CN102899525B - 一种高强高韧耐磨复杂黄铜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高强高韧耐磨复杂黄铜及其制备方法，其特征在于其组分配比为：54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。制备方法是将电解铜、铜锰中间合金、铁硅合金、海绵钛、电解镍、电解锌、铅锭、锡锭和金属砷依次加入感应电炉内熔炼再进行铜合金锭浇铸、热挤压、高温退火，最后经拉伸、去应力退火、矫直、抛光后成为成品。本发明组分配比设计科学合理，通过用锰、硅、镍来提高合金的耐磨性能，用铅、锡来提高合金的切削性能，用钛、铁来细化晶粒，用砷来提高合金抗腐蚀性能，使得本发明的复杂黄铜加工性能更好，强度和韧性更高，耐磨性能更加稳定，同时制备方法简单，易于工业化生产。

Description

一种高强高韧耐磨复杂黄铜及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种复杂黄铜合金及其制造方法，特别涉及一种高强度、高韧性、高耐磨性的复杂黄铜及其制造方法。

背景技术

黄铜是铜合金中最重要的合金品种，以低成本高性能著称于世，广泛应用于国民经济的各个领域。复杂黄铜是指在黄铜中加入部分合金元素，以改善和提高黄铜某部分性能而制成的合金。在黄铜中加入锰、硅、铝、铁、铅、锡、镍等合金元素，可以使黄铜具有高强度、高耐磨性、高抗疲劳韧性等性能。

随着国民经济的快速发展，复杂黄铜的应用领域和市场需求迅速扩大，在汽车、液压、自润滑轴承、机械等行业复杂黄铜成为不可或缺的重要零部件材料。近年来，一些使用环境比较恶劣的场合对工程材料提出越来越高的要求，简单黄铜、简单铝黄铜、锰黄铜已经不能满足实际的使用要求，尤其是航空、汽车、液压等工业对耐磨、耐冲蚀、高强度的复杂黄铜有着更加迫切需求。

国外自20世纪六、七十年代就开始研究耐磨复杂黄铜。八十年代初，日本专利局先后公布了2个有关耐磨黄铜的专利：1)耐磨韧性铜合金，专利号：特开昭56-127741，合金成分为Cu：54-66％，Al：1-5％，Mn：1-5％，Si：0.2-1.5％，Ni：0.5-4％，Fe：0.1-2％，Sn：0.2-2％，余量为Zn。2)耐磨韧性铜合金，专利号：特开昭56-133443，合金成分为Cu：54-60％，Al：1-5％，Mn：1-5％，Si：0.2-1.5％，Ni：0.5-4％，Fe：0.1-2％，Sn：0.2-2％，余量为Zn。中国对耐磨复杂黄铜也展开了研究，如专利号：89105212.7，《多元耐磨铜合金》中公布的化学成分为Cu：50-70％，Zn：15-35％，Al：2-8％，Si：1-4％，Mn：4-15％，Sn：2-6％，Co：0.3-0.5％，Be：0.2-1％，Re：0.05-0.2％。这些合金中铝含量较高，材料的室温塑性和韧性都很低，造成在恶劣的工况条件下，材料容易产生疲劳裂纹，使用寿命较短。国内专利中还含有剧毒物质铍(Be)，对人身和环境造成巨大污染。而且，这些合金加工困难，特别是机加工时，磨刀、损刀厉害。

为了提高复杂黄铜韧性、耐磨性和使用寿命，满足不同工况条件对材料的要求，因此，开发一种高强高韧耐磨复杂黄铜及其制造方法势在必行。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强高韧耐磨复杂黄铜，具有高强度、高韧性、高耐磨性、加工性能好，热成型性能佳的特点。

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高强高韧耐磨复杂黄铜的制备方法，制得的复杂黄铜具有高强度、高韧性、高耐磨性、加工性能好，热成型性能佳的特点。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高韧耐磨复杂黄铜，其特征在于其组分配比为：54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

