一种环保易切削青铜合金加工工艺转让专利
申请号 : CN200810230735.8
文献号 : CN101381825B
文献日 : 2010-04-14
发明人 : 娄花芬 , 孙飞涛 , 符学智 , 赵万花 , 郭丽娜 , 梁成斌 , 任玉波
申请人 : 中铝洛阳铜业有限公司
摘要 :
一种环保易切削青铜合金加工工艺包含配料、熔炼、精炼、分析、铸造、矫直、锯切、检查、包装入库，按重量百分比取Sn2.0～10.0、Zn3.0～12.0、Bi2.0～8.0或Bi2.0～8.0+Ni0.1～0.5、(Pb、Sb、Fe、P、S、Si、Al)不可避免杂质≤0.5％、Cu余量。将Cu或Cu+Ni投入熔炼炉进行熔炼，溶化后添加Sn、Bi、Zn，液面覆盖煅烧木炭，全部熔化后升温精炼，温度1100～1250℃，时间10～30分钟，搅拌取样后再进行水平连续铸造，结晶器为水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140～1220℃、速度15～30米/小时，冷却水压0.01～0.05MPa。
权利要求 :
1.一种环保易切削青铜合金加工工艺包含配料、熔炼、精炼、分析、铸造、矫直、锯切、检查、包装入库，其特征在于：该加工工艺中的配料、熔炼、精炼、分析、铸造分述如下：I、配料
按重量百分比取Sn2.0～10.0，Zn3.0～12.0，Bi2.0～8.0或Bi2.0～8.0+Ni0.1～0.5，不可避免杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和≤0.5％，Cu余量进行配料；
II、熔炼
先将Cu或Cu+Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Cu+Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面覆盖采用煅烧木炭作覆盖剂；
III、精炼
待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1100～1250℃，精炼时间10～30分钟；
IV、分析
搅拌取样做化学成份分析看是否符合配料比重；
V、铸造
取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140～1220℃，在铸造速度15～30米/小时下拉1～5秒停1～5秒，冷却水压0.01～0.05MPa。
说明书 :
技术领域
本发明属于有色金属技术领域，尤其涉及到一种环保易切削青铜合金加工工艺。
背景技术
锡锌铅青铜合金由于具有好的铸造性能、耐磨性、耐腐蚀和易切削加工性能，主要用于机械轴承、汽车器件等领域，加工耐磨耐腐蚀零件，如轴瓦、轴套、缸套、活塞离合器、摩擦片等。
近年来随着我国经济的持续高速增长，特别是机械制造行业的快速发展使得锡锌铅青铜材料需求量逐年稳步增长。但是，铜合金中的铅在起着改善材料切削性能的同时，却有着因为污染环境、对人体有害原因而要被逐步取代的问题。自从1992年世界卫生组织(WTO)在饮用水指标中规定“饮用水中的铅含量最好在0.01mg/L以下”以来，无铅易切削铜合金的需求和研究已从建筑、供水器具业向机械制造等多种行业蔓延开来。近年来，世界各国不断有易切削铜合金或环保铜合金问世。其中，采用铋替代铅开发的易切削铜合金成为一个重要的研究方向。但铋资源有限且价格昂贵，而且含铋的铜合金存在的铸造性能、易切削性能、机械性能不能同时兼顾问题。
近年来随着我国经济的持续高速增长，特别是机械制造行业的快速发展使得锡锌铅青铜材料需求量逐年稳步增长。但是，铜合金中的铅在起着改善材料切削性能的同时，却有着因为污染环境、对人体有害原因而要被逐步取代的问题。自从1992年世界卫生组织(WTO)在饮用水指标中规定“饮用水中的铅含量最好在0.01mg/L以下”以来，无铅易切削铜合金的需求和研究已从建筑、供水器具业向机械制造等多种行业蔓延开来。近年来，世界各国不断有易切削铜合金或环保铜合金问世。其中，采用铋替代铅开发的易切削铜合金成为一个重要的研究方向。但铋资源有限且价格昂贵，而且含铋的铜合金存在的铸造性能、易切削性能、机械性能不能同时兼顾问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种环保易切削青铜合金加工工艺，该加工工艺是在Cu-Sn-Zn元素中添加Bi构成Cu-Sn-Zn-Bi的青铜合金或再添加镍元素构成Cu-Sn-Zn-Bi-Ni的青铜合金；由于Pb是作为不可避免的杂质元素，所以在合金中含量极低，与其它不可避免的Sb、Fe、P、S、Si、Al共同构成杂质元素含量；该加工工艺流程短，生产成本低。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
所述的环保易切削青铜合金加工工艺包含配料、熔炼、精炼、分析、铸造、矫直、锯切、检查、包装入库，其中配料、熔炼、精炼、分析、铸造加工工艺分述如下：
I、配料
按重量百分比取Sn2.0～10.0，Zn3.0～12.0，Bi2.0～8.0或Bi2.0～8.0+Ni0.1～0.5，不可避免杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和≤0.5％，Cu余量进行配料；
II、熔炼
先将Cu或Cu+Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Cu+Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面覆盖采用煅烧木炭作覆盖剂；
III、精炼
待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1100～1250℃，精炼时间10～30分钟；
IV、分析
搅拌取样做化学成份分析看是否符合配料比重；
V、铸造
取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140～1220℃，在铸造速度15～30米/小时下拉1～5秒停1～5秒，冷却水压0.01～0.05MPa。
