本發(fā)明屬于銅合金，具體涉及一種無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、鉛黃銅具有優(yōu)異的切削性能和冷熱成型性能，被廣泛應(yīng)用于水暖衛(wèi)浴、電子電氣、儀器儀表、機(jī)械制造等領(lǐng)域，但鉛黃銅制品在使用過程中，pb元素容易進(jìn)入人體里，危害人的健康。易切削黃銅無鉛化一直是大家研究的課題。

2、市場出現(xiàn)了替代pb的元素，如bi、si、sb、se、s、ca以及石墨等，這些元素雖然對人體健康無害，也能改善黃銅的切削性能，但是它們都存在一些問題：含bi易切削黃銅存在自裂傾向；含si易切削黃銅c69300合金中的cu含量達(dá)到75wt%，價格昂貴，市場接受度低；sb、se、te通常用于添加到純銅中改善切削性能，添加到黃銅中改善切削性能的效果差，且這類金屬比較昂貴，用于黃銅中的性價比不高；黃銅熔煉添加s時產(chǎn)生刺激性氣味的so2氣體，危害熔煉作業(yè)人員的健康；ca和石墨與cu的濕潤性不好，而且比重小，在鑄造過程易上浮，合金制備困難。

3、公開號為cn118854116a的發(fā)明專利申請公開了一種無鉛易切削黃銅線材，包括以下質(zhì)量百分含量的組分，cu：61-63wt％，te：0.05-0.1wt％，si：0.1-0.3wt％，mg：0.02-0.1wt％，ca：0.01-0.1wt％，p：0.005-0.02wt％，余量為zn和不可避免的雜質(zhì)元素，所述的雜質(zhì)元素中fe＜0.05wt％，sn＜0.1wt％，ni＜0.02wt％；其中所述的無鉛易切削黃銅線材的微觀組織包括基體相和第二相，所述基體相包括α相和β相，所述第二相包括si相、ca3p2相、mg3p2相、p2si相、te相、cu3p相和cu2mg相；所述的無鉛易切削黃銅線材的微觀組織中，α相的面積占比為40-50％，第二相的面積占比為0.05-0.15％，該專利申請制備的黃銅線材具有優(yōu)異的切削性能、塑性、硬度和強(qiáng)度，其加工過程中加工過程中穩(wěn)定性和平順度顯著提升，加工面光潔度也有不同程度的改善，切削性能提升40％以上，平均組織晶粒度在30um以下。但該專利申請的耐應(yīng)力腐蝕性能需要進(jìn)一步提升。

4、黃銅是應(yīng)力腐蝕敏感的合金，在cu-zn二元黃銅中添加形成脆性斷屑相的元素，或通過控制脆性的β相占比來改善無鉛黃銅的切削性能，脆性相在特定環(huán)境（如含nh3、h2s等腐蝕介質(zhì)）下會加速應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致黃銅的耐應(yīng)力腐蝕性能變差，多元脆性相的存在，更是加劇了應(yīng)力腐蝕開裂傾向，這類材料加工的零件在服役過程中很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致零件失效，限制了這類無鉛易切削黃銅在電氣端子、氣密性元件、電子接插件行業(yè)的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種無鉛黃銅，該無鉛黃銅易切削且耐應(yīng)力腐蝕。

2、本發(fā)明提供了一種無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅，所述無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅的各組分質(zhì)量百分比組成包括：cu：58-60wt%，mg：0.3-0.7wt%，sn：0.1-0.3wt%，ni：0.1-0.5wt%，fe：0.05-0.25wt%，as：0.002-0.08wt%，?p：0.004-0.01wt%，pb≤0.1wt%，余量為zn和不可避免的雜質(zhì)；

3、其中，cu、mg、sn和ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)滿足：57≤mcu-(mmg×2+?msn×2-?mni×1.5)?≤58；

4、所述無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅的組織包括α+β+cu2mg，其中，cu2mg相的面積占比為0.2-1.5%，cu2mg相的平均尺寸為0.4-2μm。