作为优选，其组分配比为：56-60wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-2.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.2-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-0.5wt％铁，0.03-0.10wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种高强高韧耐磨复杂黄铜的制备方法，其特征在于按54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％的组分配比将电解铜、铜锰中间合金、铁硅合金、海绵钛、电解镍、电解锌、铅锭、锡锭和金属砷依次加入感应电炉内熔炼；熔炼温度为1030～1080℃，待全部金属熔化后，保温5-30分钟；进行铜合金锭浇铸，浇铸温度1030～1050℃；然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压；热挤压后的挤压坯在450～600℃下进行高温退火；高温退火后的半成品经拉伸、去应力退火、矫直、抛光后成为成品。

作为优选，所述组分配比为：56-60wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-2.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.2-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-0.5wt％铁，0.03-0.10wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

再优选，所述铜锰中间合金中锰含量为15-30wt％。

再优选，所述的铁硅合金中铁含量为20～40wt％。

最后，所述高温退火温度优选为500～580℃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：组分配比设计科学合理，通过用锰、硅、镍来提高合金的耐磨性能，用铅、锡来提高合金的切削性能，用钛、铁来细化晶粒，用砷来提高合金抗腐蚀性能。本发明的复杂黄铜加工性能更好，强度和韧性更高，耐磨性能更加稳定，并且制备方法简单，易于工业化生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

首先对于本发明的高强高韧耐磨复杂黄铜的各元素组分含量范围的确定作具体说明：

铜：

本发明的高强高韧耐磨复杂黄铜的铜含量是54-62wt％。铜含量低于54wt％时，冷加工性能差，拉拔过程中容易断裂，成品的延伸率低，实用价值低。铜含量高于62wt％时，β相含量低，热加工性能和耐磨性能不佳，而且制造成本增高。

锰、硅和镍：

锰、硅和镍可以形成Mn5Si3Ni2金属间化合物，显微硬度较高，当均匀弥散分布在基体中时可显著提高材料的耐磨性能。当这种金属间化合物低于0.5wt％时，达不到提高耐磨性的目的，且强度较低；当这种金属间化合物高于10％时，材料韧性大幅度降低。此外，锰和镍还可以稳定α相，强化基体。因此，将锰含量控制在0.5-3.5wt％范围，将硅含量控制在0.2-2.0wt％范围，将镍含量控制在0.2-3.5wt％范围。

铅和锡：

铅和锡的作用是提高合金切削性能。铅、锡可以使切屑细小，加工表面光洁度高。当铅和锡都小于0.1wt％时，不能达到满意的切削效果，当铅大于1.0wt％，锡大于0.5wt％时，降低合金的冷加工性能，韧性也降低。同时，锡还可以提高合金的抗海水腐蚀性能。

钛和铁：

钛和铁的主要作用是细化晶粒。钛和铁在凝固过程中作为晶粒形核核心，大大增加形核率，促使晶粒细化。当钛低于0.02wt％，铁低于0.1wt％，形核核心太少，晶粒细化不明显；当钛大于0.2wt％，铁大于1.0wt％，会形成富铁硬化相偏聚在晶界，恶化材料性能，降低韧性。

砷：

砷能固溶在铜中，它的主要作用是改善合金的耐脱锌腐蚀性能。在腐蚀介质中，固溶的砷与合金中的空位缺陷有强烈的相互作用，阻碍锌的优先溶解。当砷含量低于0.03wt％时，不能起到阻碍锌溶解的作用，当砷含量大于0.15wt％时，会增大合金应力腐蚀破裂的敏感性。

因此确定组分配比为：54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％；

优选为56-60wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-2.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.2-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-0.5wt％铁，0.03-0.10wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

接下来具体说明本发明的高强高韧耐磨复杂黄铜的制备方法：

1、制备铜锰和铁硅中间合金。铜锰中间合金的制备方法为：按锰为25wt％其余为铜的配比，在1200～1300℃范围内熔化，并浇铸成铜锰中间合金的铸锭，将此铸锭破碎呈块状备用。铁硅中间合金的制备方法为：按铁∶硅＝1∶3的比例，在1300～1400℃范围内熔化，并浇铸铁硅中间合金的铸锭，将此铸锭破碎呈块状备用。

