一种高强度高锌黄铜线材的制备方法
阅读说明：本技术 一种高强度高锌黄铜线材的制备方法 (Preparation method of high-strength high-zinc brass wire ) 是由 叶东皇 郑恩奇 傅杰 巢国辉 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强度高锌黄铜线材的制备方法,其特征在于,该黄铜中Zn的质量百分比组成为40～46wt％,包括以下制备步骤：1)熔炼：按照所需成分进行配料,然后在熔炼炉中进行熔炼,熔炼温度为950～1100℃,待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；2)铸造。本发明针对高锌黄铜高强度要求,通过对焊后的挤压线坯增加一道退火,使挤压线坯焊接接头处的金相组织形貌由单相脆性的β相转变为β+α相,α相塑性优良,解决了挤压线坯焊接接头处在拉伸变形断裂以及经过过线轮、张力轮弯曲时脆断的问题,且该退火温度不影响挤压线坯的原始金相组织,保留了挤压线坯的原始性能,实现抗拉强度能够达到550MPa以上。(The invention discloses a preparation method of a high-strength high-zinc brass wire, which is characterized in that the brass comprises 40-46 wt% of Zn by mass, and comprises the following preparation steps: 1) smelting: proportioning according to required components, smelting in a smelting furnace at 950-1100 ℃, and pouring into a heat preservation furnace for heat preservation after all metals are molten; 2) and (5) casting. Aiming at the high strength requirement of high zinc brass, the invention adds one annealing to the welded extrusion line blank to ensure that the metallographic structure appearance at the welding joint of the extrusion line blank is changed from a single-phase brittle beta phase to a beta + alpha phase, the alpha phase has excellent plasticity, the problems of tensile deformation fracture and brittle fracture when the welding joint of the extrusion line blank passes through a wire passing wheel and a tension wheel are solved, the annealing temperature does not influence the original metallographic structure of the extrusion line blank, the original performance of the extrusion line blank is kept, and the tensile strength can reach more than 550 MPa.)
技术领域
本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种高强度高锌黄铜线材的制备方法。
背景技术
黄铜是由铜和锌所组成的二元合金，其含锌量变化范围较大，因此其室温组织也有很大不同。根据Cu-Zn二元相图，黄铜的室温组织有三种：含锌量在35％以下的黄铜，室温下的显微组织由单相的α固溶体组成，称为α黄铜；含锌量在36％～46％范围内的黄铜，室温下的显微组织由(α+β)两相组成，称为(α+β)黄铜；含锌量超过46％～50％的黄铜，室温下的显微组织仅由β相组成，称为β黄铜。
