专利名称：一种黄铜合金材料及其制备方法
技术领域：
本发明是关于一种合金材料，尤其是一种黄铜合金材料及其制备方法。
背景技术：
含铅黄铜合金材料由于具有优良的切削性能，被公认为是重要的基础材 料。但是，铅作为一种有害元素，在对环境造成极大的污染的同时，对人体 也造成各种危害。所以，开发新的黄铜合金材料来代替含铅黄铜合金材料有 着重大的意义。
CN 101003871A中公开了一种无铅易切削黄铜合金材料铜55.0-70.0
%，锌30.0-45.0%，锡0.1-10%，镍0.1-2.0%，硅0-5.0%,铋0.1-5.0 %，硒0-3.0%，铝0.01-1.0%，磷0.05-0.15%，铼0.01-0.5%等所组成。
这种黄铜合金材料含有的金属种类过多，因而生产工艺复杂；且在熔炼温度 下上述金属元素易被氧化和烧损，质量不易控制；另外，其中含有的多种金 属为稀有金属，来源不易保证。
CN 1461815A中公开了一种无铅易切削黄铜合金材料铜60-62重量 %，铋0.5-2.2重量。％，铝0.01-0.1重量。％，其余为锌和不可避免的杂质。 并在实施例中进一歩给出了铜含量为60.21-61.91重量％，铋含量为1.80-2.05 重量％、铝含量为0.01-0.07重量％，其余为锌和不可避免的杂质的黄铜合 金。这种黄铜合金采用铋代替含铅黄铜合金材料中的铅，有助于改善黄铜合 金的切削性能，但是上述合金材料的机械性能如抗拉强度不够理想，不超过 450兆帕，且由于铋含量较高，合金材料的生产成本较高。
上述现有技术方案可以避免在合金中加入污染性较大的铅，但是，由于 使用金属元素种类繁多，生产工艺繁杂，产品质量不易控制；或者由于铋含量较高，导致生产成本较高，且抗拉强度不理想。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有黄铜合金材料组成复杂或者抗拉强度低 的缺点，提供一种组成简单且机械性能更强的黄铜合金材料。
本发明提供了一种黄铜合金材料，该合金由铜、铋、铝和锌组成，其中，
以所述材料的总量为基准，铜的含量为55-59.9重量％、铋的含量为0.7-1.2 重量％、铝的含量为0.2-0.8重量％和锌的含量为35-45重量％。
本发明提供了一种黄铜合金材料的制备方法，该方法包括铜、铋、铝和 锌熔炼后浇注成型，得到铸锭，然后将所得铸锭进行热挤压，其中，以所述 铜、铋、铝和锌的总量为基准，铜的用量为55-59.9重量％、铋的用量为0.7-1.2 重量％、铝的用量为0.2-0.8重量％和锌的用量为35-45重量％。
本发明提供的黄铜合金材料组成简单，抗拉强度高，且其它性能如硬度， 脱锌厚度和韧性等也令人满意。例如，由本发明实施例1制备的由59重量 。％铜、39.5重量％锌、1重量％铋和0.5重量％铝组成的黄铜合金材料的抗 拉强度高达507兆帕，硬度高达108HBS，脱锌厚度低至238.97微米，延伸 率高达40.5%，相对切削性为100%。
本发明提供的黄铜合金材料的制备方法由于使用原料种类少，能够稳定 地获得具有令人满意的抗拉强度、硬度、脱锌厚度、韧性等方面性质的黄铜 合金材料，并且通过优选实施方式的再结晶退火，可以进一步提高黄铜合金 材料的韧性。
图l (a)为本发明提供的黄铜合金材料的铸态SEM照片； 图1 (b)为图1 (a)中A处的光电能谱图和相应的数据；图2 (a)为本发明提供的黄铜合金材料的挤压态金相组织图； 图2 (b)为本发明提供的黄铜合金材料的挤压态SEM照片；
图3 (a)为本发明提供的黄铜合金材料的退火态金相组织图； 图3 (b)为本发明提供的黄铜合金材料的退火态SEM照片；
具体实施例方式
根据本发明提供的黄铜合金材料，为了进一步改善黄铜合金材料在抗拉 强度、硬度、韧性、脱锌厚度等方面的性质，优选情况下，以所述材料的总
量为基准，铜的含量为58-59.9重量％、铋的含量为0.9-1.1重量％、铝的含 量为0.4-0.6重量％和锌的含量为39-40重量％ 。
