一種高強度黃銅合金棒材的制作方法
【專利摘要】一種高強度黃銅合金棒材，其組成配比為66-69wt%銅、1.1-1.92wt%鉍、0.15-0.23wt%錳、0.1-0.17wt%鋨、0.1-0.5wt%錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量不大于0.5wt%，本發(fā)明還提供了該高強度黃銅合金棒材的制備方法。本發(fā)明高強度黃銅合金棒材具有較高的強度、韌性和耐磨能力，可以很好的承受沖擊和磨損，減少黃銅合金棒材的斷裂和變形，提高棒材使用的安全性，該黃銅合金棒材適用于40℃以下的場合。
【專利說明】一種高強度黃銅合金棒材

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬棒材，更具體地說，它涉及一種高強度黃銅合金棒材。

【背景技術(shù)】
[0002]銅是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展不可缺少的關(guān)鍵工程材料，國內(nèi)外新型銅合金研制開發(fā)熱潮方興未艾，誕生了一大批高性能、高技術(shù)含量的銅合金新品種、新技術(shù)。黃銅是銅合金中最重要合金品種，以低成本性能優(yōu)良著稱于世，廣泛應(yīng)用國民經(jīng)濟各領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科技進步，人們對復(fù)雜黃銅研究日益深入，發(fā)現(xiàn)通過加入多元少量合金元素即可大幅提高其性能，使材料產(chǎn)生許多具有實用化前景的新特性，如形狀記憶功能，高彈性，高強度，高耐磨、耐蝕、減磨性能等。
[0003]銅因其良好的導(dǎo)電性，可塑性，耐腐蝕性，應(yīng)用非常廣泛。黃銅合金即為銅鋅合金，其中主要的元素為金屬銅和金屬鋅，其次在黃銅合金中添加鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛等元素，可以改善黃銅合金的性能，用于不同的場所。但是黃銅合金普遍存在一個問題:強度不足，表面硬度較低，當(dāng)受到一定程度的沖擊時表面易產(chǎn)生沖痕，且黃銅合金表面易磨損；同時含鉛黃銅在使用過程中會有鉛析出，當(dāng)鉛進入人體，會對人類健康造成很大的威脅。
[0004]目前，申請?zhí)枮镃N200910154951申請公開的中國專利公開了一種低成本耐蝕無鉛易切削黃銅及其制造方法，它通過砷替代普通黃銅中的鉛成分。這種黃銅合金解決了鉛所帶來的危害，同時使黃銅合金具有良好的切削性能，但是其硬度以及表面耐磨能力均降低。
[0005]申請?zhí)枮镃N201410197542.2申請公開的中國專利公開了一種高強度錫黃銅合金材料及其制備方法，其含有的化學(xué)元素成分及其質(zhì)量百分比為:錳0.7-0.9、鋅11.5-11.9、鐵0.3-0.5、硼 0.1-0.2、鉻0.4-0.6、錫 8.2-8.5、鋁0.6-0.9,Zr0.06-0.09,L1.2-0.4、余量為銅。高強度錫黃銅合金通過合理控制鑄后處理溫度，使用廢銅作為原料，使芯部硬度與表面硬度基本一致，合金品質(zhì)均一；添加錳、鐵、鋁，使得合金的強度高，加工性能優(yōu)異；通過添加錫、硼、鉻等元素，增加了耐腐蝕性，還具有良好的導(dǎo)電性，可用于生產(chǎn)壓力加工產(chǎn)品，也可以用于生產(chǎn)鑄造產(chǎn)品。高強度錫黃銅合金的精煉劑用于鑄造生產(chǎn)，能使鑄件中的氣孔度降低1-2度，氧化夾雜物在2級左右，明顯提高成品率，但是其抗磨損的能力較低，其中鋁和鋰在合金表面所形成的氧化膜雖然能夠?qū)辖鹌鸬娇寡趸淖饔?，但是氧化膜的硬度較低，不具備抗摩擦能力，經(jīng)過長時間的摩擦，將導(dǎo)致合金表面刮花，抗磨損能力較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高強度黃銅合金棒材，能夠最大程度提高棒材的強度、硬度和韌性，同時具有一定的那腐蝕和耐磨能力，環(huán)保無毒。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:一種高強度黃銅合金棒材，黃銅合金的組成配比為 60-70wt% 銅、0.1-2.3wt% 鉍、0.05-0.52wt% 錳、0.09-0.35wt% 鋨、0.1-0.85wt%錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
[0008]作為優(yōu)選，本發(fā)明黃銅合金的組成配比為66-68.7wt%銅、1.1-1.92wt%鉍、0.15-0.23wt%錳、0.1-0.17wt%鋨、0.1-0.5wt%錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
