一种黄铜棒材及其制备方法
阅读说明：本技术 一种黄铜棒材及其制备方法 (Brass bar and preparation method thereof ) 是由 欧阳好 舒孟洋 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种黄铜棒材,其特征在于,该黄铜的质量百分比组成为Cu：57wt％～59wt％,Pb：0.2wt％～0.8wt％,Mn：1.5wt％～3.0wt％,Al：1.3wt％～2.3wt％,Si：0.2wt％～0.8wt％,P：0.5wt％～0.8wt％,Ca：0.4wt％～0.6wt％,Ni：0.4wt％～1.0wt％,B：0.01wt％～0.03wt％,余量为Zn和不可避免的杂质。本发明通过在CW713R的基础上增加P、Ca、B、Ni,基体中第二相含量的增加,从而使得基体组织的连续性被切断,当刀具进行加工的时候,可以减少同基体的接触,减少加工阻力,切削性得到优化,第二相的存在提高了基体的强度、硬度,使得材料的整体强度提升。(The invention discloses a brass bar which is characterized by comprising the following components in percentage by mass: 57 wt% -59 wt%, Pb: 0.2 wt% -0.8 wt%, Mn: 1.5 wt% -3.0 wt%, Al: 1.3 wt% -2.3 wt%, Si: 0.2 wt% -0.8 wt%, P: 0.5 wt% -0.8 wt%, Ca: 0.4 wt% -0.6 wt%, Ni: 0.4 wt% -1.0 wt%, B: 0.01 wt% to 0.03 wt%, and the balance of Zn and unavoidable impurities. According to the invention, P, Ca, B and Ni are added on the basis of CW713R, so that the content of the second phase in the matrix is increased, the continuity of the matrix structure is cut off, when a cutter is used for machining, the contact with the matrix can be reduced, the machining resistance is reduced, the machinability is optimized, and the strength and the hardness of the matrix are improved due to the existence of the second phase, so that the overall strength of the material is improved.)
技术领域
本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种黄铜棒材及其制备方法。
背景技术
CW713R是一款耐磨复杂黄铜，主要用于柱塞泵、浮动轴承、止推轴承、气门导管等领域，由于其对合金基体的强度、韧性有较高的要求，而且要求在基体上必须均匀、稳定地分布有硬度极高的耐磨相。在硬度极高的耐磨相和硬度相对较低的基体间形成优良的耐磨机制，同时也有利于在摩擦时建立稳定的润滑层，使材料在高速、重载的恶劣工况下，能有效地抵抗载荷的冲击及剧烈的磨损作用，具有良好的高强、耐磨特性，生产技术难度较大，附件值较高，虽然市场总体需求量不大，大部分还需要进口，但由于国内生产厂家较少，基本上被少数厂家垄断，加上下游行业发展前景看好，因此本项目产品市场前景比较乐观。
现有的CW713R基体相较软，不利于切削，且因为CW713R含有硬度极高的耐磨相，在耐磨相团聚在基体内时，极易损刀，导致CW713R整体的机加工性能不好。
因此，针对现有CW713R材料的切削性能需要进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种硬度提高的同时切削性能得到改善的黄铜棒材。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜棒材，其特征在于，该黄铜的质量百分比组成为Cu：57wt％～59wt％，Pb：0.2wt％～0.8wt％，Mn：1.5wt％～3.0wt％，Al：1.3wt％～2.3wt％，Si：0.2wt％～0.8wt％，P：0.5wt％～0.8wt％，Ca：0.4wt％～0.6wt％，Ni：0.4wt％～1.0wt％，B：0.01wt％～0.03wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。