下面对本发明的黄铜合金材料中添加的金属元素进行说明。
1. 铋
铋本身性脆，其熔点比铅的熔点低(铋的熔点为271.4°C，铅的熔点为 327.5°C)，硬度低，其脆而硬度低的特点改善了合金的切削条件，使铋黄铜 获得良好的切削性能。切削时采用刀具材料Ys8，后角8° ，主偏角50° ， 副偏角15° ，副后角3。，刃倾角-3° ;加工方式为车削外圆1毫米；主轴 转速为407转/分钟，即可切削成细而短的针状。优选的情况下，以所述黄铜 合金材料的总量为基准，所述铋的含量为0.9-1.1重量％。
2. 铝
铝的原子半径为1.43埃，大于铜(原子半径为1.28埃)和锌(原子半 径为1.37埃)的原子半径。铝溶入铜锌合金中以置换原子的形式存在，当铝 置换了晶格中的铜或锌原子后，使晶体的固有应力场的周期性在局部发生了 变化，晶体的晶格发生了一定的畸变，这样就引起了晶体弹性应力场发生改 变。当合金在外力作用下通过运动位错产生形变时，弹性应力场与运动位错 发生交互作用，增加了合金的变形阻力，从宏观上来看就提高了合金的强度。扫描电镜结果表明，含量为0.2-0.8重量％优选为0.4-0.6重量％的铝，极大 的细化了合金材料的晶粒，对合金材料的强度和硬度的提高有很大的帮助。 另外， 一定量铝的加入不仅可以改变铋的析出形式，使之以近球形析出，有 利于切削加工而且还可以提高合金的抗脱锌性能。并且由于铜和铋，尤其是 铋的价格都比较贵， 一定量的铝的加入可以降低合金的成本。
3. 铜
一般情况下，在合金材料中铜含量在60.5重量％以上时，黄铜的铸造材 料和热加工材料中多为a相，为了得到单相a组织铜含量必须在63.0重量％ 以上。也就是作为以耐脱锌腐蚀性能为主，考虑到会从a相以外的相组织产 生的话，从耐蚀性能和机械性能方面看，铜含量必须在63.0重量％以上。但 本发明的发明人意外地发现，本发明所提供的黄铜合金材料，通过选用合适 的元素以及适当的配比，铜含量即使是55-59.9重量％特别是58-59.9重量％， 利用与其他元素的效果，仍可以得到稳定的a相组织。另一方面铜含量增加 的话，虽然容易得到a相，而且能提高耐蚀性能，但是相反也会在抗拉强度 和硬度降低的同时使热加工性能恶化。为了确保优良的热加工性能，在热加 工温度区域含有大量P相(50%以上)是必要的，要想把合金组织变为0 + 0两相组织，铜含量必须低于55重量％ 。
4. 锌
锌用于强化合金材料的基体。 一般情况下，先确定合金材料中其它成分 的含量，再用锌来补齐100重量％的含量。根据本发明，以所述黄铜合金材 料的总量为基准，所述锌含量一般为35-45重量％，优选为39-40重量％。 在该范围内获得的黄铜合金材料，热加工性能好，强度也高。
根据本发明提供的黄铜合金材料的制备方法，所述铜、锌、铝和铋可以 是本领域常规使用的各种原料，例如，所述铜可以是各种电解铜。所述铜、 锌、铝和铋的加入顺序可以根据所加元素的熔点高低及易挥发、易氧化顺序以及用量来确定，在本发明中，所述铜、锌、铝和铋的加入顺序按照先加电 解铜、随后加锌最后加铋和铝的顺序进行，在将铜、锌、铝和铋熔炼均匀后 2分钟之内即进行浇注成型。
所述熔炼的方法优选包括将所述的合金原料熔炼成均匀的液态混合物， 然后将该液态混合物浇注成型，其中熔炼设备可以是真空电弧熔炼炉、真空 感应熔炼炉或真空电阻炉等熔炼设备；视不同的熔炼设备和合金原料，所
述熔炼的条件包括熔炼温度为800-2700°C，优选为1000-2000°C;熔炼时间 为0.5-5分钟。所述熔炼的时间从加料完毕即铋和铝加毕至进行浇注的时间 间隔。为了防止熔炼过程中各种原料被氧化，可以在熔炼过程中加入木炭， 木炭的加入量可以为混合物总重量的2-4重量％。另外，为了防止氧化，所 述熔炼可以在保护气体或真空环境中进行，所述保护气体为元素周期表中零 族元素气体、N2和SF6中的一种或几种，所述保护气体的纯度不低于体积 95%;所述真空环境的绝对压力不超过1000帕。