高锌黄铜中的锌含量达到40～46％，此时黄铜的显微组织由α+β两相组成，随着锌含量的提高，β相比例也随之提高，而β相是一种硬脆相，它的出现使得黄铜变脆。α+β两相黄铜线材的毛坯是由一根根铸锭通过热挤压法生产出来的，后道连续拉伸前需将每根挤压毛坯头尾对焊连接起来。目前遇到的问题是：对于一些抗拉强度要求达到550MPa以上的高锌含量黄铜，需要提高线材拉伸时的总加工率(大于10％)，但是挤压毛坯头尾接头对焊部位在经过拉伸模具以及过线轮、张力轮弯曲时极易出现脆断现象，给连续化生产造成很大的困扰。
铜合金对焊原理是通过大电流让固态金属变成熔融状态而熔接在一起，由于熔接后冷却极快，对于高锌黄铜来说，焊接接头的显微组织几乎全部为β相单相组织，β相是一种硬脆相，使得接头部位材料非常硬脆，在经过拉伸模具时受到拉应力作用而断裂，即使个别接头通过了拉伸模具，在经过过线轮、张力轮时弯曲而断裂。该原因导致现有的高锌黄铜难以实现高强度。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种抗拉强度能够达到550MPa以上的高强度高锌黄铜线材的制备方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种高强度高锌黄铜线材的制备方法，其特征在于，该黄铜中Zn的质量百分比组成为40～46wt％，包括以下制备步骤：
1)熔炼：按照所需成分进行配料，然后在熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为950～1100℃，待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；
2)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸锭规格Φ145～245mm，铸造温度1000～1200℃，牵引速度5～30mm/s；
3)铸锭加热：加热温度为550～740℃；
4)挤压：将加热好的铸锭在挤压机上进行挤压，挤压力5～30MN，压余厚度控制在5～15mm，挤压坯截面积为18～300mm2，同时挤出线坯数量1～2根；
5)对焊：将不同挤压线坯的头尾在对焊机上进行焊接，焊接电压8～11V，焊接电流：300～550A，焊接时间：2～15s，焊接接头处打磨光滑、平整；
6)退火：将焊接后的挤压线坯退火，退火温度为460～490℃，保温30～90min；
7)成品拉伸：在拉丝机上进行成品拉伸得到线材，总加工率控制在10～40％；
8)去应力退火：将线材去应力退火，退火温度230～300℃，保温时间：2～6h。
黄铜热挤压过程中，由于挤压变形使晶粒内部存在形变储存能，系统处于不稳定的高能状态，在热变形随后的等温保持过程中，以变形储存能为驱动力，挤压变形破碎的晶粒再结晶成核和长大而再生成新的晶粒，使系统由高能状态转变为较稳定的低能状态。黄铜热挤压温度在550℃以上，达到黄铜的再结晶温度，所以挤压过程同时完成金属变形和再结晶，挤压坯由高温向常温冷却过程中发生相变β→α，即α相从β相基体中析出，从而呈现α+β双相并存的组织形貌。温度过低，挤压坯靠近尾部因为温度低，动态再结晶不充分，会出现加工硬化而形成的纤维状组织，导致挤压坯在后道工序拉伸变形困难；挤压温度过高，金相组织中β相数量增多，β相性质硬脆，对于高锌黄铜来说，使得拉伸变形更加困难。
挤压线坯的焊接接头处由于冷却极快，金相组织几乎保留了焊接高温时的β相，出现该组织时材料硬而脆，收到外力作用极易脆裂，难以实现后道的冷加工，焊接后的挤压线坯进行中温退火处理即460～490℃，该退火温度能够改善焊接接头处的金相组织形貌，使得焊接接头处出现一定比例的α相，α相是塑性相，它在常温下的塑性远远优于β相，提高对焊部位的塑性，当焊接接头处α相的面积含量在40％以上，可以避免对焊接头部位变形时脆性断裂问题。在相变温度区间进行短时间的中低温退火，由于内部储存能很小，不会发生再结晶，晶粒也很难继续长大，同时由于挤压坯内部组织已经析出一定比例的α相，相比例达到平衡，不会继续大量析出α相，所以挤压坯组织形貌不会发生明显变化，但是在此温度区间停留时间过长，析出的α相数量增多，且会出现逐渐长大而互相连接起来现象，使得合金的强度、硬度变差，在此温度区间停留时间过短，又会出现相变不完全的情况，即析出的α相不均匀，因此，退火温度为460～490℃，保温30～90min。