2、黄铜合金制备方法为：按54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15砷，0.02-0.2钛，余量为锌以及不可避免杂质，不可避免的杂质总量不大于0.1wt％的成分配比，将电解铜、铜锰中间合金、铁硅合金、海绵钛、电解镍、电解锌、铅锭、锡锭和金属砷依次加入感应电炉内熔炼；熔炼温度为1030～1080℃，待金属全部熔化后，将温度提高至1100℃以上，喷火去杂质，喷火完毕，保温5～30分钟；采用立式半连续浇铸，浇铸温度为1030～1050℃，制备出Φ145mm黄铜合金铸锭。然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压；热挤压后的挤压坯在450～600℃下进行高温退火。高温退火后的半成品经拉伸、去应力退火、矫直、抛光后成为成品。

下面将本发明的具体实施例与比较例进行比较，其化学成分如表1所示。

比较例合金选取牌号为CuZn37Mn3Al2PbSi和CuZn38Mn2NiSi的合金。其中比较例1为CuZn37Mn3Al2PbSi合金，比较例2为CuZn38Mn2NiSi的合金。

表1本发明实施例合金与比较例合金的化学成分(wt％)

后续加工工艺为：热挤压→高温退火→拉伸→去应力退火→矫直抛光→检验包装入库。

最后将本发明实施例合金与比较例合金测试性能如下：

1、力学性能

表2为本发明实施例合金与比较例合金的抗拉强度、延伸率和维氏硬度值。

表2实施例与比较例合金的抗拉强度、延伸率和维氏硬度值

材料编号	抗拉强度/MPa	延伸率/％
			实施例1	630～650	12～15
实施例2	670～700	15～18
			实施例3	630～650	17～20
比较例1	590～610	8～10
			比较例2	520～550	10～13

可以看到实施例抗拉强度和延伸率高于比较例合金。

2、耐磨性能

耐磨性能测试在摩擦磨损试验机上进行，测试参数为：

转速：800r/min；载荷：50MPa；润滑油：68#液压油；摩擦副：GCr15轴承钢；总圈数：20000转。

表3发明实施例与比较例合金的耐磨性能

材料编号	摩擦系数	磨损量/um
			实施例1	0.105	343
实施例2	0.085	265
			实施例3	0.090	310
比较例1	0.116	487
			比较例2	0.109	362

可以得出本发明实施例合金耐磨性能明显优于比较例合金。

Claims (7)

1.一种高强高韧耐磨复杂黄铜，其特征在于其组分配比为：54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

2.根据权利要求1所述的高强高韧耐磨复杂黄铜，其特征在于其组分配比为：56-60wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-2.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.2-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-0.5wt％铁，0.03-0.10wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

3.一种高强高韧耐磨复杂黄铜的制备方法，其特征在于按54-62wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-3.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.1-1.0wt％铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-1.0wt％铁，0.03-0.15wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％的组分配比将电解铜、铜锰中间合金、铁硅合金、海绵钛、电解镍、电解锌、铅锭、锡锭和金属砷依次加入感应电炉内熔炼；熔炼温度为1030～1080℃，待全部金属熔化后，保温5-30分钟；进行铜合金锭浇铸，浇铸温度1030～1050℃；然后将铜合金铸锭加热到550～700℃进行热挤压；热挤压后的挤压坯在450～600℃下进行高温退火；高温退火后的半成品经拉伸、去应力退火、矫直、抛光后成为成品。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述组分配比为：56-60wt％铜、0.5-3.5wt％锰，0.2-2.0wt％硅，0.2-3.5wt％镍，0.2-1.0铅，0.1-0.5wt％锡，0.1-0.5wt％铁，0.03-0.10wt％砷，0.02-0.2wt％钛，余量为锌以及不可避免杂质，其中不可避免杂质的总量不大于0.1wt％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述铜锰中间合金中锰含量为15-30wt％。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的铁硅合金中铁含量20～40wt％。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述高温退火温度为500～580℃。