一种提高黄铜材料抗拉强度和晶粒细化的生产工艺的制作方法

文档序号:15457717发布日期:2018-09-15 01:37

本发明涉及晶粒细化技术领域,特别是涉及一种提高黄铜材料抗拉强度和 晶粒细化的生产工艺。



背景技术:

黄铜是由铜和锌所组成的合金,由铜、锌组成的黄铜就叫作普通黄铜,如 果是由二种以上的元素组成的多种合金就称为特殊黄铜。黄铜有较强的耐磨性 能,黄铜常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。理想的铸 锭组织是铸锭整个截面上具有均匀、细小的等轴晶,这是因为等轴晶各向异性 小,加工时变形均匀、性能优异、塑性好,利于铸造及随后的塑性加工。要得 到这种组织,通常需要对熔体进行细化处理。凡是能促进形核、抑制晶粒长大 的处理,都能细化晶粒。目前我国对黄铜这种半硬类状态材料,通常是采用轧制 法来实现,即“预精轧-退火-清洗-精轧-清洗-成品”,该种工艺生产的材料不 可避免的存在晶粒较大、残余轧制应力、性能各向异性等不足。



技术实现要素:

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种提高黄铜材料抗拉强度 和晶粒细化的生产工艺。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的:

一种提高黄铜材料抗拉强度和晶粒细化的生产工艺的制备方法,具体的细 化方法包括以下几个步骤:

(1)、对熔炼炉内部进行清理,防止熔炼炉内部进入杂质,对熔炼炉进行预 热至150℃,预热时长为20min,将黄铜表面进行打磨处理,冲洗干净后,使表面 干燥,放置于熔炼炉中进行熔炼,对其中杂质进行过滤;

(2)、对La元素进行称量,配置稀土元素La,配置完成后向熔炼后的黄铜 溶液中加入一定量的稀土元素La;

(3)、在熔炼炉外部连接脉冲电源,产生脉冲磁场对溶体进行振荡搅拌, 对脉冲电源频率进行正交实验,确定最佳脉冲频率,搅拌时长为30min;

(4)、将振荡搅拌完成后的黄铜溶液进行浇注成型,并在成型时采用水冷 方式对黄同液进行冷却,使其快速冷却成型;

(5)、将成型后铜块送入轧机中,通过轧制机挤压成带;

(6)、将轧制成带后黄铜放置入炉中进行成品退火,退火后进行二次水冷。

进一步的,所述步骤(1)熔炼炉采用电加热,其中加热电源为GPA-40A型 高频感应加热电源,功率调节范围为0-500A。

进一步的,所述步骤(2)中加入稀土元素La的质量分数为0.06%,在制备 稀土元素La时对其表面采用200#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进行 打磨,打磨之后采用酒精浸泡,取用时采用吹风机进行风干。

进一步的,所述步骤(3)中脉冲电源电压在0-700V范围内可调,频率在 0-20Hz内可调,正交实验分别取用100V10HZ、400V15HZ、700V20HZ等各频段进 行实验,并取用最佳混合参数。

进一步的,所述步骤(4)中采用水冷方法对黄铜进行快速冷却,冷却速率 为103-106K/s,过冷度大,使合金的凝固极大地偏离平衡,扩大了合金元素在 铜中的固溶度,提高了时效处理后铜基体中第二相含量,并使沉淀相进一步弥 散,晶体组织更加细化,显著减少偏析。

进一步的,所述步骤(5)中采用的冷轧机为四辊铜带中轧机,轧制过程中, 各层金属发生塑性变形,伴随着晶粒的细化,同时,由于金属间性能的差异,使 结合界面处存在强烈的剪切应力,能够促进大晶粒的分割,加速晶粒的细化。 如果增加金属界面的数量,则能够在界面处引入更多的附加剪切作用,使金属 板晶粒发生明显细化,加速塑性变形对晶粒的细化作用。

进一步的,所述步骤(6)对黄铜成品进行退火时采用的退火炉为普通钟罩 炉,退火温度为540-600℃,二次水冷的冷却速率为103-106K/s。

本发明的有益效果在于:该工艺生产的黄铜材料抗拉强度、伸长率明显提 高,晶粒大幅细化,维氏硬度略低,材料性能极其稳定而均匀,有利于减少冲 压后零件腐蚀开裂几率。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明:

一种提高黄铜材料抗拉强度和晶粒细化的生产工艺的制备方法,具体的细 化方法包括以下几个步骤:

(1)、对熔炼炉内部进行清理,防止熔炼炉内部进入杂质,对熔炼炉进行预 热至150℃,预热时长为20min,将黄铜表面进行打磨处理,冲洗干净后,使表面 干燥,放置于熔炼炉中进行熔炼,对其中杂质进行过滤;