所述浇注成型的条件包括出炉温度为800-150(TC，浇注时间为2-3分钟。 本发明中，此处所述浇注成型涉及的冷却以及下文中所涉及的冷却的速 度可以为10-l(/K/秒，优选为10-103^秒。所述冷却的方式可以是水冷、空 冷、液氮冷却中的一种或几种，优选为空冷。
所述铸锭的大小可以根据需要进行选择，本发明对此没有特别限定。 根据本发明提供的黄铜合金材料的制备方法，所述热挤压的条件包括温 度为600-80(TC，优选为680-740°C;时间为1-3小时，优选为1.5-2.5小时； 挤压比为8-17，优选为10-15。所述热挤压的具体操作方法已为本领域技术 人员所公知，在此不再赘述。
根据本发明提供的黄铜合金材料的制备方法，优选情况下，该方法还包 括将热挤压成型的产物进行再结晶退火，以进一步提高合金材料的韧性。所 述再结晶退火的条件包括温度为550-650°C，时间为20-100分钟。对于不同的黄铜合金桐料，根据厚度和大小，再结晶退火的时间可以略有不同，例如， 对于拉伸用黄铜合金材料，再结晶退火的时间可以为40-100分钟，优选为 40-60分钟；对于扫描电镜、能谱分析、脱锌腐蚀及硬度检测用黄铜合金材
料，由于一般较小且薄，因此再结晶退火的时间可以为30-40分钟。
以下实施例将对本发明作进一步的说明。
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的黄铜合金材料及其制备方法。
(1) 熔炼和浇注成型将纯度均为99.99重量％的二号电解铜885克、 锌592.5克、铋15克、铝7.5克以及木炭按照先二号电解铜和木炭，然后锌， 然后铋和铝的顺序加入到真空电弧熔炼炉中，在170(TC下熔炼，待合金充分 熔融、搅拌均匀后快速加入到提前预热到30(TC的浇注模具中，熔炼时间为 3分钟，浇注时间为3分钟，出炉温度为110(TC，空冷脱模，得到O50毫米 的铸锭。铸锭的组成为铜含量为59重量％，锌含量为39.5重量。X，铋含量 为1重量。/^和铝含量为0.5重量％。
(2) 热挤压将上述(1)得到的O50毫米的铸锭先在45(TC下预热2 小时，然后再在75(TC下加热2小时，之后在315T油压挤压机上挤压。采 用石墨与机油以重量比为1: IO的混合物作为润滑剂，最终将O50毫米的铸 锭挤压成014毫米的挤压棒，挤压比为12.76。
(3) 再结晶退火将上述(2)得到的挤压棒在箱式电阻炉中进行再结 晶退火，再结晶退火的温度为60(TC，时间为40分钟，得到本发明提供的黄 铜合金样品Sl。
在上述各个步骤过程中，采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、 XRD衍射仪、拉伸机、硬度检测仪对其中的少量样品进行分析，以了解样 品在各个阶段的组织结构和形貌。其中，发现熔炼和浇注成型过权屮样品的金相组织由均匀的a相和e相
相间组成。P相比a相易腐蚀。因为a相的塑性较好，P相的强硬度较大，
所以该合金在具有较好的塑性的同时具备较高的强硬度，力学性能比较好。
图1 (a)为该状态下的IOOO倍的SEM照片，图中的白点为铋颗粒，弥散分 布在相界上。因为铋的熔点低，性脆，在切削时有润滑刀具的作用，所以， 细小、弥散的分布的铋粒极大的提高了合金的切削性能。图1 (b)为图1 (a) 中A处的能谱图及分析数据，它说明了A处的小白点为铋单质颗粒，而且 合金的组成为a相和(3相。
图2 (a)为热挤压过程中样品的金相组织。由图可知，挤压后a相和P 相以均匀、细小的条状沿加工方向分布，组织较挤压前更紧密，均匀，可大 大提高合金的综合力学性能。图2 (b)为该状态下的IOOO倍的SEM照片。 由于采用的是热挤压，合金发生了不完全的再结晶。晶粒发生了重熔但未完 全长大，得到的相组织均匀、弥散。铋粒仍以颗粒形式弥散分布于相界，保 证了良好的切削性能。同时，晶粒的细化和组织的细密大大的提高了合金抗 脱锌性能。
