銅合金材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬冶煉技術領域，尤其涉及一種銅合金材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 多元復雜銅合金材料具有優異的綜合性能，廣泛用于工程機械、汽車等行業。隨著 這些行業對材料性能要求的不斷提高，開發出具有良好的綜合性能，如較高的抗拉強度，屈 服強度，良好的塑性，可靠硬度，較好的切肩性能尤其是在高溫下或有油環境等復雜運用環 境中具備較好綜合性能的材料成為當務之急。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是：針對現有技術的不足，提供一種抗拉強度、屈服強度、延伸率、硬 度高且同時具有較好的切肩性能的銅合金基體材料及其制備方法。
[0004] 為了達到上述目的，本發明提供了一種銅合金材料，其由以下質量百分比的元素 組成：
[0005] Cu60. 5 ~62. 0% ;
[0006] Μη 2.1 ~2. 7%;
[0007] Si 0· 7 ~1. 2% ;
[0008] Pb 0· 5 ~1. 1% ;
[0009] Ni 0· 1 ~0· 5% ;
[0010] A1 0· 01 ~0· 3% ;
[0011] Fe0· 01 ~0· 3% ;
[0012] 其它不可避免的雜質< 0.6% ;
[0013] 余直為Zn。
[0014] 另一方面，本發明提供了所述的銅合金材料的制備方法，其包括以下步驟：
[0015] 步驟A，提供Cu塊、Pb塊、Zn塊、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn 合金原料，以及肩料；
[0016] 步驟B，往中頻電爐中加入部分肩料、精煉劑和Cu塊，升溫熔化；
[0017] 步驟C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金與Cu-Mn合金，同時預熱Zn塊；
[0018] 步驟D，待全部熔化后，降溫至950~1000°C，加入Pb塊、Zn塊和Cu-P合金；
[0019] 步驟E，精煉除渣后將溫度調整至1080°C以上，將銅液轉到保溫爐，保溫爐溫度控 制在1020~1120°C，進行立式半連鑄。
[0020] 本發明的有益效果如下：
[0021] Μη:在以銅鋅為基體的材料中添加適量的Μη元素，可提高材料強度、硬度、耐磨 性、耐腐蝕性、熱穩定性及強度；
[0022] Si:在以銅鋅為基體的材料中添加適量的Si元素，可提高合金的強度、硬度、耐磨 性、耐腐蝕性，同時增加銅液的流動性，減少縮松產生，提高鑄造質量；
[0023] Pb:在材料中添加適量的Pb元素，可提高材料切削加工性能，減小磨擦因數，保證 其后續針對液壓、工程機械和汽車行業進行精密加工時，具有更好的加工性能，更易達到更 好的精度等級；
[0024] A1 :在本材料中，必須嚴格控制A1的含量。主要原因是在黃銅合金材料中， Al-Mn-Si三元強化相和Mn-Si二元強化相都具有提高材料硬度、強度和耐磨性的功能。但 A1元素的加入，會導致材料硬度的大幅提升，從而降低材料塑性；此外，對于鑄造、擠壓態 的銅合金材料，采取后續冷拉塑性變形，進一步細化材料晶粒，優化材料性能。因此，必須抑 制A1元素的含量，使其只產生Mn-Si二元強化相；
[0025] Fe:Fe元素可提高材料強度、硬度等性能，但同樣會降低材料塑性，因此也必須嚴 格控制Fe元素的加入；
[0026] 雜質元素：為保證材料具有較好的塑性，便于后續冷塑性變形工藝生產，在材料中 必須嚴格控制各種雜質元素的加入量。
[0027] 本發明的銅合金材料的制備方法通過冷塑性變形工藝，使其材料組織更致密、材 料晶粒更加細化，提高材料綜合性能水平。為達到該工藝要求，第一方面必須嚴格控制A1、 Fe元素的添加，使其主要產生Mn-Si二元強化相；第二方面嚴格控制Al、Fe以及其他所有 雜質元素的總量；第三方面嚴格控制銅合金熔煉過程中Cu-P脫氧劑的加入量。使其材料更 加純凈，同時保證材料具備較好的塑性性能。
[0028] 此外，本發明銅合金材料的制備方法通過立式半連鑄、熱擠壓，后結合冷拉塑性變 形工藝，在擠壓態的基礎上，進一步提高材料強度、細化材料晶粒。采取冷拉塑性變形后，配 合熱處理工藝，讓銅合金材料從硬態回復至半硬態，使其仍具有一定的塑性性能和抗沖擊 韌性。確保材料在液壓、工程機械和汽車行業等惡劣工況下具有較好的性能。
【具體實施方式】
[0029] 本發明提供了一種銅合金材料，其由以下質量百分比的元素組成：
[0030] Cu60. 5 ~62. 0% ;
[0031] Μη2. 1 ~2. 7% ;
[0032] Si0· 7 ~1. 2% ;
[0033] Pb 0· 5 ~1. 1% ;
[0034] Ni 0· 1 ~0· 5% ;
[0035] A1 0.01 ~0.3%;
[0036] Fe 0.01 ~0.3%;
