一種生產複雜異型端面棒材的銅合金及方法與流程
2023-08-02 14:46:51
本發明涉及金屬材料領域，尤其是涉及一種生產複雜異型端面棒材的銅合金及方法。
背景技術：
通常，銅合金加工棒材的主要形狀規格以圓形為主，異型材主要形狀是正方、正六角、矩形，已形成標準化。若後續加工複雜形狀的產品，主要通過車、銑、刨加工完成，加工的效率低，材料的利用率低。棒材鍛坯經過熱模鍛的方法，可以生產多種不同形狀的鍛件，通常用圓形棒做坯料，對於形狀複雜的鍛件，金屬的流變會受到影響，出現充模不滿、應力不均而產生鍛造缺陷等，為了保證鍛造質量，坯料的裕量設計較多，鍛造後的飛邊就大，材料的利用率低。
工業設計的技術進步和人們對機加工的高效率要求、成本降低的要求，促使複雜形狀向材料前移，這樣就可以減少製作元件過程中的工序，大大提高加工效率和材料利用率，提高後續產品的品質，對於批量生產製造尤其重要。但異型材的製造難度大，工藝要求高。
檢索有關異型材製造技術，專利cn104148884介紹了一種異型鋼材的生產方法，所涉及產品形狀是正六角形狀，加工方法是圓棒經3次拉伸加工成品。專利cn104174685公開了一種近似梯形的異型不鏽鋼材的生產方法：獲得擠壓用坯料—熱擠壓比目標尺寸大30％面積的近似形狀擠壓坯—冷拔4次，每次冷拔前壓矯、表面處理、去應力退火。該方法流程長，工序多，說明現有技術存在明顯不足。
技術實現要素：
本發明是為了解決現有技術所存在的上述技術問題，提供了一種組織均勻，熱、冷加工性能均優良，在生產複雜異型端面型材時能克服不均勻變形應力大的問題，避免異型面尺寸差異太大而易發生的變形的用於生產複雜異型端面棒材的銅合金。
本發明還提供了一種生產複雜異型端面棒材的方法，採用通用的加工設備，步驟簡單，可操作性強。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種用於生產複雜異型端面棒材的銅合金，由以下質量百分含量的元素組成：cu：57～61％，pb：0.2～3.5％，fe：0.1～0.5％，sn：0.1～0.5％，al：0.02～0.2％，ti、zr、ta、b、p、c中的至少一種：各計0.0001～0.025％，餘量為zn及不可避免的雜質。本發明述及的合金是一種易切削多元複雜黃銅，是一種α+β+pb相合金，元素鐵起到強化合金的作用，由於溶解度有限，鐵質點能起到形核作用細化晶粒，特別是當合金中含有少量al、p時，細化作用更好一些，但滿足不了特殊要求的苛刻工藝。錫在二相黃銅中有一定的溶解度，錫元素對合金的強化作用是固溶強化，同時由於錫和鉛在合金熔體中無限互溶，在183℃共晶分解，錫有促使鉛均勻分散的作用，改善鉛在合金中的分布，避免鉛聚集，優化切削性能。合金中添加微量ti、或同時添加ti、b，細化效果更好，添加微量的zr、ta淨化合金，對晶粒細化有協同效果。c元素主要由碳化物熔劑熔入，和zr、ta共同作用，變質效果更好，對材料的切削性能有益。本發明的合金組織均勻、熱、冷加工性能均優良，在生產複雜異型端面型材時，能克服不均勻變形應力大的問題，避免了異型面尺寸差異太大而易發生的變形。
作為優選，由以下質量百分含量的元素組成：cu：57～61％，pb：0.7～3.0％，fe：0.15～0.4％，sn：0.15～0.4％，al：0.02～0.08％，ti：0.0001～0.003％，b：0.0001～0.001％，餘量為zn和不可避免的雜質。