本发明添加0.5wt％～0.8wt％的P、0.4wt％～0.6wt％的Ca，Ca、P与Cu、Zn等形成复杂结构，即Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、Ca4Cu3Zn2P5这三种四元化合物，是脆而不硬的金属间化合物，从而改善了黄铜合金的切削性能。Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、Ca4Cu3Zn2P5这三种四元化合物可以切断基体组织的连续性，降低加工过程的阻力，同时可以形成空穴，增加微观裂纹的萌生几率，多重原因提高切削性。
B：主要作用是细化晶粒，增加异质形核核心数量，晶粒的数量增加反向可以抑制晶粒的长大，使得晶粒细化，细晶可以提高材料的强度，有利于第二相均匀分布，增加断屑点，提高切削性能
Ni：主要和Si作用，形成Ni2Si析出强化相，提高材料的强度和硬度，改善材料的硬度需求。
作为优选，该黄铜的微观组织中β相的面积含量为40％～60％。β相控制在该范围内，基体的硬度增加，基体硬度的增加提高了基体的切削性能。
作为优选，该黄铜的微观组织中含有CaCuZnP析出物，所述CaCuZnP析出物的面积含量为0.05％～0.2％。CaCuZnP析出物主要呈颗粒状，会均匀分布在基体上，从而使得基体组织的连续性被切断，当刀具进行加工的时候，可以减少同基体的接触，减少加工阻力，切削性得到优化，CaCuZnP析出物为低熔点析出相，在机加工工程中高温会熔化该四元化合物，形成空缺，导致周围应力聚集，位错产生，聚集，长大，最终会导致微观裂纹的萌生，并且不断扩展，在切削时，切削屑会断料，不会连续，最终表现为后道的加工时断屑是细小，月牙状。
作为优选，该黄铜棒材的平均晶粒度为40um以下。
作为优选，该黄铜棒材的抗拉强度为630MPa以上，硬度为70HRB以上，延伸率为10％以上，切削性为HPb59-1的70％以上。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种黄铜棒材的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜棒材的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
1)熔炼：先将电解板加入炉内，待电解板熔化后，将电压提高到550V～650V，用木炭覆盖液面，覆盖高度5mm以上，温度达到1100℃～1150℃，将金属铝、锰、硅、铅依次加入铜水中，熔化后搅拌，电压打到350V～450V，温度降低到980℃～1020℃，将锌加入铜水中，熔化后保温1～3min，将铜磷合金，铜钙合金，金属镍一并用压勺加入铜液内，保持1～5min，电压打到550V～650V，温度升到1020℃～1080℃，喷火，完成喷火后，加入铜硼合金，化验合金元素成分，调配直到成分合格；
2)水平连铸：铸造温度在1020～1080℃，拉铸速度8mm/s～20mm/s，一次冷却水压力0.2～0.4MPa，得到铸坯；
3)刨皮：对铸坯进行刨皮得到棒材；
4)成品退火：将棒材退火，退火温度在250℃～400℃，保温时间在60min～120min。
在250℃～400℃进行成品退火，成品退火采用低温，一定时间保温，主要用于消除铸造应力，在铸造过程中由于材料冷却结晶处于非平衡结晶，材料内部会存在组织内应力，如果在加工前未将其消除容易导致材料自裂，尤其在恶劣的环境中使用，容易由于腐蚀，最终导致开裂失效。
作为优选，所述步骤1)中，铜磷合金中磷的质量含量为5～10％，铜钙合金中钙的质量含量为8～15％，铜硼合金中硼的质量含量为3～7％。
作为优选，所述步骤2)中，在距离结晶器出口100mm～250mm处设二次冷却水，控制铸坯在结晶器内的结晶前沿与出结晶器的温差在700～900℃。本发明黄铜以α相、β相为基体相，第二相包括CaCuZnP(Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、Ca4Cu3Zn2P5)，Ni2Si、Ca、Cu3P，在高温阶段(高于700℃)材料β相稳定，如何让β相稳定进入室温组织，就需要加快冷却速度，避免β相向β"和α相转变，通过出口强烈冷却可以获得高温β相组织，通过增加二次冷却水，控制铸坯在结晶器内的结晶前沿与出结晶器的温差在700～900℃，β相比例增加提高材料的硬度，同时切削加工更容易断屑，机加工性能得到优化。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过在CW713R的基础上增加P、Ca、B、Ni，形成了CaCuZnP(Ca2CuZn2P3、Ca3Cu2Zn2P4、Ca4Cu3Zn2P5)，Ni2Si、Ca、Cu3P等第二相，基体中第二相含量的增加，从而使得基体组织的连续性被切断，当刀具进行加工的时候，可以减少同基体的接触，减少加工阻力，切削性得到优化，且CaCuZnP析出物为低熔点析出相，在机加工工程中高温会熔化该四元化合物，形成空缺，导致周围应力聚集，位错产生，聚集，长大，最终会导致微观裂纹的萌生，并且不断扩展，在切削时，切削屑会断料，不会连续，最终表现为后道的加工时断屑是细小，月牙状。第二相的存在提高了基体的强度、硬度，使得材料的整体强度提升。
