一种高镍含铅易切削材料及其晶粒组织致密化生产工艺的制作方法

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本发明专利涉及合金加工技术领域，特别涉及一种高镍含铅易切削材料及其晶粒组织致密化生产工艺。


背景技术：

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高镍含铅易切削材料主要是一类以镍为主要合金元素的铜合金，其中最具代表性，且应用最广泛的是白铜，白铜特别是锌白铜不仅具有银白色的外观，而且具有优良的耐腐蚀性、较高的强度，以及良好的加工性能，被广泛应用于拉链、手表表链、眼镜镜框铰链，以及装饰工艺品等领域。铜合金的加工形态与多种，包括铜合金带材，铜合金线材等，其主要的加工过程可以看作是对铜合金坯料不断地锻造，使铜合金内部晶粒组织变得更加致密化，从而达到特定形状和尺寸的过程。
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公告号为cn1162560c的中国专利公开了一种耐蚀白色铜锰合金及其线材制造方法，其重量百分比组分包括：9～15％mn，9～15％zn，0.5～1.5％al，0～1.5％sn,不大于0.2％的稀土，余量为铜；这种耐蚀白色铜锰合金线材的制造方法为：经过非真空熔炼、保温、除渣，浇铸温度保持在1050～1150℃，在水平连铸机上连铸成线坯，再将线坯冷拉成半成坯，经700～750℃高温退火120～240分钟，再酸洗、冷轧成扁线坯，再经过670～720℃退火120～240分钟、酸洗，最终冷拉成成品线材。
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这种现有技术方案制造出的铜合金线材外观、色泽虽然与普通锌白铜接近，且具备较好的耐蚀性，但是在实际加工过程中需要经过多次酸洗，再冷轧冷拉，生产过程会产生较多的酸性废水，增加了污水处理难度和成本，且酸洗过程中也存在安全隐患，会对工作人员造成潜在的健康危害。因此，开发出一种高效安全的易切削铜合金线材加工工艺具有重大意义。
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发明专利内容本发明专利的目的是提供一种高镍含铅易切削材料及其晶粒组织致密化生产工艺，具有加工工艺简单、稳定，所加工的线材致密性好、尺寸一致性高的优点。
[0006]
本发明专利的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种高镍含铅易切削材料，包括以下重量百分比含量组分：ni 15.0％～18.0％、cu 55.0％～60.0％、pb 1.2％～1.6％、fe 0.1％～0.5％、稀土不低于0.02％，以及余量的zn和不可避免的杂质，其中，合金成分中ni、cu、zn的含量不低于97.5％，各组分含量之和为100％。
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通过采用上述技术方案，zn元素能够提高白铜合金的抗大气腐蚀能力，在与ni元素的协同作用下可以有效提高白铜合金的耐磨性和耐腐蚀性；在锌白铜中添加铅元素，铅原子弥散分布在合金晶粒组织之间，起到一定的润滑作用，从而有效提高锌白铜合金的切削性能；稀土元素作为添加剂可以起到对锌铜合金的晶粒组织进行细化，改善晶粒组织的致密性，以及净化除杂的作用，从而达到提高合金材料晶粒组织致密性，切削性和加工一致性的效果。
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进一步的，所述稀土元素包括质量比为1:1的la和ce。
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通过采用上述技术方案，添加稀土元素la和ce，可以消除铸态柱状晶组织，显著细化晶粒，并使合金金相组织形态发生变化，从而达到改善合金热加工性能，以及室温力学性能的效果，使得合金在室温下易于拉伸延展加工。
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进一步的，所述稀土元素la的重量百分比含量为0.02％，所述稀土元素ce的重量百分比含量为0.02％。通过采用上述技术方案，控制稀土元素la与ce的重量百分比含量相同，可以有效利用la与ce两种元素的复配协同作用，提高合金晶粒细化过程的稳定性和均一性，进而达到提高合金晶粒组织细化一致性的效果，提高了合金的力学性能稳定性。
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进一步的，所述高镍含铅易切削材料的重量百分比组分中还包括：b、zr两种元素中的至少一种。