作為優選，由以下質量百分含量的元素組成：cu：57～61％，pb：0.7～3.0％，fe：0.15～0.45％，sn：0.15～0.4％，al：0.02～0.10％，zr：0.0001～0.003％，p：0.01～0.025％，餘量為zn和不可避免的雜質。
作為優選，由以下質量百分含量的元素組成：cu：57～61％，pb：0.7～3.0％，fe：0.1～0.5％，sn：0.1～0.5％，al：0.02～0.15％，ta：0.0001～0.002％，c：0.0001～0.004％，餘量為zn和不可避免的雜質。
一種生產複雜異型端面棒材的方法，包括以下步驟：
(1)配料：以廢雜銅為原料，根據上述用於生產複雜異型端面的銅合金的元素組成進行配料。
(2)精煉鑄錠：採用熔煉爐+精煉爐+保溫鑄造爐的配置，精煉爐通過導流槽連通熔煉爐和保溫爐，首先將原料投入熔煉爐進行初級熔煉並進行合金成分控制，再將熔體經導流槽導流至精煉爐中進行精煉，精煉過程中進行除氣和熔劑除雜、除渣，熔體高溫熱處理1～4小時，轉入保溫鑄造爐水平連鑄或立式鑄造，生產得到端面組織為均勻的等軸晶，無粗大的柱狀晶的鑄錠。在精煉爐進行精煉操作，在1020～1120℃採用沸騰的物理方法，以及化學熔劑精煉相結合的方法精煉，進行除氣和熔劑除雜、除渣。按上述配比和工藝生產的鑄錠，端面組織均布均勻的等軸晶，無粗大的柱狀晶。
(3)擠壓：鑄錠經熱擠壓生產擠壓棒，擠壓溫度550～760℃。
(4)成型：通過「扒皮+拉伸」的壓力加工生產方式，即得到尺寸精度高的異型端面棒材。對於需要進行精加工的異型棒，還要進行後續的冷加工。加工棒的工藝流程為：鑄錠加熱—擠壓異型坯料—頭部處理—直拉—精整—異型加工材產品。異型材的拉伸做頭比普通圓棒或正多邊型難度大，本發明做頭採用限位、對中、頂入自動控制傳動，解決了制約冷加工的難題。冷加工採取材料去除與變形相結合的方法，控制形狀及尺寸精度。包括刨皮整理、拉伸，形狀複雜的要經過2-4道次變形，可以連續變形加工，達到目標形狀。本發明的材料去除與變形方法和通用技術的不同點，是不均勻變形。圓形或周對稱形狀的變形，經典的工藝要求是儘可能均勻變形，避免不均勻變形導致彎曲、扭曲，裂紋。複雜異型端面的在變形過程中要加工出形狀，特別是在擠壓坯料時無法達到的形狀和精度要求高的部位。不同部位加工量的設計，局部變形量可大，但該部位的變形量要均勻。和圓形棒材矯直設備技術成熟不同，異型材的矯直是工藝難點，主要在變形加工過程中控制直度，然後輔以矯直。
作為優選，擠壓時採用具有孔型區、形狀控制區及出口區的多級異型擠壓模。根據金屬熱擠壓的流變特點、熱塑性，設計擠壓模具的孔型，根據合金的收縮比，確定模具尺寸。對尺寸小，擠壓抗力大的部位，變形區長度減短，減小變形阻力。擠壓模具採用孔型區、控制區、出口區的多級綜合設計。孔型區保證產品的形狀，控制區保證輪廓，出口區保證擠壓坯順利流出無阻力、無劃傷。鑄錠在變形區經過擠壓成型，不均勻變形可能導致出口彎曲或扭轉，若直接進入出口區，則上述缺陷就會保留下來，經過變形區擠壓成型的擠壓坯直接進入控制區，使形狀得到穩定，不均勻變形力得到釋放，然後通過出口區牽引。擠壓牽引根據擠壓比聯機設定牽引速度，不會發生牽引變形的問題。在冷床設置矯直機構，可以在熱狀態進行適度輔助矯直。採用上述技術路線，生產複雜端面異型擠壓棒，尺寸精度達到0.5mm，直度達到不大於5mm/m，該結果不低於普通擠壓圓棒的尺寸精度。
作為優選，成型採用不均勻變形的加工方法，扒皮延伸整理形狀，控制精度。
一種複雜異型端面棒材。
因此，本發明具有如下有益效果：