5、本發(fā)明通過控制cu、mg、sn和ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系的機(jī)理是：本發(fā)明提供的合金元素中as、fe、p元素的鋅當(dāng)量系數(shù)為+1，且含量低，對組織影響很小，而mg的鋅當(dāng)量系數(shù)為+2，sn的鋅當(dāng)量系數(shù)為+4，ni的鋅當(dāng)量系數(shù)為-1.5，它們與cu共同影響本發(fā)明黃銅的組織，mg和sn能提高黃銅組織中的β相比例，而ni能降低β相比例，從而對材料的切削性能和耐應(yīng)力腐蝕性能產(chǎn)生影響。因此，為了保證本發(fā)明黃銅易切削的同時還有優(yōu)良的耐脫鋅腐蝕性能，cu和mg、sn、ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)滿足：57≤mcu-(mmg×2+?msn×2-?mni×1.5)?≤58。

6、本發(fā)明黃銅各元素含量的設(shè)計依據(jù)如下：

7、cu：cu含量高低直接影響黃銅組織中α相和β相的比例，α相軟質(zhì)相，β相為硬脆相，黃銅的切削性能隨著兩相比例變化而變化，當(dāng)cu含量低于57wt%時，即使調(diào)控其他元素含量及制備工藝，最終材料組織中的α相比例太低，材料開始呈現(xiàn)脆性，嚴(yán)重加劇其應(yīng)力腐蝕腐蝕開裂傾向；當(dāng)cu含量超過60wt%時，即使調(diào)控其他元素含量及制備工藝，最終材料組織中的β相比例太低，材料切削性能變差，切屑卷曲，不能滿足自動車床高速切削加工要求。

8、mg：mg部分固溶于黃銅中，當(dāng)黃銅中mg含量超過一定范圍時，mg與cu反應(yīng)生成一種脆性的金屬間化合物cu2mg，割裂了基體的連續(xù)性，改善了黃銅的切削性能，cu2mg相分布與占比與mg含量有關(guān)，當(dāng)本發(fā)明黃銅中mg含量低于0.3wt%，cu2mg相占比低，單位面積分布數(shù)量太少，切削加工時斷屑效果差；當(dāng)本發(fā)明黃銅中mg含量超過0.7wt%后，cu2mg相占比過高，單位面積分布數(shù)量過多，雖然更易斷屑，但是加劇了應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

9、sn：sn的加入可以提高脆性基體相β相的比例，sn的加入可降低黃銅在切削過程中的黏性，減少切屑與刀具的黏附，從而改善黃銅的切削性能，sn還通過占據(jù)晶界空位抑制腐蝕沿晶界擴(kuò)展，提高黃銅的耐應(yīng)力腐蝕性能。但是黃銅添加sn過多，會降低黃銅的塑性，因此在本發(fā)明中，sn含量范圍應(yīng)控制在0.1-0.3wt%。

10、ni：ni在黃銅表面優(yōu)先與環(huán)境中的氧結(jié)合，生成連續(xù)的nio或復(fù)合氧化物鈍化膜。此膜層能有效隔離腐蝕介質(zhì)（如h2s、nh3等）與基體的直接接觸，對黃銅的應(yīng)力腐蝕起到一定的抵制作用。但是黃銅添加ni過多，會降低黃銅的切削性能，因此在本發(fā)明中，ni含量范圍應(yīng)控制在0.1-0.5wt%。

11、fe：fe在銅中的溶解度很小，微量的fe以單質(zhì)形式均勻分布于黃銅基體中，主要起到細(xì)化組織的作用，fe含量過低，fe質(zhì)點數(shù)量少，細(xì)化作用弱，fe含量超過0.25wt%，容易出現(xiàn)粗大的fe顆粒，惡化黃銅的切削加工性能。因此，在本發(fā)明中，fe含量范圍應(yīng)控制在0.05-0.25wt%。

12、as：as傾向于富集在晶界區(qū)域，抑制鋅原子通過晶界空位的擴(kuò)散遷移，延緩脫鋅進(jìn)程，這種機(jī)制在雙相黃銅（α+β）中尤為顯著，可防止腐蝕沿β相間α相晶界的連通擴(kuò)展，從而抑制脫鋅腐蝕，而脫鋅腐蝕是黃銅應(yīng)力腐蝕的主要誘因。

