一种易切削锌白铜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种易切削锌白铜，其重量百分比组成为：Cu:42.5～47.5wt%、Ni:8.0～12.0wt%、Mn:4.0～8.0wt%、Bi:0.05～1.5wt%，余量为Zn和不可避免的杂质。该易切削锌白铜可以加工成棒、线等产品，其制备工艺流程包括：熔铸→挤压→拉伸→中间退火→拉伸→成品前退火→拉伸→成品。该易切削锌白铜利用β相提升合金强度的同时提高切削性能，使Bi在较低的含量情况下达到与铅锌白铜相近的切削性能，该易切削锌白铜的抗拉强度≥550MPa，切削性能达到铅锌白铜C79860的80%以上，能够满足家用电器、通讯设备、医用设备、检测和控制仪器、运动器材、制笔等行业的需求。

A free cutting zinc white copper and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种易切削锌白铜及其制备方法和应用
本专利技术涉及铜合金及其制备
，具体是一种易切削锌白铜及其制备方法和应用，其应用包括家用电器、通讯设备、医用设备、检测和控制仪器、运动器材、制笔等行业。
技术介绍
锌白铜的外观呈银白色，具有中等的强度，良好的弹性及优异的耐蚀性能，易于冷热加工，被广泛应用于装饰材料、电子电器接插件和仪表零件等领域。在某些要求零件结构精细、尺寸精度高、加工速率快的领域，普通锌白铜难以满足零件车削或钻削加工的需求，如笔头行业等。目前，市场上切削性能较为优异的锌白铜合金主要为含Pb的锌白铜，如C79200、C79820、C79860等。Pb的熔点低，与Cu、Ni、Zn等元素几乎不固溶，在Cu-Ni-Zn基体上添加Pb元素后，Pb以质点的形式分布于基体中。切削时，Pb质点由于刀具摩擦产生的热量而软化或熔化，阻断基体材料的连续性，产生“切口效应”，从而起到断屑作用。同时，Pb质点还能起到润滑和降低切削温度的作用，从而提高切削速度，使工件获得光滑的加工表面，提高产品的品质，适合各种不同形状类型零件的机加工。由于Pb主要以质点的形式存在于锌白铜体系合金中，在高温时会气化进入大气，对环境造成污染。尤其是当含Pb锌白铜制作成与人体直接接触的零件，如镜架、笔头等，长期接触会影响到人体的健康。随着人们对生态环境、生活质量的重视，环境保护意识不断增强，含铅量高的铜合金的应用受到环保政策的限制。针对市场对易切削锌白铜合金的需求，国内外铜合金制造企业开展了一系列关于易切削锌白铜合金的开发工作，并获得了一定的成果。CN103502488A公开了一种Cu-Ni-Mn-Zn合金，其通过调整合金元素含量及热处理工艺控制α相和β相比例，再则利用合金形成的沉淀物实现合金切削性能的优化；CN105209653A公开了一种易切削耐磨的铜锌合金，其同样采用控制α相和β相比例以及形成的铁-镍-锰的硅化物以实现切削性能的改善；CN108350552A公开了一种铜镍锌合金，通过镍、铁等元素与硅形成球形或椭球型硅化物，实现合金性能及切削性能的提升。然而实践发现，通过添加某些元素提高锌白铜组织中β相比例或通过元素之间形成沉淀物来实现合金的易切削性能，在一定程度上，虽可改善锌白铜合金材料的车削及钻削性能，但在对小型零件的加工成型时仍然存在局限性，主要表现为小孔钻屑后排屑不畅，堵刀、断刀等问题，切削性能与含铅锌白铜相比仍存在明显差距。因此，开发一种同时适用小型零部件机械加工的易切削锌白铜变得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种易切削锌白铜及其制备方法和应用，该锌白铜抗拉强度≥550MPa，切削性能达到铅锌白铜C79860的80％以上，能够满足家用电器、通讯设备、医用设备、检测和控制仪器、运动器材、制笔等行业的需求。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种易切削锌白铜，其重量百分比组成为：Cu:42.5～47.5wt％、Ni:8.0～12.0wt％、Mn:4.0～8.0wt％、Bi:0.05～1.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质。本专利技术易切削锌白铜中，Ni是主添加元素之一，在铜中可无限互溶，具有固溶强化作用。当合金中存在Si、P、Al等元素时，可与Ni形成沉淀物，具有提升合金强度和切削性能的效果。此外，Ni还具有提升合金耐蚀性能的作用，其添加量决定了合金耐蚀性能的强弱。本专利技术锌白铜中Ni含量控制在8.0～12.0wt％，一方面若Ni含量低于8.0wt％，则合金的耐蚀性能减弱，颜色会逐渐由银白色变成微淡黄色；另一方面，若Ni含量大于12.0wt％，由于Ni的锌当量系数为负值，合金的α相区会扩大，合金的冷变形性能提升，但若此时合金中Bi存在一定量的偏聚，合金退火易出现开裂现象。加上Ni是高价格元素，含量过多会增加合金的原材料成本。本专利技术锌白铜中Ni含量优选9.0～11.0wt％。Mn在本专利技术锌白铜中具有较大的固溶度，也具有固溶强化作用，且Mn在合金熔炼过程中有脱氧的效果，并能提升合金的耐磨性能，以及改善合金的冷、热加工性能。Mn的添加量增加可使合金的颜色向着银白色转变，但Mn的锌当量系数为正值，Mn含量的增加会减小合金的α相区，增加合金的β相区。β相与α相相比易腐蚀，含量过高会影响合金的耐蚀性能，并降低合金的冷加工性能。而Mn含量低对合金的热挤压变形不利，存在挤压开裂的风险，退火过程的开裂倾向也增大，合金的耐磨性能减弱。因此，本专利技术锌白铜中Mn含量控制在4.0～8.0wt％，优选5.0～7.0wt％。Bi的添加对合金的切削或钻削性能具有改善作用。Bi几乎不固溶于铜，在270℃时与铜形成共晶体，Bi主要呈薄膜形态分布于合金晶界上。Bi的熔点较低，当合金切削或钻削时，刀具与材料之间的作用产生的热量，可使接触部位的Bi快速软化甚至使其呈液态，从而起到断屑的作用。由于Bi主要以薄膜形态分布于晶界上，因此合金中Bi的含量不宜过高，一方面过高的Bi元素会降低合金的冷、热加工性能，另一方面，含Bi量高会增加合金退火开裂的倾向。因此本专利技术锌白铜中Bi含量控制在0.05～1.5wt％，优选0.1～1.2wt％，进一步优选0.2～0.8wt％。作为优选，该锌白铜的重量百分比组成中，Cu、Zn、Mn和Ni的重量百分比含量满足：0.30≤(Zn+0.5Mn-1.5Ni)/(Cu+Zn+0.5Mn-1.5Ni)≤0.44。下文将(Zn+0.5Mn-1.5Ni)/(Cu+Zn+0.5Mn-1.5Ni)记为X。本专利技术锌白铜中Cu、Ni、Zn、Mn元素含量变化及热处理工艺会影响合金微观组织中的相比例，为使合金具有良好的切削性能，本专利技术锌白铜合金将β相比例控制在10～60％，优选15～45％。当合金中X＜0.30时，合金组织以α相为主，在该成分含量下，合金通过热处理难于获得足够量的β相，甚至无β相。当合金中X＞0.44时，合金相组成主要为α相和β相。X值过大时，甚至出现γ相。γ相属于硬脆相，不利于塑性加工变形。本专利技术锌白铜控制X值的变化范围在0.30～0.44之间，是为保证本专利技术合金在施加适当的热处理工艺后，既可获得良好的冷变形能力，又可获得足够比例的β相以提升切削性能，本专利技术X值的控制范围进一步优选0.32～0.40。Ni的锌当量系数为负值，其添加量的增加会扩大α相区，合金中α相越多，合金的冷加工性能越好，但同时合金冷加工后的应力也越大。当合金中的Bi含量不满足上述关系式时，合金在一次或多次拉伸退火过程中纵裂概率大，尤其是在热挤压线坯第二道及之后的拉伸退火。这种开裂与应力释放速率及Bi的含量和分布情况密切相关。拉伸变形后的合金在退火过程中，残余应力会逐渐释放，当应力释放速率过大时，单位时间的释放应力大。Bi在晶界分布会减弱晶界的结合力，且分布越密集，晶界的结合力将越小。当应力的释放力超过晶界的结合力时，材料出现沿晶界开裂。因此，作为优选，本专利技术控制该锌白铜的重量百分比组成中，Ni和Bi的重量百分比含量满足：9≤100(Ni+10Bi)≤23，优选11≤100(Ni+10B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种易切削锌白铜，其特征在于，其重量百分比组成为：Cu:42.5～47.5wt%、Ni:8.0～12.0wt%、Mn:4.0～8.0wt%、Bi:0.05～1.5wt%，余量为Zn和不可避免的杂质。/n