(1)提供了一種用於生產複雜異型端面棒材的銅合金，合金組織均勻、熱、冷加工性能均優良，在生產複雜異型端面型材時，能克服不均勻變形應力大的問題，避免了異型面尺寸差異太大而易發生的變形；
(2)提供了一種生產複雜異型端面棒材的方法，採用通用的加工設備，步驟簡單，可操作性強，解決了棒材在冷卻過程產生不均勻收縮，出現扭曲、彎曲的問題。
說明書附圖
圖1是實施例1中弧形擠壓棒的形狀示意圖。
圖2是實施例2中扁形加工材的形狀示意圖。
圖3是實施例3中儀表支架用異型棒的形狀示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施方式對本發明做進一步的描述。
實施例1
弧形擠壓棒(見圖1)的製造。該型材寬度96mm，弧形厚度最小5mm，這樣的寬厚比弧形尺寸，熱擠壓過程易產生弧度變形，凹陷、不對稱等。
該異型棒材生產步驟如下：
(1)配料：以廢雜銅為原料，根據生產複雜異型端面的銅合金的元素組成(見表1)進行配料；
(2)精煉鑄錠：採用熔煉爐+精煉爐+保溫鑄造爐的配置，精煉爐通過導流槽連通熔煉爐和保溫爐，首先將原料投入熔煉爐進行初級熔煉並進行合金成分控制，再將熔體經導流槽導流至精煉爐中進行精煉，在1020～1120℃採用沸騰的物理方法和化學熔劑精煉相結合的方法精煉，精煉過程中進行除氣和熔劑除雜、除渣，熔體高溫熱處理1～4小時，轉入保溫鑄造爐水平連鑄成φ150mm規格的鑄錠。
(3)擠壓：鑄錠通過天然氣爐均勻加熱，擠壓模具採用組合擠壓模，擠壓溫度區間590～760℃，擠壓速度10～35mm/s。擠壓坯自動牽引，梯度冷卻。
(4)成型：定尺鋸切、包裝即得弧形擠壓棒。得到的異型端面棒材的尺寸符合性見表1。
實施例2
扁形加工材(見圖2)的製造。該產品的特點是寬而扁，形狀複雜。寬度25mm，厚度最小2.4mm，對稱面有六個平行面，邊部兩邊不對稱，其一端有錐形平頭，最小尺寸僅1.6mm，尺寸精度高。這是一種加工產品，需要經過材料去除和局部塑性變形保證形狀和精度，加工過程最容易發生不平、扭曲的問題，合金材料需具備切削性好、塑性好的坯料，在刨削時阻力小，變形時抗力小，才能順利生產。
本實施例中扁形加工材的生產方法與實施例1的不同之處在於：(1)銅合金的元素組成不同(見表1)；(2)擠壓模具孔型設計和成品形狀近似，加工裕量約20％。由於該異型材太薄，用磨削的方法做頭，小凹槽用刨削的方法完成，不同部位單次刨削量不同，整形部位刨削量稍大，其它平衡部位適當減少，保證拉伸刨皮後，平整不變形。成品經過拉伸整理精度，其餘完全相同。得到的異型端面棒材的尺寸符合性見表1。
實施例3
儀表支架用異型棒(見圖3)的製造。主要用於儀表支架。該產品下遊製造經中斷後，不需再對形狀加工，效率提高、材料利用率提高。該產品的形狀特點是有小稜、斜面和凹槽，保證尺寸、光潔平整、無缺損、無裂紋缺陷是生產的關鍵。
本實施例中儀表支架用異型棒的生產方法與實施例1的不同之處在於：(1)銅合金的元素組成不同(見表1)；(2)鑄錠擠壓近終型坯料，做頭採用限位、對中、頂入自動控制傳動，直接頂頭生產，通過刨皮整形生產出成品。該工藝方法生產的產品滿足應用要求，其餘完全相同。得到的異型端面棒材的尺寸符合性見表1。
表1各實施例中銅合金的元素組成及異型端面棒材的尺寸符合性
從表1可以看出，通過本發明得到的異型端面棒材形狀無變形、符合設計尺寸規格，表面無加工缺陷，斷面無缺陷。
以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，並非對本發明作任何形式上的限制，在不超出權利要求所記載的技術方案的前提下還有其它的變體及改型。