图3 (a)为再结晶退火后样品的纵向金相组织，由图可知，退火后(x 相和P相由条状变成了紧密、弥散、均匀的小块状，接近球形，消除了挤压 时的残余应力，在保证良好的力学性能的同时提高了合金各方向的可加工 性。图3 (b)为该状态下的IOOO倍的SEM照片，该SEM照片说明合金的 组织仍由弥散分布的a相和(3相组成，铋颗粒仍分布在相界上。同时，再结 晶退火消除了许多铸造缺陷和热挤压产生的残余应力，极大的提高了合金的 抗脱锌性能。
对比例1
该对比例用于说明现有技术中的黄铜合金材料及其制备方法。按照实施例1所述的方法制备黄铜合金材料，不同的足，二号电解铜、
锌、铋和铝的加入量分别为618.2克、362.4克、18.8克、0.6克，得到参比 黄铜合金材料样品CS1。
实施例2
该实施例用于说明本发明提供的黄铜合金材料及其制备方法。 按照实施例1所述的方法制备黄铜合金材料，不同的是，所得挤压棒不 经过再结晶退火步骤，得到本发明提供的黄铜合金材料样品S2。
实施例3
(1) 熔炼和浇注成型将纯度均为99.99重量％的二号电解铜892.5克、 锌585克、铋13.5克、铝9克以及木炭按照先二号电解铜和木炭，然后锌， 然后铋和铝的顺序加入到真空电弧熔炼炉中，在170(TC下熔炼，待合金充分 熔融、搅拌均匀后快速加入到提前预热到28(TC的浇注模具中，熔炼时间为 l分钟，浇注时间为3分钟，出炉温度为140(TC，空冷脱模，得到O50毫米 的铸锭。铸锭的组成为铜含量为59.5重量％，锌含量为39重量％，铋含量 为0.9重量％和铝含量为0.6重量％。冷却速度为1000K/秒。
(2) 热挤压将上述(1)得到的(D50毫米的铸锭先在45(TC下预热2 小时，然后再在68(TC下加热2.5小时，之后在315T油压挤压机上挤压。采 用石墨与机油的混合物重量比为1: IO作为润滑剂，最终将O)50毫米的铸锭 挤压成0>15毫米的挤压棒，挤压比为11.11。
(3) 再结晶退火将上述(2)得到的挤压棒在箱式电阻炉中进行再结 晶退火，再结晶退火的温度为65(TC，时间为20分钟，得到本发明提供的黄 铜合金样品S3。实施例4
(1) 熔炼和浇注成型将纯度均为99.99重量％的二号电解铜877.5克、 锌600克、铋16.5克、铝6克以及木炭按照先二号电解铜和木炭，然后锌， 然后铋和铝的顺序加入到真空电弧熔炼炉中，在170(TC下反复熔炼2次，每 次熔炼的时间为0.5分钟，待合金充分熔融、搅拌均匀后加入到提前预热到 200-30(TC的浇注模具中，浇注时间为2-3分钟，出炉温度为90(TC，空冷脱 模，得到O50毫米的铸锭。铸锭的组成为铜含量为58.5重量％，锌含量为 40重量％，铋含量为1.1重量％和铝含量为0.4重量％。冷却速度为100K/ 秒。
(2) 热挤压将上述(1)得到的O50毫米的铸锭先在45(TC下预热2 小时，然后再在75(TC下加热1.5小时，之后在315T油压挤压机上挤压。采 用石墨+机油作为润滑剂，最终将O50毫米的铸锭挤压成。13毫米的挤压棒， 挤压比为14.79。
(3) 再结晶退火将上述(2)得到的挤压棒在箱式电阻炉中进行再结 晶退火，再结晶退火的温度为55(TC，时间为100分钟，得到本发明提供的 黄铜合金样品S4。
实施例5-8
以下实施例用于说明本发明提供的黄铜合金材料的性能。 分别按照下述方法测试由实施例l-4制备的黄铜合金材料的性能，结果 如表1所示。
1、 脱锌厚度按照GB 10119-88方法测定。
2、 拉伸实验按照GB228-87方法测定。
3、 硬度检测按照GB/T2304方法测定。
4、 切削试验将(D14毫米的校直试样在CW6136卧式普通车床上加工；刀具材料
Ys8，后角8。，主偏角50° ，副偏角15° ，副后角3。，刃倾角-3° ;加工 方式为车削外圆1毫米；主轴转速为407转/分钟。收集100克切屑后的样 品，分析其中长度不超过3毫米，宽度不超过l毫米样品的重量，该重量与 100克的百分比即为样品的相对切削性。