[0009]作為優(yōu)選，本發(fā)明黃銅合金的組成配比為67.2wt%銅、1.43wt%鉍、0.18wt%錳、0.14wt%鋨、0.37被％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
[0010]通過采用上述技術(shù)方案，添加錳、鋨，使得合金的強度高，加工性能優(yōu)異，其中鋨元素能夠提高合金棒材的表面耐磨性，錳元素可以提高合金的韌性，使得合金棒材能夠承受較大的沖擊力而不發(fā)生斷裂；通過添加錫元素，增加了耐腐蝕性，還具有良好的導(dǎo)電性，可用于生產(chǎn)壓力加工產(chǎn)品，也可以用于生產(chǎn)鑄造產(chǎn)品；添加鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利，鉍略微降低了合金強度，但大幅的改善了黃銅合金棒材的切削性能，使得棒材易于加工成所需的形狀。
[0011]一種制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度黃銅合金棒材的工藝:
①配料:按合金配比配料；
②熔煉:在熔煉爐中投入粗銅后還原劑覆蓋，投入錳和錫后熔劑覆蓋；熔化后再次投入銅和鋅；最后投入鋨和鉍；
③除渣和精煉:待步驟②的銅、鋅開始熔化時投入2/3精煉劑，攪拌合金液使其均勻，停止后撈出渣，在銅合金液表面投入剩余精煉劑進行除渣噴火精煉；再次撈渣；
⑤水平連鑄:選擇模具進行水平連鑄，連鑄水冷并引拉，得到毛棒；拋光鏡面檢測無肉眼可見氣孔、裂紋；
⑥冷拉拔、矯直和定尺鋸切:毛棒在拉拔機進行拉拔，經(jīng)過矯直，得到成品黃銅合金棒材；按需要的尺寸將棒材進行鋸斷。
[0012]通過采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明制備工藝設(shè)計合理，熔煉、除渣、精煉后的液態(tài)合金內(nèi)的雜質(zhì)少；連鑄過程中通過水冷引拉得到表面硬度較高的棒材；合理的控制引拉速度和水冷溫度,使得棒材表面光潔度較高，無裂紋和開裂，棒材表面質(zhì)量高，耐磨性高。
[0013]本發(fā)明進一步設(shè)置為:步驟③中合格樣品轉(zhuǎn)爐流至保溫爐銅水對流攪拌20分鐘。
[0014]通過采用上述技術(shù)方案，對流攪拌使鋨元素能夠均勻排布于液態(tài)銅合金內(nèi)部，避免了鋨元素沉于底部的現(xiàn)象，提高銅合金的強度以及表面硬度和表面耐磨性。
[0015]本發(fā)明進一步設(shè)置為:步驟③中精煉的溫度為980_1020°C，時間15_25分鐘。
[0016]通過采用上述技術(shù)方案，將精煉溫度控制在1000°C左右，使得銅合金內(nèi)的雜質(zhì)與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，降低合金中雜質(zhì)的含量，提高銅合金的耐磨性、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性和其他機械性能。
[0017]本發(fā)明進一步設(shè)置為:步驟④中連鑄冷卻采用水冷，水溫40-45 °C，水流量4-5.3m/min。
[0018]通過采用上述技術(shù)方案，對拉伸過程中的銅棒進行急冷，使得棒材內(nèi)部合金晶粒細(xì)化，能夠得到較高強度的棒材，表面硬度較高。
[0019]本發(fā)明進一步設(shè)置為:步驟④中引拉速度3-3.2m/min,銅棒晶粒度為0.015-0.03mm, α與β相性晶粒比例為3: 1，延伸率大于20%。
[0020]通過采用上述技術(shù)方案，控制引拉速度，使棒材晶粒以α晶粒為主，晶粒度較細(xì)小，棒材的內(nèi)部應(yīng)力小，棒材的硬度和抗拉性能均較高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種高強度黃銅合金棒材實施例的制備工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0022]參照圖1對本發(fā)明一種高強度黃銅合金棒材實施例做進一步說明。
[0023]如圖1所示，一種高強度黃銅合金棒材，其特征在于:黃銅合金的組成配比為67.2wt%銅、1.43wt%鉍、0.18wt%錳、0.14wt%鋨、0.37wt%錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
[0024]其中，高強度黃銅合金棒材的制備工藝為:
①配料:按合金配比配料；
