铜合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属冶炼技术领域，尤其涉及一种铜合金材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 多元复杂铜合金材料具有优异的综合性能，广泛用于工程机械、汽车等行业。随着 这些行业对材料性能要求的不断提高，开发出具有良好的综合性能，如较高的抗拉强度，屈 服强度，良好的塑性，可靠硬度，较好的切肩性能尤其是在高温下或有油环境等复杂运用环 境中具备较好综合性能的材料成为当务之急。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是：针对现有技术的不足，提供一种抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬 度高且同时具有较好的切肩性能的铜合金基体材料及其制备方法。
[0004] 为了达到上述目的，本发明提供了一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素 组成：
[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] 其它不可避免的杂质< 0.6% ;
[0013] 余直为Zn。
[0014] 另一方面，本发明提供了所述的铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0015] 步骤A，提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn 合金原料，以及肩料；
[0016] 步骤B，往中频电炉中加入部分肩料、精炼剂和Cu块，升温熔化；
[0017] 步骤C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金与Cu-Mn合金，同时预热Zn块；
[0018] 步骤D，待全部熔化后，降温至950~1000°C，加入Pb块、Zn块和Cu-P合金；
[0019] 步骤E，精炼除渣后将温度调整至1080°C以上，将铜液转到保温炉，保温炉温度控 制在1020~1120°C，进行立式半连铸。
[0020] 本发明的有益效果如下：
[0021] Μη:在以铜锌为基体的材料中添加适量的Μη元素，可提高材料强度、硬度、耐磨 性、耐腐蚀性、热稳定性及强度；
[0022] Si:在以铜锌为基体的材料中添加适量的Si元素，可提高合金的强度、硬度、耐磨 性、耐腐蚀性，同时增加铜液的流动性，减少缩松产生，提高铸造质量；
[0023] Pb:在材料中添加适量的Pb元素，可提高材料切削加工性能，减小磨擦因数，保证 其后续针对液压、工程机械和汽车行业进行精密加工时，具有更好的加工性能，更易达到更 好的精度等级；
[0024] A1 :在本材料中，必须严格控制A1的含量。主要原因是在黄铜合金材料中， Al-Mn-Si三元强化相和Mn-Si二元强化相都具有提高材料硬度、强度和耐磨性的功能。但 A1元素的加入，会导致材料硬度的大幅提升，从而降低材料塑性；此外，对于铸造、挤压态 的铜合金材料，采取后续冷拉塑性变形，进一步细化材料晶粒，优化材料性能。因此，必须抑 制A1元素的含量，使其只产生Mn-Si二元强化相；
[0025] Fe:Fe元素可提高材料强度、硬度等性能，但同样会降低材料塑性，因此也必须严 格控制Fe元素的加入；
[0026] 杂质元素：为保证材料具有较好的塑性，便于后续冷塑性变形工艺生产，在材料中 必须严格控制各种杂质元素的加入量。
[0027] 本发明的铜合金材料的制备方法通过冷塑性变形工艺，使其材料组织更致密、材 料晶粒更加细化，提高材料综合性能水平。为达到该工艺要求，第一方面必须严格控制A1、 Fe元素的添加，使其主要产生Mn-Si二元强化相；第二方面严格控制Al、Fe以及其他所有 杂质元素的总量；第三方面严格控制铜合金熔炼过程中Cu-P脱氧剂的加入量。使其材料更 加纯净，同时保证材料具备较好的塑性性能。
[0028] 此外，本发明铜合金材料的制备方法通过立式半连铸、热挤压，后结合冷拉塑性变 形工艺，在挤压态的基础上，进一步提高材料强度、细化材料晶粒。采取冷拉塑性变形后，配 合热处理工艺，让铜合金材料从硬态回复至半硬态，使其仍具有一定的塑性性能和抗冲击 韧性。确保材料在液压、工程机械和汽车行业等恶劣工况下具有较好的性能。
【具体实施方式】
[0029] 本发明提供了一种铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
[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] 其它不可避免的杂质< 0.6% ;