(2)、对La元素进行称量,配置稀土元素La,配置完成后向熔炼后的黄铜 溶液中加入一定量的稀土元素La;

(3)、在熔炼炉外部连接脉冲电源,产生脉冲磁场对溶体进行振荡搅拌, 对脉冲电源频率进行正交实验,确定最佳脉冲频率,搅拌时长为30min;

(4)、将振荡搅拌完成后的黄铜溶液进行浇注成型,并在成型时采用水冷 方式对黄同液进行冷却,使其快速冷却成型;

(5)、将成型后铜块送入轧机中,通过轧制机挤压成带;

(6)、将轧制成带后黄铜放置入炉中进行成品退火,退火后进行二次水冷。

本实施例中,所述步骤(1)熔炼炉采用电加热,其中加热电源为GPA-40A 型高频感应加热电源,功率调节范围为0-500A。

本实施例中,所述步骤(2)中加入稀土元素La的质量分数为0.06%,在制 备稀土元素La时对其表面采用200#、400#、600#、800#、1000#、1200#砂纸进 行打磨,打磨之后采用酒精浸泡,取用时采用吹风机进行风干。

本实施例中,所述步骤(3)中脉冲电源电压在0-700V范围内可调,频率 在0-20Hz内可调,正交实验分别取用100V10HZ、400V15HZ、700V20HZ等各频 段进行实验,并取用最佳混合参数。黄铜是铜与锌的合金。黄铜的机械性能随 含锌量不同而变化的曲线。对于α黄铜,随着含锌量的增多,σb和δ均不断 增高。对于(α+β)黄铜,当含锌量增加到约为45%之前,室温强度不断提高。 若再进一步增加含锌量,则由于合金组织中出现了脆性更大的r相(以Cu5Zn8 化合物为基的固溶体),强度急剧降低。(α+β)黄铜的室温塑性则始终随含 锌量的增加而降低,改变黄铜中锌的含量可以得到不同性能的黄铜。黄铜中锌 的含量越高,其强度也越高,塑性降低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%, 含锌量再高将会产生脆性,使合金性能变差。为了改善黄铜的性能,常加入其 他合金元素,如硅、铝、锡、铅、锰、铁和镍等。在黄铜中加铝能提高黄铜的 强度和抗腐蚀性,含铝小于4%的黄铜具有良好的加工、铸造等综合性能。在黄 铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力,因此被称为 “海军黄铜”,锡还能改善黄铜的切削加工性能。黄铜加铅的主要目的是改善 切削加工性能和提高耐磨性,铅对黄铜的强度影响不大。锰黄铜具有良好的机 械性能、热稳定性和抗腐蚀性,在锰黄铜中加铝,还可以得到表面光洁的铸件。 普通黄铜是铜锌二元合金,α相是锌溶于铜中的固溶体,其溶解度随温度的下 降而增大。α相具有面心立方晶格,塑性好,适于进行冷、热加工,并有优良 的铸造、焊接和镀锡的能力。β′相是以电子化合物为基的有序固溶体,具有 体心立方晶格,性能硬而脆。黄铜的含锌量对其机械性能有很大的影响。当 Zn≤30%~32%时,随着含锌量的增加,强度和延伸率都升高,当Zn>32%后,因 组织中出现β’相,塑性开始下降,而强度在Zn=45%附近达到最大值。含Zn 更高时,黄铜的组织全部为β’相,强度与塑性急剧下降。普通黄铜分为单相 黄铜和双相黄铜两种类型,从变形特征来看,单相黄铜适宜于冷加工,而双相 黄铜只能热加工。常用的单相黄铜牌号有H80、H70、H68等,“H”为黄铜的汉 语拼音字首,数字表示平均含铜量。它们的组织为α,塑性很好,可进行冷、 热压力加工,适于制作冷轧板材、冷拉线材、管材及形状复杂的深冲零件。而 常用双相黄铜的牌号有H62、H59等,退火状态组织为α+β’。由于室温β’ 相很脆,冷变形性能差,而高温β相塑性好,因此它们可以进行热加工变形。 通常双相黄铜热轧成棒材、板材,再经机加工制造各种零件。为了获得更高的 强度、抗蚀性和良好的铸造性能,在铜锌合金中加入铝、铁、硅、锰、镍等元 素,形成各种特殊黄铜。特殊黄铜的编号方法是:“H+主加元素符号+铜含量 +主加元素含量”。特殊黄铜可分为压力加工黄铜(以黄铜加工产品供应)和 铸造黄铜两类,其中铸造黄铜在编号前加“Z”。例如:HPb60-1表示平均成分 为60%Cu,1%Pb,余为Zn的铅黄铜;ZCuZn31Al2表示平均成分为31%Zn,2%Al, 余为Cu的铝黄铜。锡黄铜:锡可显著提高黄铜在海洋大气和海水中的抗蚀性, 也可使黄铜的强度有所提高。