对比例2
该对比例用于说明现有技术的黄铜合金材料的性能。 按照上述实施例5-8所述的方法测试由对比例1制备的参比黄铜合金材 料的性能，结果如表l所示。
1
实施例编号实施例5对比例2实施例6实施例7实施例8
样品编号SlCS1S2S3S4
延伸率s (%)40. 532.5373839
抗拉强度 ^ (兆帕)507450476463460
硬度(HBS)108.0062.29109.2690. 6094.60
脱锌厚度 (微米)238.97361.89240.43244. 86241. 82
相对切削性(%)10080909095
从上述实施例和对比例的比较可以看出，本发明得到的黄铜合金材料具 有优良的抗拉强度、延伸率、硬度、抗脱锌性能及相对切削性能，且由于含 铋量低，成本相对较低。
权利要求
1、一种黄铜合金材料，该合金由铜、铋、铝和锌组成，其特征在于，以所述材料的总量为基准，铜的含量为55-59.9重量％、铋的含量为0.7-1.2重量％、铝的含量为0.2-0.8重量％和锌的含量为35-45重量％。
2、 根据权利要求1所述的材料，其中，以所述材料的总量为基准，铜 的含量为58-59.9重量％、铋的含量为0.9-1.1重量。％、铝的含量为0.4-0.6 重量％和锌的含量为39-40重量％ 。
3、 权利要求1所述黄铜合金材料的制备方法，该方法包括将铜、铋、 铝和锌熔炼后浇注成型，得到铸锭，然后将所得铸锭进行热挤压，其特征在 于，以所述铜、铋、铝和锌的总用量为基准，铜的用量为55-59.9重量％、 铋的用量为0.7-1.2重量％、铝的用量为0.2-0.8重量％和锌的用量为35-45里里/b o
4、 根据权利要求3所述的方法，其中，以所述铜、铋、铝和锌的总用 量为基准，铜的用量为58-59.9重量％、铋的用量为0.9-1.1重量％、铝的含 用量为0.4-0.6重量％和锌的用量为39-40重量％。
5、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述熔炼的条件包括熔炼温度 为800-270(TC，熔炼时间为0.5-5分钟；所述浇注成型的出炉温度为800-1500 °C，所述浇注成型的冷却速度为10-104&/秒。
6、 根据权利要求3所述的方法，其中，所述热挤压的条件包括温度为 600-800°C，时间为l-3小时，挤压比为8-17。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述热挤压的条件包括温度为680-750°C，时间为1.5-2.5小时，挤压比为10-15。
8、 根据权利要求3所述的方法，其中，该方法还包括将热挤压成型的 产物进行再结晶退火。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中，所述再结晶退火的条件包括温 度为550-650°C，时间为20-100分钟。
全文摘要
一种黄铜合金材料，该合金由铜、铋、铝和锌组成，其中，以所述材料的总量为基准，铜的含量为55-59.9重量％、铋的含量为0.7-1.2重量％、铝的含量为0.2-0.8重量％和锌的含量为35-45重量％。本发明提供了该黄铜合金材料的制备方法。本发明提供的黄铜合金材料组成简单，抗拉强度高，且其它性能如硬度，脱锌厚度和韧性等也令人满意。例如，由本发明实施例1制备的由59重量％铜、39.5重量％锌、1重量％铋和0.5重量％铝组成的黄铜合金材料的抗拉强度高达507兆帕，硬度高达108HBS，脱锌厚度低至238.97微米，延伸率高达40.5％，相对切削性为100％。
文档编号C22C9/04GK101469384SQ20071030784
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者刘一峰, 向其军, 郭忠臣, 马国超 申请人:比亚迪股份有限公司