作为优选，在步骤6)与步骤7)之间设置有酸洗，酸洗液为H2SO4和H2O2混合溶液，其中，H2SO4质量浓度为：20～30％，酸洗后对挤压线坯进行清洁。
作为优选，所述步骤6)中，挤压线坯先冷炉20～30min升温至350～420℃，保温30～90min，再经过10～20min升温至460～490℃，保温60～120min，再降温至300～350℃，保温30～90min，然后出炉在空气中自然冷却至常温。
在相变温度区间以下进行保温一段时间，先使坯料均匀受热，然后再升温至相变温度区间460～490℃退火。第一阶段是先使坯料均匀受热，为第二阶段的相变储蓄能量，第二阶段：在相变温度区间较短时间退火，使对焊接头部位析出α相，设置第三阶段退火原因是：由于第二阶段相变温度区间退火时间短，析出的α相数量较少，缓慢降温至相变温度以下，并在较低温度区间停留一段时间，让α相能够继续析出，但又避免了高温区间保温时间过长，非对焊接头位置的挤压坯α相长大融合，恶化材料的切削性能。
作为优选，所述步骤5)中，打磨后的焊接接头处的直径比线坯规格要细0.1～0.3mm。目的是减小接头过拉伸模具时的摩擦力，避免因摩擦力过大而断裂。
作为优选，所述黄铜的质量百分比组成为Cu：56.5～58.5wt％，Sn：0.1～0.5wt％，Si：0.01～0.3wt％，Fe：0.10～0.5wt％，Ni：0.1～0.5wt％，Pb：≤0.1wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。
该成分范围合金的特点是铜含量低，组员中的锡元素和硅元素的锌当量系数分别为+4和+10，能显著扩大β相区，此外，锡能与铜和锌形成脆性化合物，硅在黄铜中与铜、锌元素分别形成Cu9Si和ZnSi脆性化合物，在改善黄铜切削性能的同时，也使得合金的脆性变大，冷加工变形变得困难，该成分合金属于形变强化型合金，对于抗拉强度要求达到550MPa以上，需通过大加工率拉伸变形才能获得高的强度。通过对挤压线坯退火后实现焊接接头的α相相变，后道采用大的冷加工率最终实现550MPa以上的抗拉强度，作为结构件应用于工程领域。
作为优选，所述步骤6)中，退火后的焊接接头处α相的面积含量在40％以上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对高锌黄铜高强度要求，通过对焊后的挤压线坯增加一道退火，使挤压线坯焊接接头处的金相组织形貌由单相脆性的β相转变为β+α相，α相塑性优良，解决了挤压线坯焊接接头处在拉伸变形断裂以及经过过线轮、张力轮弯曲时脆断的问题，且该退火温度不影响挤压线坯的原始金相组织，保留了挤压线坯的原始性能，实现抗拉强度能够达到550MPa以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的挤压线坯焊接接头处的金相组织；
图2为本发明实施例2的挤压线坯焊接接头处的金相组织。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供3个实施例和一个对比例，具体成分见表1。
实施例1：
高强度高锌黄铜线材的规格为13.8*7.2mm，制备方法以下：
(1)配料：紫铜10wt％、黄铜角料45wt％、回料30wt％，含Sn6.5wt％锡青铜角料4wt％、含Ni17wt％的白铜角料1.2wt％，含Fe50wt％的Cu-Fe中间合金0.5wt％，含Si50wt％的Cu-Si中间合金0.4wt％，锌锭为余量；
(2)熔炼：将紫铜、黄铜角料、回料、锡青铜角料、白铜角料、Cu-Fe中间合金、Cu-Si中间合金、锌锭依次分批加入工频感应电炉内熔炼，熔炼温度为990℃，待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；
(3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸锭规格Φ245mm，铸造温度1030℃，牵引速度15mm/s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度750mm；
(4)铸锭加热：铸锭在燃气加热炉里按装料速度10根/小时进行加热，加热到温度650℃；