压力加工锡黄铜广泛应用于制造海船零件。铅黄 铜:铅能改善切削加工性能,并能提高耐磨性。铅对黄铜的强度影响不大,略 为降低塑性。压力加工铅黄铜主要用于要求有良好切削加工性能及耐磨的零件 (如钟表零件),铸造铅黄铜可以制作轴瓦和衬套。铝黄铜:铝能提高黄铜的 强度和硬度,但使塑性降低。铝能使黄铜表面形成保护性的氧化膜,因而改善 黄铜在大气中的抗蚀性。铅黄铜可制作海船零件及其它机器的耐蚀零件。铅黄 铜中加入适量的镍、锰、铁后,可得到高强度、高耐蚀性的特殊黄铜,常用于 制作大型蜗杆、海船用螺旋桨等需要高强度、高耐蚀性的重要零件。为了提高 黄铜的耐蚀性、强度、硬度和切削性等,在铜-锌合金中加入少量(一般为1%~ 2%,少数达3%~4%,极个别的达5%~6%)锡、铝、锰、铁、硅、镍、铅等元素, 构成三元、四元、甚至五元合金,硅黄铜:硅能显著提高黄铜的机械性能、耐 磨性和耐蚀性。硅黄铜具有良好的铸造性能,并能进行焊接和切削加工。主要 用于制造船舶及化工机械零件。锰黄铜:锰能提高黄铜的强度,不降低塑性, 也能提高在海水中及过热蒸汽中的抗蚀性。锰黄铜常用于制造海船零件及轴承 等耐磨部件。铁黄铜:黄铜中加入铁,同时加入少量的锰,可起到提高黄铜再 结晶温度和细化晶粒的作用,使机械性能提高,同时使黄铜具有高的韧性、耐 磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性,因而铁黄铜可以用于制造受摩擦及受海 水腐蚀的零件。镍黄铜:镍可提高黄铜的再结晶温度和细化其晶粒,提高机械 性能和抗蚀性,降低应力腐蚀开裂倾向。镍黄铜的热加工性能良好,在造船工 业、电机制造工业中广泛应用,α单相黄铜(从H96至H65)具有良好的塑性, 能承受冷热加工,但α单相黄铜在锻造等热加工时易出现中温脆性,其具体温 度范围随含Zn量不同而有所变化,一般在200~700℃之间。因此,热加工时温 度应高于700℃。单相α黄铜中温脆性区产生的原因主要是在Cu-Zn合金系α 相区内存在着Cu3Zn和Cu9Zn两个有序化合物,在中低温加热时发生有序转变, 使合金变脆;另外,合金中存在微量的铅、铋有害杂质与铜形成低熔点共晶薄 膜分布在晶界上,热加工时产生晶间破裂。实践表明,加入微量的铈可以有效 地消除中温脆性。两相黄铜(从H63至H59),合金组织中除了具有塑性良好的 α相外,还出现了由电子化合物CuZn为基的β固溶体。β相在高温下具有很 高的塑性,而低温下的β′相(有序固溶体)性质硬脆。故(α+β)黄铜应在 热态下进行锻造。含锌量大于46%~50%的β黄铜因性能硬脆,不能进行压力加 工。

本实施例中,所述步骤(4)中采用水冷方法对黄铜进行快速冷却,冷却速 率为103-106K/s,过冷度大,使合金的凝固极大地偏离平衡,扩大了合金元素 在铜中的固溶度,提高了时效处理后铜基体中第二相含量,并使沉淀相进一步 弥散,晶体组织更加细化,显著减少偏析。

本实施例中,所述步骤(5)中采用的冷轧机为四辊铜带中轧机,轧制过程 中,各层金属发生塑性变形,伴随着晶粒的细化,同时,由于金属间性能的差异, 使结合界面处存在强烈的剪切应力,能够促进大晶粒的分割,加速晶粒的细化。 如果增加金属界面的数量,则能够在界面处引入更多的附加剪切作用,使金属 板晶粒发生明显细化,加速塑性变形对晶粒的细化作用。

本实施例中,所述步骤(6)对黄铜成品进行退火时采用的退火炉为普通钟罩 炉,退火温度为540-600℃,二次水冷的冷却速率为103-106K/s。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人 员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只 是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各 种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求 保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

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