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通过采用上述技术方案，b、zr两种元素均具有很高的化学活性，可以作为晶粒细化剂来促进锌铜合金晶粒组织的细化处理，从而达到提高合金强度及耐蚀性的效果。
[0013]
进一步的，所述b、zr两种元素的百分比含量分别为：b 0.01％～0.1％、zr 0.01％～0.1％。
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通过采用上述技术方案，利用b、zr两种元素的复配协同作用，可以进一步提高合金晶粒细化过程的稳定性和均一性，进而达到提高合金晶粒组织细化一致性的效果，有效提高了合金的力学强度及延展性能。
[0015]
进一步的，一种高镍含铅易切削材料的晶粒组织致密化工艺，包括以下步骤：s1、将上述各组分在1300℃～1380℃下进行合金熔炼、保温，然后在水平连铸机上连铸成线坯；s2、将线坯在盘条联合剥皮机上进行拉伸、调直、剥皮，将线坯加工形成直径更小的半成品线材；s3、将s2步骤中制得的半成品线材在旋锻机上进行旋锤锻造，使得半成品线材的直径进一步缩小，线材内部晶粒组织进一步致密；s4、将s3步骤中经旋锻机旋锤锻造后的线材收绕成卷；s5、将收卷后的线材进行退火热处理，最终形成成品线材。
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通过采用上述技术方案，合金线坯经过盘条联合剥皮机得到拉伸、调直，并将外层粗糙皮层部分剥离，得到直径更小的半成品线材；室温下再经过旋锻机进行旋锤锻造，使得线材内部的精力组织进一步致密，从而得到更加细的线材；退火处理使得线材最终热定型形成力学性能稳定的成品线材。
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进一步的，所述步骤s5中采用钟罩式退火炉对线材进行退火热处理。
[0018]
通过采用上述技术方案，耐热不锈钢钟罩与炉台之间严格密封，使工件材料与外界空气隔绝，在加热、保温和冷却过程中，始终处于高纯度氮、氢气体的保护之中，从而使退火材料保持表面光亮无氧化。另一方面，由于在炉内有高强对流风机，炉内气氛形成强对流循环，促使炉温均匀，炉内各点温差较小，从而使退火材料获得均匀一致的物理机械性能。
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进一步的，所述步骤s5中退火温度为600℃～700℃。
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通过采用上述技术方案，该温度可以使合金线材得到更好的力学性能定型。
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综上所述，本发明专利具有以下有益效果：
1.本发明在合金中添加包括质量比为1:1的稀土元素la和ce，可以消除铸态柱状晶组织，显著细化晶粒，并使合金金相组织形态发生变化，从而达到改善合金热加工性能，以及室温力学性能的效果，使得合金在室温下易于拉伸延展加工；2.本发明进一步添加b、zr两种具有很高的化学活性的元素，可以作为晶粒细化剂来促进锌铜合金晶粒组织的细化处理，从而达到提高合金强度及耐蚀性的效果；3.本发明采用室温下联合剥皮、旋锤锻造、钟罩式退火炉退火，在相对比较简单稳定的加工条件下，加工得到特定规格的锌白铜合金线材，降低了生产成本。
具体实施方式
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以下结合实施列剂对比例对本发明专利作进一步详细说明。实施例
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实施例1：本发明的高镍含铅易切削材料包括以下重量百分比含量组分：ni 15.0％、cu 55.0％、zn 27.5％、pb 1.2％、fe 0.1％、la 0.02％、ce 0.02％、b 0.01％、zr 0.01％，余量为不可避免的杂质，各组分含量之和为100％；一种高镍含铅易切削材料的晶粒组织致密化工艺，包括以下步骤：s1、将上述各组分在1300℃下进行合金熔炼、保温，然后在水平连铸机上连铸成线坯；s2、将线坯在盘条联合剥皮机上进行拉伸、调直、剥皮，将线坯加工形成直径更小的半成品线材；s3、将s2步骤中制得的半成品线材在旋锻机上进行旋锤锻造，使得半成品线材的直径进一步缩小，线材内部晶粒组织进一步致密；s4、将s3步骤中经旋锻机旋锤锻造后的线材收绕成卷；s5、将收卷后的线材采用钟罩式退火炉对线材进行退火热处理，退火温度为600℃，最终形成成品线材。
[0024]