13、p：當(dāng)脆性相與黃銅基體的潤濕性較差時，界面結(jié)合力薄弱，應(yīng)力腐蝕裂紋遇到脆性相時會加速擴(kuò)展。微量的p降低了脆性相cu2mg的表面張力，提高了cu2mg相與黃銅基體的潤濕性，當(dāng)p含量低于0.004wt%，對改變cu2mg相與黃銅基體的潤濕性的影響很小，當(dāng)p含量超過0.01wt%以后，p與cu形成較多的脆性化合物cu3p，雖然能改善黃銅切削性能，但是脆性cu3p相的存在，又加劇了黃銅應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

14、優(yōu)選地，所述單位面積cu2mg相分布數(shù)量應(yīng)控制在2000-6000個/mm2。本發(fā)明通過控制單位面積cu2mg相分布數(shù)量，結(jié)合cu2mg相的尺寸，促進(jìn)切削斷裂的同時，還能夠盡量減少大量的應(yīng)力集中的形成，提升耐應(yīng)力腐蝕能力。

15、優(yōu)選地，所述α相的平均尺寸為7-20μm，所述α相的長軸和短軸比為1.5-3.0。本發(fā)明通過控制α相的長軸和短軸比，使得α相的形貌既不是等軸晶也不是針狀或長條狀，減少β相相互貫通的可能性，增加應(yīng)力腐蝕裂紋沿著β相通道擴(kuò)展的困難程度，在不影響切削加工的同時，還能夠提升本發(fā)明提供的黃銅的耐應(yīng)力腐蝕的能力。

16、優(yōu)選地，所述β相的面積占比為45-60%。由于cu2mg脆性相主要分布在β相內(nèi)以及相界處，本發(fā)明通過β相的面積占比和α相的尺寸（間接代表β相的尺寸），使得cu2mg脆性相分布更加的均勻，提高材料的切削性能；同時還能盡量避免α相等軸化傾向，盡量減少β相間的相互貫通，使得應(yīng)力腐蝕裂紋更加困難沿著β相通道擴(kuò)展，提升本發(fā)明提供的黃銅的耐應(yīng)力腐蝕能力；還能夠避免由于過小的β相尺寸導(dǎo)致的細(xì)晶強(qiáng)化作用，使得硬度過高，反而加劇刀具的磨損，惡化材料的切削性能。

17、優(yōu)選地，所述無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅的組織還包括mg3p2和cu3p脆性相，所述mg3p2和cu3p脆性相的面積占比為0.1%以下。本發(fā)明通過控制mg3p2和cu3p脆性相盡量減少多元脆性相疊加效應(yīng)，加劇本發(fā)明黃銅的應(yīng)力腐蝕開裂傾向。

18、另一方面，本發(fā)明還提供了所述的無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅的制備方法，該制備方法的工藝流程包括：熔煉→連鑄→擠壓→拉伸→粗矯→低溫退火；

19、基于所述的無鉛易切削耐應(yīng)力腐蝕黃銅的各組分質(zhì)量百分比進(jìn)行配料、熔煉；

20、擠壓得到擠壓坯后進(jìn)行風(fēng)冷，所述擠壓坯的表面溫度為550-630℃。

21、本發(fā)明通過控制擠壓坯的表面溫度，以便于控制β相的比例，如果表面溫度過高則β相的含量過高，過低則β相的含量過低，本發(fā)明通過風(fēng)冷對出模的高溫擠壓坯快速冷卻抑制β相和cu2mg相長大。

22、優(yōu)選地，所述擠壓的工藝為：按（5-10）℃/（50-150）mm對鑄錠進(jìn)行遞增梯度加熱，鑄錠頭部的加熱溫度范圍為660-720℃，鑄錠尾部的加熱溫度范圍為700-770℃。

23、本發(fā)明通過梯度加熱鑄錠以便于對較晚進(jìn)行擠壓的鑄錠部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時通過合適的頭部和尾部的擠壓溫度的限定，使得在擠壓過程中鑄錠的頭中尾的實際擠壓溫度差異較少，所述實際的擠壓溫度能夠保持在680-700，在該實際的擠壓溫度和57≤a≤58對應(yīng)的鋅當(dāng)量范圍的協(xié)同作用下，使得結(jié)晶組織中得到適量的β相，且使得擠壓坯不同部位的β相的占比和形貌一致性較好，獲得均勻一致的擠壓組織。

