一种易切削黄铜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种易切削黄铜，其特征在于，该黄铜的质量百分比组成为Cu：57～60wt％，Sn：0.02～0.4wt％，Fe：0.01～0.05wt％，Ni：0.03～0.1wt％，Te：0.02～0.15wt％，余量为锌和不可避免的杂质。本发明易切削黄铜添加了Te，沿着晶界和晶内呈弥散质点分布，既能够改善黄铜坯料的塑性，能改善其切削加工性能并增加硬度该黄铜的硬度为170～190HV5，抗拉强度≥600MPa，延伸率为10％以上，切削指数在65％以上，实现了强度与塑形的结合，适用于无铅、无铋且对切削性能具有一定要求的场合。

权利要求

1.一种易切削黄铜的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

1)铸造：按照原料配比进行熔炼，通过连铸的方法得到黄铜坯料，铸造速度为1.5～

2.5m/min；

2)联合拉伸和电磁感应在线退火：黄铜坯料的拉伸速率为300～480m/min，退火温度为

500～700℃，联合拉伸加工率为60％～75％，得到黄铜棒材；

3)拉拔：将黄铜棒材拉拔，加工率为25％～35％；

该黄铜的质量百分比组成为Cu：57～60wt％，Sn：0.02～0.4wt％，Fe：0.01～0.05wt％，Ni：0.03～0.1wt％，Te：0.02～0.15wt％，余量为锌和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的易切削黄铜的制备方法，其特征在于：还包括0.02～0.1wt％的Ce。

3.根据权利要求1所述的易切削黄铜的制备方法，其特征在于：该黄铜的基体相为α相、β相，所述β相的面积比例为20～40％。

4.根据权利要求3所述的易切削黄铜的制备方法，其特征在于：该黄铜的平均晶粒度在

50μm以下，所述β相的平均尺寸在20μm以下，所述β相尺寸在10～15μm的面积含量占β相总面积含量的80％以上。

5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的易切削黄铜的制备方法，其特征在于：该黄铜的硬度为170～190HV5，抗拉强度≥600MPa，延伸率为10％以上。

说明书

一种易切削黄铜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种易切削黄铜及其制备方法。

背景技术

[0002] 铅黄铜是一种被广泛应用于水暖卫浴、电子电器、仪器仪表等领域的易切削铜合金。它具有良好的冷热加工性能、极好的切削性能，能够满足精密仪器各类形状零件的机加
工要求。

[0003] 目前研究发现铅黄铜对人体健康和环境有恶劣的影响。铅黄铜在使用过程中会伴随着铅析出，当铅进入人体会对人体血液和神经系统产生严重的损害，造成智力低下、痴呆
和血铅等严重的后果。此外，铅作为重金属元素对环境也存在较大影响，因此世界各国已经
开始对铅黄铜进行限制使用管制。美国自1998年8月6日起，要求饮用水中铅溶出量不能超
过1.1×10‑3％，日本在2003年规定了日常饮用水中铅含量必须≤0.03mg/L，欧盟的RoHS指
令关于铅含量的豁免期也将于2021年7月到期。目前研究人员针对无铅黄铜也开展了一系
列研究，其中铋黄铜因其良好的切削性能是目前应用最广泛的无铅黄铜之一，但由于铋黄
铜自裂倾向大，废料难回收以及铋元素危害的不确定性等问题都限制着铋黄铜的应用。

[0004] 发明专利CN110117736A公开了一种塑性好耐腐蚀的铋黄铜合金，使用的含较高含量的铋黄铜旧料(用量为10‑50％)，解决了铋黄铜难回收的问题，极大程度上降低了成本。
但该铋黄铜仍无法有效解决因铋元素造成的脆性增加的问题，容易发生开裂，并且废料中
的铋元素含量不可控。发明专利CN202110641982.2公开了一种无铅铋黄铜及其制造工艺，
通过添加锰和稀土RE等多种金属元素来解决铜棒脱锌腐蚀的问题，且具有良好的易切削
性，但该铋黄铜元素含量多，成本较高且易存在铆压开裂的风险。

[0005] 目前国内外对无铅易切削黄铜的研究仍处于探索阶段，市场上的无铅黄铜推广应用仍存在很多需要解决的难题，如何同时做到降低成本和提高切削性能且保证无有害元素
是目前无铅易切削黄铜面临的最大问题。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种易切削黄铜。

[0007] 本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削黄铜，其特征在于，该黄铜的质量百分比组成为Cu：57～60wt％，Sn：0.02～0.4wt％，Fe：0.01～0.05wt％，Ni：
0.03～0.1wt％，Te：0.02～0.15wt％，余量为锌和不可避免的杂质。