[0038] 余量为Zn。
[0039] 优选的，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：
[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] 其它不可避免的杂质<0· 5%。
[0049] 另一方面，本发明提供了所述的铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0050] 步骤A，提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn 合金原料，以及肩料；
[0051] 步骤B，往中频电炉中加入部分肩料、精炼剂和Cu块，升温熔化；
[0052] 步骤C，加入Cu-Si20合金、Al-Ni40合金与Cu-Mn合金，同时预热Zn块；
[0053] 步骤D，待全部熔化后，降温至950~1000°C，加入Pb块、Zn块和Cu-P合金；
[0054] 步骤E，精炼除渣后将温度调整至1080°C以上，将铜液转到保温炉，保温炉温度控 制在1020~1120°C，进行立式半连铸。
[0055] 优选的，所述Cu-Si20合金中Si的质量百分含量为18~22%，其余为Cu，加入量 为铜合金材料原料质量总量的2~4%。
[0056] 优选的，所述Cu-Mn合金中Μη的质量百分含量为32~36%，其余为Cu，加入量为 铜合金材料原料质量总量的3~6%。
[0057] 优选的，所述Al-Ni40合金中Ni的质量百分含量为38~42%，其余为Cu，加入量 为铜合金材料原料质量总量的〇. 2~0. 6%。
[0058] 优选的，所述Cu-P合金中P的质量百分含量为12-16%，其余为Cu，加入量为铜 合金材料原料质量总量的〇. 03~0. 09%。
[0059] 优选的，所述步骤E之后还包括步骤F，将铸锭切断，在650~750°C温度下挤压成 型。
[0060] 优选的，所述步骤F之后还包括步骤G，在300~600mm/min速度条件下进行冷乳。
[0061] 优选的，所述步骤G之后还包括步骤H，在240~320°C保温2~4小时的条件下 进行热处理。
[0062] 优选的，所述步骤Η之后还包括步骤I，在矫直辊转速300~600r/min条件下进行 矫直，再在200~280°C保温0. 5~1. 5小时的条件下进行去应力退火。
[0063] 具体的，本发明的铜合金基体材料在后续加工过程中，会产生部分肩料，以及在生 产和使用过程中产生的废弃的成型回炉料，可以对这部分肩料和成型回炉料进行再回收利 用。
[0064] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0065] 实施例1 :
[0066] 在本实施例中，所述的铜合金材料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu 60. 50%；Zn35. 50%；A1 0. 01%；Pb0. 50%；Si0. 70%；Mn2. 10%；Ni0. 10%；Fe0.01%； 其它杂质0. 58%。
[0067] 首先，制备本发明的铜合金材料铜液。
[0068] 提供Cu块、Pb块、Zn块、Cu-Si20合金、Al-Ni40合金、Cu-P合金和Cu-Mn合金原 料，以及肩料。
[0069] 先在中频电炉中加入200Kg肩料，以及lKg精炼剂和Cu，快速升温熔化；再根据 熔炼炉肩料熔化情况，补加肩料，并且每次加肩料时加入精炼剂lKg，同时将Al-Ni40合金、Cu-Si20合金、Cu-Mn合金加入炉中熔化，禁止使用有油有水的肩料；将Zn块放在炉口烘烤 预热；当加入的新料和旧料熔化后，加入少量肩料或管材降温，加入Pb块、Zn块；同时加入 0. 3KgCu-P合金进行脱氧；精炼后温度调整至1080°C以上，取样，调整元素组成至指定质量 百分比，如表1所示。将铜液转到保温炉，保温炉温度控制在1020°C，进行立式半连铸，铸造 速度为l〇46Kg/h;
[0070] 最后，将铸锭切断至一定长度后在650°C温度下挤压到所需的管材尺寸；在 300mm/min速度条件下进行冷乳；在240°C保温2小时的条件下进行热处理；在矫直辊转速 300r/min条件下进行矫直，再在200°C保温0. 5小时的条件下进行去应力退火。
[0071] 实施例2:
[0072] 本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在本实施例中，所述的铜合金材 料，其由以下质量百分比的元素组成：Cu60. 80%;Zn34. 73% ;A1 0. 03%;Pb0. 60%;