24、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述擠壓的擠壓速度為5-11mm/s，擠壓比為50-300。本發(fā)明利用大擠壓比充分破碎晶粒，邊擠壓邊動態(tài)再結(jié)晶，獲得均勻細(xì)小的新晶粒，同時，本發(fā)明通過對擠壓的擠壓速度、擠壓比和擠壓溫度的協(xié)同控制，得到了合適的擠壓坯料的表面溫度，從而得到適量的β相。

25、優(yōu)選地，所述拉伸的加工率為14-32%。本發(fā)明提供的擠壓坯酸洗后再拉拔機(jī)上進(jìn)行拉伸，本發(fā)明通過控制拉伸的加工率，使得成品具有較好的力學(xué)性能，同時避免強(qiáng)烈的加工硬化，影響成品的塑性性能。

26、優(yōu)選地，所述低溫退火的溫度為190-250℃，保溫時間為180-360min。相比普通黃銅，本發(fā)明黃銅組織中含有較高比例的硬脆相β相和cu2mg相，由于β相和cu2mg相較α相難發(fā)生冷變形，拉伸過程中，β相和cu2mg相附近出現(xiàn)大量位錯堆積和殘余應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料表觀強(qiáng)度升高，因此，本發(fā)明提供的黃銅對溫度的敏感性比較高，即如果低溫退火溫度過高，原子擴(kuò)散和位錯遷移速度變快，強(qiáng)度衰減的程度比普通的黃銅更加明顯，因此，本發(fā)明提供的退火溫度在較低的范圍，同時通過延長保溫時間改善溫度降低帶來的應(yīng)力消除不徹底的問題。進(jìn)一步，在退火工藝中，從常溫開始升溫的時間為30-90min。

27、優(yōu)選地，還包括精矯，所述精矯的直度應(yīng)不超過0.4mm/m。線材無需矯直，棒材低溫退火后，由于應(yīng)力釋放，直度發(fā)生改變，需在精矯機(jī)上進(jìn)行精密矯直，直度應(yīng)不超過0.4mm/m，以滿足走心機(jī)加工要求。

28、優(yōu)選地，還包括檢驗：對成品棒線材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、硬度、金相組織以及表面質(zhì)量進(jìn)行檢測。

29、優(yōu)選地，成品棒線材的力學(xué)性能滿足：抗拉強(qiáng)度rm≥550mpa，屈服強(qiáng)度rp0.2≥360mpa，延伸率a≥10%，硬度hv≥160。

30、優(yōu)選地，所述熔煉的工藝為：采用中頻或工頻感應(yīng)電爐熔煉，按照合金所需成分配料，熔煉溫度為1000-1120℃，待全部金屬熔化，化驗成分合格后，升溫噴火，加清渣劑攪拌扒渣，成分合格后靜置5-10min，然后倒入保溫爐里保溫。

31、優(yōu)選地，所述連鑄的工藝為：采用水平連鑄或垂直半連鑄牽引鑄錠，鑄錠規(guī)格φ145-260mm，牽引速度為40-80mm/min，鑄造溫度為1020-1060℃；一次冷卻水壓力為0.3-0.5mpa，一次冷卻水進(jìn)水溫度為10-30℃，一次冷卻水出水溫度為22-42℃。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

33、本發(fā)明通過控制cu、mg、sn和ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及cu、mg、sn和ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)關(guān)系，以便控制合金中的鋅當(dāng)量，從而得到適量的β相，使得本發(fā)明提供的黃銅具有易切削性能的同時，還有具有優(yōu)良的耐脫鋅腐蝕性能，將mcu-(mmg×2+?msn×2-?mni×1.5)用a代替，當(dāng)a＜57時，本發(fā)明黃銅的耐應(yīng)力腐蝕性能顯著降低，當(dāng)a＞58，本發(fā)明黃銅的切削性能顯著變差。

34、本發(fā)明提供的cu2mg相是cu和mg形成的金屬間化合物，具有硬脆性，割裂了黃銅基體的連續(xù)性，可在切削過程中促進(jìn)切屑斷裂，減少長切屑纏繞刀具的風(fēng)險，從而提升加工效率；如果cu2mg相含量過高，單位面積分布數(shù)量過多，雖然更易斷屑，但是加劇了應(yīng)力腐蝕開裂傾向，如果cu2mg相的尺寸過小，反而斷屑效果變差。