后鋳造。鑄造步驟鑄造可采用水平或半連續(xù)鑄造，鑄造溫度1050°C -1100°C，鑄錠規(guī)格Φ120mm ；
擠壓步驟鑄錠坯在630-650°C溫度下進(jìn)行擠壓，擠壓規(guī)格Φ 16mm ；拉伸步驟對(duì)擠壓步驟產(chǎn)生的復(fù)雜黃銅進(jìn)行拉伸，拉伸到Φ 15mm ；
退火步驟對(duì)經(jīng)拉伸的復(fù)雜黃銅進(jìn)行退火，退火溫度450-480°C ；
矯直步驟對(duì)退火后的復(fù)雜黃銅進(jìn)行矯直，從而得到Φ15_成品。最終所得的復(fù)雜黃銅棒的成分見表2，性能見表3。
實(shí)施例2
ー種復(fù)雜黃銅Φ 120Χ IOmm鍛件，按照重量百分比，投入Cu59. 5%、All. 8%、Mnl. 8%、Sil. 3%、SnO. 2%、雜質(zhì)元素 FeO. 25% 和 NiO. 2%、余下為 Zn。制備方法包括配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；熱鍛步驟；退火步驟。配料步驟按照上述投入比例稱量銅476Kg、鋁14. 4 Kg、錳14. 4 Kg、硅10. 4 Kg、錫 I. 6 Kg、鐵 2 Kg、鎳 I. 6 Kg、鋅 279. 6 Kg ；
熔煉步驟把配好的原料在中頻感應(yīng)電爐熔煉，原料熔化完畢，成分分析合格后鋳造。鑄造步驟鑄造可采用水平或半連續(xù)鑄造，鑄造溫度1050°C -1100°C，鑄錠(棒)規(guī)格 Φ 42mm ；
熱鍛步驟鑄棒下料98mm長(zhǎng)。鍛造加熱溫度690_720°C，熱鍛溫度650_680°C，在摩擦壓カ鍛壓機(jī)上鍛造成Φ 120 X IOmm的盤狀件。退火步驟鍛件退火，退火溫度450_480°C ;
最終所得的復(fù)雜黃銅鍛件的成分見表2，性能見表3。
實(shí)施例3-8
實(shí)施例3-5除各元素含量和規(guī)格與實(shí)施例I不同外，其余條件均與實(shí)施例I相同；實(shí)施例6-8除各元素含量和規(guī)格與實(shí)施例2不同外，其余條件均與實(shí)施例2相同。表2復(fù)雜黃銅的化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜黃銅，以重量百分比表示，包括Cu 59. 0-63. 0%, Mn I. 2-4. 0%、Si O. 8-2. 8%、Al I. 0-2. 5%、Sn O. 1-0. 5% ;其余為 Zn。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于Mn與Si的質(zhì)量比在I.3-1. 8之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于12< IOX {[Si]-[Mn]/3}+5[Al]<51，[Si]表示Si在復(fù)雜黃銅中的重量百分比，其他類推。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于25< IOX {[Si]-[Mn]/3}+5[Al]< 40。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于所述復(fù)雜黃銅還包括雜質(zhì)元素Fe以及 Ni，所述 Fe〈0. 7%, Ni〈0. 3%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4或5所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于所述復(fù)雜黃銅的相結(jié)構(gòu)以β相為基，所述復(fù)雜黃銅的相結(jié)構(gòu)包括β相、α相、Mn5Si3相以及Y相。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于α相的比例在5-20%之間，呈球狀均布。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種復(fù)雜黃銅,其特征在于Y相比例小于3%。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4或5所述的一種復(fù)雜黃銅，其特征在于所述復(fù)雜黃銅的抗拉強(qiáng)度不小于630MPa，屈服強(qiáng)度不小于350MPa，延伸率不小于15%，硬度不小于170HB。
10.一種權(quán)利要求I或2或3或4或5所述復(fù)雜黃銅的制備方法，依次包括配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；熱鍛步驟以及退火步驟； 或者 配料步驟；熔煉步驟；鑄造步驟；擠壓步驟；拉伸步驟；退火步驟以及矯直步驟； 所述擠壓步驟中的擠壓溫度為570 °C _700°C，所述熱鍛步驟中的鍛造溫度為600 0C -750。。。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備方法，其特征在于退火步驟中的退火溫度為3800C -480O。
12.權(quán)利要求I或2或3或4或5所述一種復(fù)雜黃銅用于制造汽車渦輪增壓器中的浮動(dòng)軸承和止推片；汽車同步器齒環(huán)；柱塞泵銅部件；空調(diào)壓縮機(jī)斜盤；園林機(jī)械用蝸輪；縫制設(shè)備中的連桿；供水設(shè)備中的銅部件。
全文摘要
本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)雜黃銅、其制備方法以及復(fù)雜黃銅的應(yīng)用，本發(fā)明所述復(fù)雜黃銅，以重量百分比表示，包括Cu59.0-63.0%、Mn1.2-4.0%、Si0.8-2.8%、Al1.0-2.5%、Sn0.1-0.5%；其余為Zn，所述復(fù)雜黃銅能夠在無鉛化的前提下，至少具有良好的切削性、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及延伸率。
文檔編號(hào)C22C9/04GK102851533SQ201210361578
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者王世民, 劉合立, 徐軍, 王明軍, 何戰(zhàn)軍, 鈄青波 申請(qǐng)人:寧波正元銅合金有限公司