【技术特征摘要】
1.一种易切削锌白铜，其特征在于，其重量百分比组成为：Cu:42.5～47.5wt%、Ni:8.0～12.0wt%、Mn:4.0～8.0wt%、Bi:0.05～1.5wt%，余量为Zn和不可避免的杂质。


2.根据权利要求1所述的一种易切削锌白铜，其特征在于，该锌白铜的重量百分比组成中，Cu、Zn、Mn和Ni的重量百分比含量满足：0.30≤(Zn+0.5Mn-1.5Ni)/(Cu+Zn+0.5Mn-1.5Ni)≤0.44。


3.根据权利要求1所述的一种易切削锌白铜，其特征在于，该锌白铜的重量百分比组成中，Ni和Bi的重量百分比含量满足：9≤100(Ni+10Bi)≤23。


4.根据权利要求1所述的一种易切削锌白铜，其特征在于，该锌白铜横截面的微观组织中单个Bi颗粒的平均面积小于100μm2。


5.根据权利要求1所述的一种易切削锌白铜，其特征在于，该锌白铜横截面的微观组织中α相的平均晶粒尺寸小于90μm，β相的面积含量为10～60%。


6.根据权利要求1所述的一种易切削锌白铜，其特征在于，该锌白铜的重量百分比组成中还包括以下元素中的至少一种：Co:0.005～2.0wt%、Pb:0.0001～0.2wt%、Te:0.005～1.0wt%、S:0.001～0.2wt%、Se:0....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨泰胜，杨朝勇，熊承义，赵红彬，刘平，周耀华，朱清平，张轩，
申请(专利权)人：宁波博威合金材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33