②熔煉:在熔煉爐中投入粗銅后木炭(采用木炭作為還原劑)覆蓋，，投入錳和錫后熔劑覆蓋；熔化后再次投入銅和鋅以控制黃銅中銅鋅比例；最后投入鋨和鉍；
③除渣和精煉:所需的精煉劑的量為黃銅合金液的0.2-0.4%，待步驟②的銅、鋅開始熔化時投入2/3精煉劑，攪拌合金液使其均勻，停止后撈出渣，在銅合金液表面投入剩余精煉劑進行除渣噴火精煉；精煉溫度為1000°C，時間20分鐘，再次撈渣；
④檢驗和控溫:取樣檢測化學(xué)成分合格后，轉(zhuǎn)爐流至保溫爐銅水對流攪拌20分鐘；⑤水平連鑄:選擇石墨模具進行水平連鑄，連鑄冷卻水溫42°C，水流量4.7m/min，引拉速度3.lm/min ;銅棒晶粒度為0.015-0.03mm，α與β相性晶粒比例為3: 1，拋光鏡面檢測無肉眼可見氣孔、裂紋，抗拉強度為290Mpa，延伸率大于20%，得到毛棒；
⑥冷拉拔、矯直和定尺鋸切:毛棒在拉拔機進行拉拔，經(jīng)過矯直，得到成品黃銅合金棒材；按需要的尺寸將棒材進行鋸斷。
[0025]本發(fā)明制備工藝設(shè)計合理，熔煉、除渣、精煉后的液態(tài)合金內(nèi)的雜質(zhì)少；連鑄過程中通過水冷引拉得到硬度較高的棒材；合理的控制引拉速度和水冷溫度，使得棒材表面光潔度較高，無裂紋和開裂，棒材表面質(zhì)量高，通過冷拉拔使得表面硬度進一步增加，耐磨性聞。
[0026]通過添加錫元素，增加了耐腐蝕性，還具有良好的導(dǎo)電性，可用于生產(chǎn)壓力加工產(chǎn)品，也可以用于生產(chǎn)鑄造產(chǎn)品；添加鉍在凝固過程中膨脹，對補縮有利，鉍略微降低了合金強度，但大幅的改善了黃銅合金棒材的切削性能，使得棒材易于加工成所需的形狀。
[0027]錳和鋨共同加入黃銅合金內(nèi)，由于鋨單質(zhì)的共價半徑非常小，當(dāng)鋨熔于黃銅合金液內(nèi)時，鋨單質(zhì)可熔于合金晶體之間的間隙內(nèi)，其次錳的原子半徑次于鋨的共價半徑，當(dāng)在高溫環(huán)境下，鋨與錳共同進入合金晶體間的間隙內(nèi)，形成以鋨為核心的間隙固溶體，并且鋨與錳的共價半徑小于二者原子半徑之和。
[0028]錳和鋨的共同使用可使黃銅合金的機械性能得到綜合的提升，其韌性、硬度、強度和耐磨性均得到提高，加工性能優(yōu)異。其中鋨元素可以能夠提高合金棒材內(nèi)部材質(zhì)的硬度以及表面耐磨性，但是易使黃銅合金棒材變得又硬又脆，若沖擊力過大，很容易使棒材發(fā)生斷裂或是碎裂；而錳元素可以提高合金的韌性，緩解了鋨元素所帶來的硬脆問題，使得棒材能夠承受大量的沖擊力，而僅留下一個沖擊痕跡,避免了棒材的斷裂,使得棒材的機械性能得到大幅提聞。
[0029]同時鋨元素使得棒材表面硬度較高，所形成的氧化鋨膜硬度較高，提高了棒材的耐磨性。但是由于氧化鋨的熔點只有41°C，因此其適用于低溫環(huán)境(溫度低于40°C)或真空無氧環(huán)境。
[0030]其中，步驟③中合格樣品轉(zhuǎn)爐流至保溫爐銅水對流攪拌20分鐘。
[0031]由于鋨單質(zhì)的密度為所有金屬中最重的，鋨元素在黃銅合金內(nèi)以固溶體的形式存在，但也有少量的以單質(zhì)形式存在于合金液體內(nèi)，因此靜置易導(dǎo)致更多的鋨元素以單質(zhì)形式析出液相，溫度降低將導(dǎo)致鋨單質(zhì)析出，則鋨析出液相的速度也將增加，密度較大的鋨單質(zhì)發(fā)生自然沉降，導(dǎo)致成品黃銅合金內(nèi)的鋨含量偏低，因此在保溫爐內(nèi)需對合金液體進行不斷的攪拌，防止鋨單質(zhì)沉降析出，增加鋨以固溶體的形式存在于合金內(nèi)，使合金內(nèi)部均勻排布鋨元素，提高銅合金的強度以及表面硬度和表面耐磨性。
[0032]其中，步驟③中精煉的溫度為1000°C，時間20分鐘。
[0033]將精煉溫度控制在1000°C，使得銅合金內(nèi)的雜質(zhì)與空氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，以金屬氧化物的形態(tài)進入渣中，再用碳?xì)溥€原劑將熔解于銅的氧去除，使得銅的含量更高，降低合金中雜質(zhì)的含量，提高銅合金的耐磨性、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性和其他機械性能。
[0034]其中，步驟④中連鑄冷卻采用水冷，水溫42°C，水流量4.7m/min。
[0035]對拉伸過程中的銅棒進行急冷，紅熱的合金錠晶粒較為細(xì)小，細(xì)小的晶?？梢允菇饘俚臋C械性能各方面都較為良好，急冷能夠使棒材內(nèi)部合金晶粒細(xì)化，得到較高強度的棒材，表面硬度較高。
[0036]其中，步驟④中引拉速度3.lm/min，銅棒晶粒度為0.015-0.03mm, α與β相性晶粒比例為3: I，延伸率大于20%。