(5)挤压：加热好的铸锭在3150T反向挤压机上进行脱皮挤压，挤压力8MN，压余厚度控制在7mm，挤压坯规格为15.4*8.3mm，同时挤出线坯数量1根，盘圆方式收线；
(6)对焊：将每卷挤压线坯头尾各剪除20mm左右长后，将不同挤压线坯的头尾在对焊机上进行焊接，焊接电压8V，焊接电流：480A，焊接时间：12s，焊接接头处用磨光机打磨光滑、平整，焊接接头处打磨后的直径比坯料规格要细0.3mm；
(7)退火：挤压线坯在井式炉采取阶梯式退火，退火工艺：冷炉30min升温至400℃，保温30min，再经过20min升温至490℃，保温90min，再降温至350℃，保温30min，然后出炉在空气中自然冷却至常温。
(8)酸洗：退火后的挤压线坯在“H2SO4+H2O2”酸洗液中进行酸洗，H2SO4质量浓度：23.4％，清除氧化皮后用自来水冲洗后再在皂化液里中和线坯表面附着的残酸；
(9)成品拉伸：挤压坯酸洗后在倒立式拉丝机上进行成品拉伸，加工率控制在22.3％；
(10)去应力退火：拉伸后线坯在井式真空炉进行消除应力退火，退火温度230℃，保温时间：4h；
(11)成品检验、包装、入库。
实施例2：
高强度高锌黄铜线材的规格为9.6*4.8mm，制备方法以下：
(1)配料：紫铜10wt％、黄铜角料45wt％、回料30wt％，含Sn6.5wt％锡青铜角料4wt％、含Ni17wt％的白铜角料1.2wt％，含Fe50wt％的Cu-Fe中间合金0.5wt％，含Si50wt％的Cu-Si中间合金0.4wt％，锌锭为余量；
(2)熔炼：将紫铜、黄铜角料、回料、锡青铜角料、白铜角料、Cu-Fe中间合金、Cu-Si中间合金、锌锭依次分批加入工频感应电炉内熔炼，熔炼温度为1000℃，待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；
(3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸锭规格Φ195mm，铸造温度1020℃，牵引速度10mm/s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度800mm；
(4)铸锭加热：铸锭在燃气加热炉里按装料速度12根/小时进行加热，加热到温度650℃；
(5)挤压：加热好的铸锭在2200T反向挤压机上进行脱皮挤压，挤压力11MN，压余厚度控制在7mm，挤压坯规格为10.7*6.0mm，同时挤出线坯数量2根，盘圆方式收线；
(6)对焊：将每卷挤压线坯头尾各剪除20mm左右长后，将不同挤压线坯的头尾在对焊机上进行焊接，焊接电压10V，焊接电流：450A，焊接时间：5s，焊接接头处用磨光机打磨光滑、平整，焊接接头处打磨后的直径比坯料规格要细0.15mm；
(7)退火：挤压线坯在井式炉采取阶梯式退火，退火工艺：冷炉30min升温至380℃，保温30min，再经过20min升温至480℃，保温60min，再降温至300℃，保温60min，然后出炉在空气中自然冷却至常温。
(8)酸洗：退火后的挤压线坯在“H2SO4+H2O2”酸洗液中进行酸洗，H2SO4质量浓度：28.2％，清除氧化皮后用自来水冲洗后再在皂化液里中和线坯表面附着的残酸；
(9)成品拉伸：挤压坯酸洗后在倒立式拉丝机上进行成品拉伸，加工率控制在23％；
(10)去应力退火：拉伸后线坯在井式真空炉进行消除应力退火，退火温度250℃，保温时间：4h；
(11)成品检验、包装、入库。
实施例3：
高强度高锌黄铜线材的规格为8.8*3.9mm，制备方法以下：
(1)配料：紫铜10wt％、黄铜角料45wt％、回料30wt％，含Sn6.5wt％锡青铜角料4wt％、含Ni17wt％的白铜角料1.2wt％，含Fe50wt％的Cu-Fe中间合金0.5wt％，含Si50wt％的Cu-Si中间合金0.4wt％，锌锭为余量；
(2)熔炼：将紫铜、黄铜角料、回料、锡青铜角料、白铜角料、Cu-Fe中间合金、Cu-Si中间合金、锌锭依次分批加入工频感应电炉内熔炼，熔炼温度为1020℃，待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；
(3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸锭规格Φ195mm，铸造温度1020℃，牵引速度19mm/s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度800mm；