实施例2：本发明的高镍含铅易切削材料包括以下重量百分比含量组分：ni 16.0％、cu 57.0％、zn 24.5％、pb 1.3％、fe 0.2％、la 0.02％、ce 0.02％、b 0.03％、zr 0.03％，余量为不可避免的杂质，各组分含量之和为100％；一种高镍含铅易切削材料的晶粒组织致密化工艺，包括以下步骤：s1、将上述各组分在1330℃下进行合金熔炼、保温，然后在水平连铸机上连铸成线坯；s2、将线坯在盘条联合剥皮机上进行拉伸、调直、剥皮，将线坯加工形成直径更小的半成品线材；s3、将s2步骤中制得的半成品线材在旋锻机上进行旋锤锻造，使得半成品线材的直径进一步缩小，线材内部晶粒组织进一步致密；s4、将s3步骤中经旋锻机旋锤锻造后的线材收绕成卷；s5、将收卷后的线材采用钟罩式退火炉对线材进行退火热处理，退火温度为630℃，最终形成成品线材。
[0025]
实施例3：本发明的高镍含铅易切削材料包括以下重量百分比含量组分：ni 17.0％、cu 59.0％、zn 21.5％、pb 1.4％、fe 0.4％、la 0.02％、ce 0.02％、b 0.06％、zr 0.06％，余量为不可避免的杂质，各组分含量之和为100％；一种高镍含铅易切削材料的晶粒组织致密化工艺，包括以下步骤：
s1、将上述各组分在1360℃下进行合金熔炼、保温，然后在水平连铸机上连铸成线坯；s2、将线坯在盘条联合剥皮机上进行拉伸、调直、剥皮，将线坯加工形成直径更小的半成品线材；s3、将s2步骤中制得的半成品线材在旋锻机上进行旋锤锻造，使得半成品线材的直径进一步缩小，线材内部晶粒组织进一步致密；s4、将s3步骤中经旋锻机旋锤锻造后的线材收绕成卷；s5、将收卷后的线材采用钟罩式退火炉对线材进行退火热处理，退火温度为660℃，最终形成成品线材。
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实施例4：本发明的高镍含铅易切削材料包括以下重量百分比含量组分：ni 18.0％、cu 60.0％、zn 19.5％、pb 1.6％、fe 0.5％、la 0.02％、ce 0.02％、b 0.1％、zr 0.1％，余量为不可避免的杂质，各组分含量之和为100％；一种高镍含铅易切削材料的晶粒组织致密化工艺，包括以下步骤：s1、将上述各组分在1380℃下进行合金熔炼、保温，然后在水平连铸机上连铸成线坯；s2、将线坯在盘条联合剥皮机上进行拉伸、调直、剥皮，将线坯加工形成直径更小的半成品线材；s3、将s2步骤中制得的半成品线材在旋锻机上进行旋锤锻造，使得半成品线材的直径进一步缩小，线材内部晶粒组织进一步致密；s4、将s3步骤中经旋锻机旋锤锻造后的线材收绕成卷；s5、将收卷后的线材采用钟罩式退火炉对线材进行退火热处理，退火温度为700℃，最终形成成品线材。
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对比例对比例1：与实施例1的区别在于未添加pb元素。
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对比例2：与实施例1的区别在于未添加la、ce元素。
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对比例3：与实施例1的区别在于未添加b、zr元素。
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性能检测按照实施例1～4、对比例1～3的方法，制备合金试样线材，每个实施例及对比例各截取3根相同长度的线材作为测试样，按照以下检测项目对试样线材进行测试。由同一方法制得的试样线材的测试结果取平均值，测试结果如表1所示：表1以上各实施例及对比例试样线材的测试结果测试项目抗拉强度mpa延伸率％切削性％实施例1742778.2实施例2738677.9实施例3736677.8实施例4739778.1对比例1735573.4对比例2732575.5对比例3737574.8由表1测试结果可知，实施例1～4的抗拉强度略高于对比例1～3的抗拉强度测试结果，但差异不明显，说明锌白铜合金的抗拉强度由主元素的种类与含量决定。从延伸率、切削性
测试结果可以看出，实施例1～4测试结果均优于对比例1～3，说明在锌白铜合金中添加pb、la、ce、b、zr元素可以有效细化合金晶粒，改善晶粒组织的致密性，从而增强合金的切削性和延展性，有助于提高合金的易加工性。
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本具体实施例仅仅是对本发明专利的解释，其并不是对本发明专利的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明专利的权利要求范围内都受到专利法的保护。

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