由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、本发明具有较好的铸造性能，不易采用热加工(热轧、挤压、锻造易开裂)，故后续工艺可采用：水平连铸-矫直-定尺锯切-检查-包装入库等。
2、本发明加工制作的锡锌铋青铜合金或锡锌铋镍青铜合金材料，属于环保型铜合金，工艺简单，质量好，合金力学性能：抗拉强度Rm≥240MPa、规定非比例延伸强度Rp0.2≥120MPa、伸长率A≥15％、硬度HB≥50、切削性能：等于或略低于锡锌铅青铜的切削性能，是良好的锡锌铅青铜合金替代品。
3、本发明的加工工艺流程短，生产成本低。若表面要求严格的话，还可以在矫直与定尺锯切工序之间增加扒皮拉伸或磨光工序。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
所述的环保易切削青铜合金加工工艺包含配料、熔炼、精炼、分析、铸造、矫直、锯切、检查、包装入库，其中配料、熔炼、精炼、分析、铸造加工工艺分述如下：
I、配料
按重量百分比取Sn2.0～10.0，Zn3.0～12.0，Bi2.0～8.0或Bi2.0～8.0+Ni0.1～0.5，不可避免杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和≤0.5％，Cu余量进行配料；
II、熔炼
先将Cu或Cu+Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Cu+Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面覆盖采用煅烧木炭作覆盖剂；
III、精炼
待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1100～1250℃，精炼时间10～30分钟；
IV、分析
搅拌取样做化学成份分析看是否符合配料比重；
V、铸造
取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140～1220℃，在铸造速度15～30米/小时下拉1～5秒停1～5秒，冷却水压0.01～0.05MPa。
由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
1、本发明具有较好的铸造性能，不易采用热加工(热轧、挤压、锻造易开裂)，故后续工艺可采用：水平连铸-矫直-定尺锯切-检查-包装入库等。
2、本发明加工制作的锡锌铋青铜合金或锡锌铋镍青铜合金材料，属于环保型铜合金，工艺简单，质量好，合金力学性能：抗拉强度Rm≥240MPa、规定非比例延伸强度Rp0.2≥120MPa、伸长率A≥15％、硬度HB≥50、切削性能：等于或略低于锡锌铅青铜的切削性能，是良好的锡锌铅青铜合金替代品。
3、本发明的加工工艺流程短，生产成本低。若表面要求严格的话，还可以在矫直与定尺锯切工序之间增加扒皮拉伸或磨光工序。
具体实施方式
实施例1：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡4％、锌3％、铋3％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.5％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1100℃，精炼时间10分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140℃，在铸造速度15米/小时下拉1秒停1秒，冷却水压0.01MPa。
实施例2：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡6％、锌5％、铋6％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.3％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1800℃，精炼时间15分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1180℃，在铸造速度23米/小时下拉3秒停3秒，冷却水压0.03MPa。
实施例3：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡10.0％、锌12.0％、铋8％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.2％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1250℃，精炼时间30分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1220℃，在铸造速度303米/小时下拉5秒停5秒，冷却水压0.05MPa。
实施例4：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡4％、锌3％、铋2.0％+镍0.1％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.5％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例1。
实施例5：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡5％、锌4％、铋6.0％+镍0.3％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.3％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例2。
实施例6：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡6％、锌5％、铋8.0％+镍0.5％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.2％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例3。