(4)铸锭加热：铸锭在燃气加热炉里按装料速度12根/小时进行加热，加热到温度640℃；
(5)挤压：加热好的铸锭在2200T反向挤压机上进行脱皮挤压，挤压力14MN，压余厚度控制在7mm，挤压坯规格为9.8*4.8mm，同时挤出线坯数量2根，盘圆方式收线；
(6)对焊：将每卷挤压线坯头尾各剪除20mm左右长后，将不同挤压线坯的头尾在对焊机上进行焊接，焊接电压8V，焊接电流：350A，焊接时间：8s，焊接接头处用磨光机打磨光滑、平整，焊接接头处打磨后的直径比坯料规格要细0.15mm；
(7)退火：挤压线坯在井式炉采取阶梯式退火，退火工艺：冷炉30min升温至350℃，保温45min，再经过20min升温至480℃，保温90min，再降温至320℃，保温60min，然后出炉在空气中自然冷却至常温。
(8)酸洗：退火后的挤压线坯在“H2SO4+H2O2”酸洗液中进行酸洗，H2SO4质量浓度：21.5％，清除氧化皮后用自来水冲洗后再在皂化液里中和线坯表面附着的残酸；
(9)成品拉伸：挤压坯酸洗后在倒立式拉丝机上进行成品拉伸，加工率控制在27％；
(10)去应力退火：拉伸后线坯在井式真空炉进行消除应力退火，退火温度250℃，保温时间：4h；
(11)成品检验、包装、入库。
实施例4：
高强度高锌黄铜线材的规格为6.8*3.8mm，制备方法以下：
(1)配料：紫铜10wt％、黄铜角料45wt％、回料30wt％，含Sn6.5wt％锡青铜角料4wt％、含Ni17wt％的白铜角料1.2wt％，含Fe50wt％的Cu-Fe中间合金0.5wt％，含Si50wt％的Cu-Si中间合金0.4wt％，锌锭为余量；
(2)熔炼：将紫铜、黄铜角料、回料、锡青铜角料、白铜角料、Cu-Fe中间合金、Cu-Si中间合金、锌锭依次分批加入工频感应电炉内熔炼，熔炼温度为1000℃，待全部金属熔化后倒入保温炉内保温；
(3)铸造：铜水由结晶器从保温炉内水平连续引出，铸锭规格Φ145mm，铸造温度1040℃，牵引速度24mm/s，铸锭在半自动卧式金属带锯床上进行锯切，锯切长度550mm；
(4)铸锭加热：铸锭在燃气加热炉里按装料速度12根/小时进行加热，加热到温度630℃；
(5)挤压：加热好的铸锭在1250T反向挤压机上进行脱皮挤压，挤压力10MN，压余厚度控制在7mm，挤压坯规格为7.6*4.7mm，同时挤出线坯数量2根，盘圆方式收线；
(6)对焊：将每卷挤压线坯头尾各剪除20mm左右长后，将不同挤压线坯的头尾在对焊机上进行焊接，焊接电压8V，焊接电流：330A，焊接时间：8s，焊接接头处用磨光机打磨光滑、平整，焊接接头处打磨后的直径比坯料规格要细0.15mm；
(7)退火：挤压线坯在井式炉采取阶梯式退火，退火工艺：冷炉30min升温至420℃，保温60min，再经过20min升温至470℃，保温60min，再降温至350℃，保温90min，然后出炉在空气中自然冷却至常温。
(8)酸洗：退火后的挤压线坯在“H2SO4+H2O2”酸洗液中进行酸洗，H2SO4质量浓度：26.3％，清除氧化皮后用自来水冲洗后再在皂化液里中和线坯表面附着的残酸；
(9)成品拉伸：挤压坯酸洗后在倒立式拉丝机上进行成品拉伸，加工率控制在27.6％；
(10)去应力退火：拉伸后线坯在井式真空炉进行消除应力退火，退火温度250℃，保温时间：4h；
(11)成品检验、包装、入库。
对比例的成分与实施例1相同，制备方法与实施例1的不同在于：对焊后省去了对焊后的退火，后续在倒立式拉丝机上进行成品拉伸，总加工率达到10％时焊接接头处断线而无法进行连续化生产，也无法实现550MPa以上的抗拉强度。
从图1可以看出，焊接接头处的金相组织为α+β双相组织，白色的α相呈针状从黑色的β相基体中析出，α相的面积含量达到48.51％，焊接接头处在经过拉伸模具以及过线轮、张力轮弯曲时不会出现脆断的现象，能实现连续化生产。
从图2可以看出，焊接接头处的金相组织为单相β相组织，α相的面积含量仅为5.74％，几乎不可见，焊接接头处在经过拉伸模具以及过线轮、张力轮弯曲时会出现脆断的现象，导致线材无法连续化生产。
表1实施例、对比例的化学成分
表2实施例、对比例的金相组织及力学性能
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