[0008] 本发明添加57～60wt％的Cu，当铜含量≤57％时，冷加工性能差，拉拔过程中易发生断裂，且成品延伸率低，实用价值低无法满足下游厂家使用，当铜含量≥60％时，成品β相
比例低，热加工性能不佳，并且会明显提高生产成本。

[0009] 本发明添加0.02～0.4wt％的Sn，其主要作用为增加黄铜的强度同时抑制其发生脱锌，提高耐蚀性能。

[0010] 本发明添加0.01～0.05wt％的Fe，起到细化晶粒的作用，此外还可以保证黄铜获得强度提升且塑形降低不明显。

[0011] 本发明添加0.03～0.1wt％的Ni，Ni元素能够明显地扩大α相区域的范围，促使某些α‑β两相黄铜转变为晶粒细小的α单相黄铜，从而改善黄铜的力学性能和加工性能。

[0012] 本发明添加0.02～0.15wt％的Te，Te在铜锌合金中以Cu2Te化合物的形式融入，可有效阻止氧在铜基体中扩散，对提高抗氧化性能作用明显，且其沿着晶界和晶内呈弥散质
点分布，对位错滑移产生的阻力较小，能有效改善其切削加工性能并增加硬度。此外Te元素
密度较小，有利于降低铜合金的比重，较小的加入量可以起到显著的作用。

[0013] 作为优选，还包括0.02～0.1wt％的Ce。Ce元素几乎不固溶于铜合金材料，其作用是变质和净化，并能与低熔点杂质形成高熔点化合物，消除有害作用，改善铸造线坯的塑
性，减少冷加工的裂纹。

[0014] 作为优选，该黄铜的基体相为α相、β相，所述β相的面积比例为20～40％。

[0015] 作为优选，该黄铜的平均晶粒度在50μm以下，所述β相的平均尺寸在20μm以下，所述β相尺寸在10～15μm的面积含量占β相总面积含量的80％以上。

[0016] 作为优选，该黄铜的硬度为170～190HV5，抗拉强度≥600MPa，延伸率为10％以上。

[0017] 本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种易切削黄铜的制备方法。

[0018] 本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种易切削黄铜的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：

[0019] 1)铸造：按照原料配比进行熔炼，通过连铸的方法得到黄铜坯料，铸造速度为1.5～2.5m/min；

[0020] 2)联合拉伸和电磁感应在线退火：黄铜坯料的拉伸速率为300～480m/min，退火温度为500～700℃，联合拉伸加工率为60％～75％，得到黄铜棒材。

[0021] 3)拉拔：将黄铜棒材拉拔，加工率为25％～35％。

[0022] 采用大加工率联合拉伸工艺，使得材料内部晶粒充分破碎、细化，电磁感应加热升温速度极快，感应加热瞬间温度分布极其均匀，使形核改了加大。同时高速在线退火的保温
时间较短，对比常规工艺的退火工艺可以有效地减少β相→α相转变的时间和趋势，从而保
证β相较高；而且晶粒得不到多余的能量，不会继续长大，从而获得了细化和均匀的晶粒。

[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明易切削黄铜添加了Te，沿着晶界和晶内呈弥散质点分布，既能够改善黄铜坯料的塑性，能改善其切削加工性能并增加硬度该黄
铜的硬度为170～190HV5，抗拉强度≥600MPa，延伸率为10％以上，切削指数在65％以上，实
现了强度与塑形的结合，适用于无铅、无铋且对切削性能具有一定要求的场合。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例1的金相组织。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

[0026] 提供3个实施例和2个对比例，具体成分见表1。实施例采用本发明方法制备：

[0027] 实施例1

[0028] 1)上引连铸工序：将电解铜、铜铁中间合金、青铜边角料、锌白铜边角料、碲铜中间合金、铈铜中间合金、扒皮废料分批次加入到熔铸炉中，覆盖木炭升温融化后加入锌锭，熔
炼温度为1050℃，待完全融化后加入300g清渣剂，搅拌45s，将液面浮渣捞干净后炉前取样
光谱检测，再加入木炭覆盖，覆盖厚度50mm；静止20min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖
厚度85mm；采用上引连铸技术引出毛坯，毛坯规格为 上引速度为2.2m/min，节距
为4mm，进出冷却水温度温差为8℃，水压为0.3MPa；

[0029] 2)扒皮工序：上引坯料通过倒立式盘圆机进行扒皮处理，扒皮量为0.8mm，扒皮速度为0.8m/s；

[0030] 3)联合拉伸和电磁感应在线退火：将上述经过扒皮的上引黄铜通过电磁感应在线退火设备进行拉拔和在线退火，拉伸速率为400m/min，退火温度为650℃，联合拉伸加工率
为67％，留底规格为6mm；