上述实施例中后续工艺采用：
矫直：采用七辊矫直机对棒材进行直度矫直；
锯切：采用园盘锯对成品棒材按合同要求进行锯切；
检查：对锯切的棒材进行化学成份、力学性能、切削性能检查；
包装入库：对检查合格后的棒材进行包装入库。
本发明中各合金元素作用分述如下：
铜：具有极高的导电、导热性能及良好的耐蚀性，在锡锌铋青铜中重量比最高。
锡：含锡的铜合金具有较强的抗蚀性和耐磨性，其力学性能高与工艺性能相当好且无磁性，冲击时不产生火花，但易吸气和产生偏析，为了保证强度和塑性，其含量不宜太高，宜控制在2.0～10.0％范围内。
锌：锌是铜合金中重要添加元素之一，能提高含锡铜合金的流动性，缩小结晶温度区间，减轻偏析和排气，但又不宜添加过多，否则会使合金性能达不到理想要求，其含量应控制在3.0～12.0％范围内。
铋：熔点较低，在铜合金基体中的固溶度极小，具有促进合金最后凝固部分的枝晶之间金属液补给的作用，有效减少铜合金的铸造缺陷，改善合金的切削性，作为铅的替代元素对人体无害。由于铋以单质状态存在于晶界，含量过高会造成塑性偏低及其他组织缺陷，严重影响合金性能；含量过低则达不到所要求合金性能条件，所以其含量应严格控制在2～8％之间。
镍：提高合金的抗蚀性与韧性，其含量严格控制在0.1～0.5％之间。
由于不添加铅，作为杂质含量中的铅极低，并且不可避免的杂质元素如Pb、Sb、Fe、P、S、Si、Al等严格控制为≤0.5％。
配料：按重量百分比进行配料，其中锡4％、锌3％、铋3％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.5％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1100℃，精炼时间10分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1140℃，在铸造速度15米/小时下拉1秒停1秒，冷却水压0.01MPa。
实施例2：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡6％、锌5％、铋6％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.3％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1800℃，精炼时间15分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1180℃，在铸造速度23米/小时下拉3秒停3秒，冷却水压0.03MPa。
实施例3：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡10.0％、锌12.0％、铋8％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.2％、铜余量。
熔炼：先将Cu投入熔炼炉进行熔炼，待Cu溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
精炼：待原料全部熔化后升温进行精炼，精炼温度1250℃，精炼时间30分钟。
分析：搅拌取样做化学成份分析。
铸造；取样分析合格后进行水平连续铸造，结晶器采用水冷结晶器内衬高纯石墨套，铸造温度1220℃，在铸造速度303米/小时下拉5秒停5秒，冷却水压0.05MPa。
实施例4：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡4％、锌3％、铋2.0％+镍0.1％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.5％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例1。
实施例5：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡5％、锌4％、铋6.0％+镍0.3％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.3％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例2。
实施例6：制作Φ16.8×2000mm青铜合金棒材
配料：按重量百分比进行配料，其中锡6％、锌5％、铋8.0％+镍0.5％、不可避免的杂质Pb+Sb+Fe+P+S+Si+Al之和为0.2％、铜余量。
熔炼：先将Cu或Ni投入熔炼炉进行熔炼，待Cu或Ni溶化后再添加Sn、Bi、Zn，液面由煅烧木炭作覆盖剂。
其它工艺同实施例3。
上述实施例中后续工艺采用：
矫直：采用七辊矫直机对棒材进行直度矫直；
锯切：采用园盘锯对成品棒材按合同要求进行锯切；
检查：对锯切的棒材进行化学成份、力学性能、切削性能检查；
包装入库：对检查合格后的棒材进行包装入库。
本发明中各合金元素作用分述如下：
铜：具有极高的导电、导热性能及良好的耐蚀性，在锡锌铋青铜中重量比最高。
锡：含锡的铜合金具有较强的抗蚀性和耐磨性，其力学性能高与工艺性能相当好且无磁性，冲击时不产生火花，但易吸气和产生偏析，为了保证强度和塑性，其含量不宜太高，宜控制在2.0～10.0％范围内。
锌：锌是铜合金中重要添加元素之一，能提高含锡铜合金的流动性，缩小结晶温度区间，减轻偏析和排气，但又不宜添加过多，否则会使合金性能达不到理想要求，其含量应控制在3.0～12.0％范围内。
铋：熔点较低，在铜合金基体中的固溶度极小，具有促进合金最后凝固部分的枝晶之间金属液补给的作用，有效减少铜合金的铸造缺陷，改善合金的切削性，作为铅的替代元素对人体无害。由于铋以单质状态存在于晶界，含量过高会造成塑性偏低及其他组织缺陷，严重影响合金性能；含量过低则达不到所要求合金性能条件，所以其含量应严格控制在2～8％之间。
镍：提高合金的抗蚀性与韧性，其含量严格控制在0.1～0.5％之间。
由于不添加铅，作为杂质含量中的铅极低，并且不可避免的杂质元素如Pb、Sb、Fe、P、S、Si、Al等严格控制为≤0.5％。