[0037] 其它不可避免的雜質< 0.6% ;
[0038] 余量為Zn。
[0039] 優選的，所述的銅合金材料，其由以下質量百分比的元素組成：
[0040] Cu60. 8 ~61. 5% ;
[0041] Μη 2. 3 ~2. 6%;
[0042] Si 0· 9 ~1. 1% ;
[0043] Pb 0.6 ~0.9%;
[0044] Ni 0.1 ~0.4%;
[0045] A1 0· 03 ~0· 1 % ;
[0046] Fe0· 03 ~0· 1% ;
[0047] Zn33. 2 ~35. 5% ;
[0048] 其它不可避免的雜質<0· 5%。
[0049] 另一方面，本發明提供了所述的銅合金材料的制備方法，其包括以下步驟：
[0050] 步驟A，提供Cu塊、Pb塊、Zn塊、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn 合金原料，以及肩料；
[0051] 步驟B，往中頻電爐中加入部分肩料、精煉劑和Cu塊，升溫熔化；
[0052] 步驟C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金與Cu-Mn合金，同時預熱Zn塊；
[0053] 步驟D，待全部熔化后，降溫至950~1000°C，加入Pb塊、Zn塊和Cu-P合金；
[0054] 步驟E，精煉除渣后將溫度調整至1080°C以上，將銅液轉到保溫爐，保溫爐溫度控 制在1020~1120°C，進行立式半連鑄。
[0055] 優選的，所述Cu-Si20合金中Si的質量百分含量為18~22%，其余為Cu，加入量 為銅合金材料原料質量總量的2~4%。
[0056] 優選的，所述Cu-Mn合金中Μη的質量百分含量為32~36%，其余為Cu，加入量為 銅合金材料原料質量總量的3~6%。
[0057] 優選的，所述Al-Ni40合金中Ni的質量百分含量為38~42%，其余為Cu，加入量 為銅合金材料原料質量總量的〇. 2~0. 6%。
[0058] 優選的，所述Cu-P合金中P的質量百分含量為12-16%，其余為Cu，加入量為銅 合金材料原料質量總量的〇. 03~0. 09%。
[0059] 優選的，所述步驟E之后還包括步驟F，將鑄錠切斷，在650~750°C溫度下擠壓成 型。
[0060] 優選的，所述步驟F之后還包括步驟G，在300~600mm/min速度條件下進行冷乳。
[0061] 優選的，所述步驟G之后還包括步驟H，在240~320°C保溫2~4小時的條件下 進行熱處理。
[0062] 優選的，所述步驟Η之后還包括步驟I，在矯直輥轉速300~600r/min條件下進行 矯直，再在200~280°C保溫0. 5~1. 5小時的條件下進行去應力退火。
[0063] 具體的，本發明的銅合金基體材料在后續加工過程中，會產生部分肩料，以及在生 產和使用過程中產生的廢棄的成型回爐料，可以對這部分肩料和成型回爐料進行再回收利 用。
[0064] 下面結合具體實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不限于以下實施例。
[0065] 實施例1 :
[0066] 在本實施例中，所述的銅合金材料，其由以下質量百分比的元素組成：Cu 60. 50%；Zn35. 50%；A1 0. 01%；Pb0. 50%；Si0. 70%；Mn2. 10%；Ni0. 10%；Fe0.01%； 其它雜質0. 58%。
[0067] 首先，制備本發明的銅合金材料銅液。
[0068] 提供Cu塊、Pb塊、Zn塊、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原 料，以及肩料。
[0069] 先在中頻電爐中加入200Kg肩料，以及lKg精煉劑和Cu，快速升溫熔化；再根據 熔煉爐肩料熔化情況，補加肩料，并且每次加肩料時加入精煉劑lKg，同時將Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入爐中熔化，禁止使用有油有水的肩料；將Zn塊放在爐口烘烤 預熱；當加入的新料和舊料熔化后，加入少量肩料或管材降溫，加入Pb塊、Zn塊；同時加入 0. 3KgCu-P合金進行脫氧；精煉后溫度調整至1080°C以上，取樣，調整元素組成至指定質量 百分比，如表1所示。將銅液轉到保溫爐，保溫爐溫度控制在1020°C，進行立式半連鑄，鑄造 速度為l〇46Kg/h;
[0070] 最后，將鑄錠切斷至一定長度后在650°C溫度下擠壓到所需的管材尺寸；在 300mm/min速度條件下進行冷乳；在240°C保溫2小時的條件下進行熱處理；在矯直輥轉速 300r/min條件下進行矯直，再在200°C保溫0. 5小時的條件下進行去應力退火。
[0071] 實施例2:
[0072] 本實施例與實施例1基本相同，不同之處在于，在本實施例中，所述的銅合金材 料，其由以下質量百分比的元素組成：Cu60. 80%;Zn34. 73% ;A1 0. 03%;Pb0. 60%;