[0031] 4)酸洗工序：将电磁感应在线退火后的黄铜置于含硫酸20％的酸液中浸泡5min，高压水冲洗干净；

[0032] 5)拉拔：将酸洗后黄铜通过倒立式盘圆机进行成品拉伸盘圆，成品规格为4.9mm，加工率为33.3％，成品检验后入库。

[0033] 实施例2

[0034] 1)上引连铸工序：将电解铜、铜铁中间合金、青铜边角料、锌白铜边角料、碲铜中间合金、铈铜中间合金、扒皮废料分批次加入到熔铸炉中，覆盖木炭升温融化后加入锌锭，熔
炼温度为1030℃，待完全融化后加入350g清渣剂，搅拌60s，将液面浮渣捞干净后炉前取样
光谱检测，再加入木炭覆盖，覆盖厚度50mm；静止20min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖
厚度85mm；采用上引连铸技术引出毛坯，毛坯规格为 上引速度为2.1m/min，节距为
3mm，进出冷却水温度温差为10℃，水压为0.4MPa；

[0035] 2)扒皮工序：上引坯料通过倒立式盘圆机进行扒皮处理，扒皮量为0.7mm，扒皮速度为1m/s；

[0036] 3)联合拉伸和电磁感应在线退火：将上述经过扒皮的上引黄铜通过电磁感应在线退火设备进行拉拔和在线退火，拉伸速率为380m/min，退火温度为670℃，拉拔加工率为
69.13％，留底规格为5mm；

[0037] 4)酸洗工序：将电磁感应在线退火后的黄铜置于含硫酸20％的酸液中浸泡5min，高压水冲洗干净；

[0038] 5)拉拔：将二次扒皮上引黄铜通过倒立式盘圆机进行成品拉伸盘圆，成品规格为4.1mm，加工率为32.76％，成品检验后入库。

[0039] 实施例3

[0040] 1)上引连铸工序：将电解铜、铜铁中间合金、青铜边角料、锌白铜边角料、碲铜中间合金、铈铜中间合金、扒皮废料分批次加入到熔铸炉中，覆盖木炭升温融化后加入锌锭，熔
炼温度为1050℃，待完全融化后加入280g清渣剂，搅拌60s，将液面浮渣捞干净后炉前取样
光谱检测，再加入木炭覆盖，覆盖厚度50mm；静止20min后转入保温炉，添加木炭覆盖，覆盖
厚度85mm；采用上引连铸技术引出毛坯，毛坯规格为 上引速度为2.3m/min，节距
为4mm，进出冷却水温度温差为7℃，水压为0.4MPa；

[0041] 2)扒皮工序：上引坯料通过倒立式盘圆机进行扒皮处理，扒皮量为0.8mm，扒皮速度为0.8m/s；

[0042] 3)联合拉伸和电磁感应在线退火：将上述经过扒皮的上引黄铜通过电磁感应在线退火设备进行拉拔和在线退火，拉伸速率为320m/min，退火温度为690℃，拉拔加工率为
65.97％，留底规格为7mm；

[0043] 4)酸洗工序：将电磁感应在线退火后的黄铜置于含硫酸20％的酸液中浸泡5min，高压水冲洗干净；

[0044] 5)拉拔：

[0045] 将二次扒皮上引黄铜通过倒立式盘圆机进行成品拉伸盘圆，成品规格为5.7mm，加工率为33.7％，成品检验后入库。

[0046] 对比例1为铋黄铜HBi59‑1、对比例2为铅黄铜HPb59‑1、对比例3为H62。

[0047] 切削指数计算：与C36000对比，C36000为100％。

[0048] 从表3可以看出，本发明的抗拉强度优于对比例，切削指数在65％以上，切削性能优于对比例1的铋黄铜和对比例2为铅黄铜，且远远高于对比例3的H62，可以替代部分铋黄
铜和铅黄铜，适用于无铅、无铋且对切削性能具有一定要求的场合。

[0049] 表1本发明实施例与对比例合金的化学成分(wt％)

[0050] 编号 Cu Fe Sn Ni Ce Te Zn Bi Pb实施例1 57.85 0.04 0.28 0.08 0.05 0.12 余量 \ \
实施例2 58.41 0.02 0.33 0.05 0.06 0.08 余量 \ \
实施例3 58.85 0.03 0.35 0.07 0.07 0.05 余量 \ \
对比例1 58.5 0.05 0.15 \ \ \ 余量 1.2 \
对比例2 58.3 0.08 \ \ \ \ 余量 \ 1.5
对比例3 60.6 0.09 0.13       余量    

[0051] 表2本发明实施例的微观组织

[0052]

[0053] 表3本发明实施例与对比例的力学性能

[0054]