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。
实施例1
黄铜棒材的质量百分比组成为Cu：58.16wt％，Pb：0.73wt％，Mn：2.25wt％，Al：2.05wt％，Si：0.55wt％，P：0.65wt％，Ca：0.55wt％，Ni：0.75wt％，B：0.015wt％，余量为Zn。
本实施例的制备步骤为：
1)熔炼：先将电解板加入炉内，待电解板熔化后，将电压提高到600V，用木炭覆盖液面，覆盖高度5mm以上，温度达到1100℃～1150℃，将金属铝、锰、硅、铅依次加入铜水中，熔化后搅拌，电压打到400V，温度降低到980℃～1020℃，将锌加入铜水中，熔化后保温3min，将铜磷合金(磷的质量含量为7％)，铜钙合金(钙的质量含量为10％)，金属镍一并用压勺加入铜液内，保持3min，电压打到600V，温度升到1020℃～1080℃，喷火，完成喷火后，加入铜硼合金(硼的质量含量为5％)，化验合金元素成分，调配直到成分合格；
2)水平连铸：铸造温度在1020～1080℃，拉铸速度10mm/s，一次冷却水压力0.3MPa，在距离结晶器出口200mm处设二次冷却水，控制铸坯在结晶器内的结晶前沿与出结晶器的温差在800℃，得到φ15.5mm铸坯；
3)刨皮：φ15.5mm-φ15.2mm-φ15mm，得到棒材；
4)成品退火：将棒材退火，退火温度在300℃，保温时间在60min。
实施例2
黄铜棒材的质量百分比组成为Cu：58.85wt％，Pb：0.75wt％，Mn：1.98wt％，Al：1.48wt％，Si：0.66wt％，P：0.61wt％，Ca：0.51wt％，Ni：0.65wt％，B：0.02wt％，余量为Zn。
本实施例的制备步骤为：
1)熔炼：先将电解板加入炉内，待电解板熔化后，将电压提高到610V，用木炭覆盖液面，覆盖高度5mm以上，温度达到1100℃～1150℃，将金属铝、锰、硅、铅依次加入铜水中，熔化后搅拌，电压打到410V，温度降低到980℃～1020℃，将锌加入铜水中，熔化后保温3min，将铜磷合金(磷的质量含量为7％)，铜钙合金(钙的质量含量为10％)，金属镍一并用压勺加入铜液内，保持3min，电压打到600V，温度升到1020℃～1080℃，喷火，完成喷火后，加入铜硼合金(硼的质量含量为5％)，化验合金元素成分，调配直到成分合格；
2)水平连铸：铸造温度在1020～1080℃，拉铸速度15mm/s，一次冷却水压力0.4MPa，在距离结晶器出口150mm处设二次冷却水，控制铸坯在结晶器内的结晶前沿与出结晶器的温差在750℃，得到φ31mm铸坯；
3)刨皮：得到棒材；
4)成品退火：将棒材退火，退火温度在400℃，保温时间在60min。
实施例3
黄铜棒材的质量百分比组成为Cu：58.65wt％，Pb：0.65wt％，Mn：2.01wt％，Al：1.58wt％，Si：0.65wt％，P：0.66wt％，Ca：0.57wt％，Ni：0.75wt％，B：0.02wt％，余量为Zn。
本实施例的制备步骤为：
1)熔炼：先将电解板加入炉内，待电解板熔化后，将电压提高到600V，用木炭覆盖液面，覆盖高度5mm以上，温度达到1100℃～1150℃，将金属铝、锰、硅、铅依次加入铜水中，熔化后搅拌，电压打到400V，温度降低到980℃～1020℃，将锌加入铜水中，熔化后保温3min，将铜磷合金(磷的质量含量为7％)，铜钙合金(钙的质量含量为10％)，金属镍一并用压勺加入铜液内，保持3min，电压打到600V，温度升到1020℃～1080℃，喷火，完成喷火后，加入铜硼合金(硼的质量含量为5％)，化验合金元素成分，调配直到成分合格；
2)水平连铸：铸造温度在1020～1080℃，拉铸速度12mm/s，一次冷却水压力0.4MPa，在距离结晶器出口100mm处设二次冷却水，控制铸坯在结晶器内的结晶前沿与出结晶器的温差在750℃，得到φ51mm铸坯；
3)刨皮：得到棒材；
4)成品退火：将棒材退火，退火温度在350℃，保温时间在120min。
对比例为：Cu：58.10wt％，Pb：0.75wt％，Mn：2.27wt％，Al：2.01wt％，Si：0.55wt％，余量为Zn。
室温拉伸试验按照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。
硬度采用《GB/T 231.3-2021》进行检测。
切削性能检测：将HPb59-1切削性定义为100％，本实施例的切削性能对照HPb59-1。
从表1可以看出，本实施例的β相的面积含量高于对比例，平均晶粒度低于对比例，从表2可以看出，本实施例的综合力学性能优于对比例，切削性能远高于对比例。
表1本发明实施例和对比例的微观组织
表2本发明实施例和对比例的性能
编号
抗拉强度/MPa
延伸率/％
硬度/HRB
切削性能/％
实施例1
650
15
75
85
实施例2
665
15
77
89
实施例3
670
13
79
90
对比例
620
10
65
50
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种耐腐蚀高锰铝青铜合金及其制备方法