[0037]長期以來人們廣泛應(yīng)用的是以α相和α +β相為基的單相或雙相黃銅合金，而對以β相為基的復(fù)雜黃銅研究應(yīng)用較少，對以α相為基的復(fù)雜黃銅研究應(yīng)用則更少，因此以β相為基的新型多元復(fù)雜黃銅，具高強度，優(yōu)良耐磨機制、極高耐介質(zhì)腐蝕能力，更為可貴是其優(yōu)良熱加工性能，在鍛壓各種精密復(fù)雜高強耐磨零件方面，具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢，通過控制引拉的速度，控制引拉過程中晶粒的拉伸度，進而控制α和β相的比例，達(dá)到一定的協(xié)調(diào)作用。
[0038]控制弓丨拉速度，使獲得的晶粒的晶粒度較細(xì)小，棒材的內(nèi)部應(yīng)力小，棒材的硬度和抗拉性能均較高。若引拉的速度過大，則晶粒被拉伸的較為細(xì)長，細(xì)長的晶粒帶來的后果便是晶粒具有方向性，其軸向的抗壓能力遠(yuǎn)大于徑向的抗壓能力，即棒材的抗彎能力較弱，并且引拉的速度過快，很容易導(dǎo)致棒材存在內(nèi)應(yīng)力，產(chǎn)升內(nèi)部裂紋，棒材易斷；其次，若引拉的速度過慢，則生產(chǎn)的效率較低，影響生產(chǎn)速度。因此取引拉速度3.lm/min，所得到的銅棒晶粒度為0.015-0.03mm，α與β相性晶粒比例為3: 1，延伸率大于20%，在不拖累生產(chǎn)效率的同時保證黃銅合金棒材的質(zhì)量。
[0039]以上所述使本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干變型和改進，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高強度黃銅合金棒材，其特征在于:黃銅合金的組成配比為60-70wt%銅、0.1-2.3wt% 鉍、0.05-0.52wt% 錳、0.09-0.35wt% 鋨、0.1-0.85wt% 錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:黃銅合金的組成配比為66-68.7wt% 銅、1.1-1.92wt% 鉍、0.15-0.23wt% 錳、0.1-0.17wt% 鋨、0.1-0.5界七％錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:黃銅合金的組成配比為67.2wt%銅、1.43wt%鉍、0.18wt%錳、0.14wt%鋨、0.37wt%錫，余量為鋅以及不可避免的雜質(zhì)，不可避免的雜質(zhì)總量小于0.5wt%。
4.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度黃銅合金棒材的工藝，其特征是: ①配料:按合金配比配料； ②熔煉:在熔煉爐中投入粗銅后還原劑覆蓋，投入錳和錫后熔劑覆蓋；熔化后再次投入銅和鋅；最后投入鋨和鉍； ③除渣和精煉:待步驟②的銅、鋅開始熔化時投入2/3精煉劑，攪拌合金液使其均勻，停止后撈出渣，在銅合金液表面投入剩余精煉劑進行除渣噴火精煉；再次撈渣； ④檢驗和控溫:取樣檢測化學(xué)成分，合格后，轉(zhuǎn)爐流至保溫爐合金液對流攪拌； ⑤水平連鑄:選擇模具進行水平連鑄，連鑄水冷并引拉，得到毛棒；拋光鏡面檢測無肉眼可見氣孔、裂紋； ⑥冷拉拔、矯直和定尺鋸切:毛棒在拉拔機進行拉拔，經(jīng)過矯直，得到成品黃銅合金棒材；按需要的尺寸將棒材進行鋸斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:步驟③中合格樣品轉(zhuǎn)爐流至保溫爐銅水對流攪拌15-20分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:步驟③中精煉的溫度為980-1020°C，時間 15-25 分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:步驟④中連鑄冷卻采用水冷，水溫 40-45 °C，水流量 4-5.3m/min。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高強度黃銅合金棒材，其特征是:步驟④中引拉速度3-3.2m/min，銅棒晶粒度為0.015-0.03mm，α與β相性晶粒比例為3: 1，延伸率大于20%。
【文檔編號】C22C1/06GK104328305SQ201410642397
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】史立明 申請人:寧波杭橋銅業(yè)有限公司