1.本发明属于铜合金技术领域，具体涉及一种黄铜合金及其制备方法。


背景技术：

2.黄铜合金因其具备良好的冷热加工性能，且使用成本较低，因此，市场上电器插头基本选用黄铜材料加工制备。以一种圆角插头件为例，生产上大多采用“高速车削，钻孔
→
电镀”的方式加工，要求材料具备良好的切削加工性能、冷铆性能、直线度、电镀性能和导电性能。当前常使用黄铜合金牌号为h62和c3602。其中以c3602为代表的铅黄铜切削性能良好，然而随着人类健康意识的提高，无铅化必然成为未来发展趋势。h62材料低铅环保，冷铆性能良好，但切削性能较差，无法大规模使用高速车床加工制备。其他无铅材料包括含铋黄铜，硅黄铜，锡黄铜等。含铋黄铜切削性能接近铅黄铜，但材料自裂倾向明显，一般圆角插头规格在φ5mm以下，经过钻孔加工后材料冷铆性能无法满足使用要求，且电镀性能一般，废料不易回收处理，因此存在诸多限制。含硅无铅黄铜切削性能一般，电镀性能较差，镀层易脱落，一般硅黄铜常用于制备大规格热锻用棒材。含锡(锡含量在0.8wt％左右)无铅黄铜耐脱锌腐蚀性能良好，黄铜因内部组织存在大量γ硬质相，车削时易损刀，一般加工至规格φ5mm以下时硬度可达到hv180以上，材料冷铆性能较差。
3.当前市场上已开发应用的无铅黄铜均存在诸多问题，为满足未来市场需求，亟需开发一款满足φ5mm以下棒材加工，且兼具良好切削性能、冷铆性能、电镀性能和导电性能的黄铜合金。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种兼具良好切削性能、冷铆性能、电镀性能和导电性能的环保黄铜合金。
5.本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜合金及其制备方法，其特征在于：该黄铜的质量百分比组成为cu：61～65wt％、pb：＜0.1wt％、in：0.1～1.0wt％、sn：0.2～0.5wt％、ni：0.1～0.5wt％，余量为zn和不可避免的杂质。
6.作为优选，该黄铜的微观组织中含有α相、微量β相以及γ-in相，所述α相的面积含量为85～95％，γ-in相的面积含量为4～10％。其中γ-in相比例下限控制在4％，保证材料具备良好的切削性能，γ-in相比例控制上限在10％，避免材料脆性增加，影响成品冷铆性能和材料冷加工性能。
7.作为优选，所述γ-in相的平均尺寸≤5μm，所述α相的平均尺寸≤10μm。控制尺寸大小有利于使γ-in相弥散分布，避免出现γ-in相大面积聚集，降低材料冷铆性能。同时控制α相晶粒尺寸有利于形成更多γ-in相粒子分布于晶界中，从而提高材料切削性能
8.作为优选，还包括la，ce，mg，mn，zr中的至少一种，总量为0.01～0.2wt％。
9.添加其他微量有益元素，如la，ce元素，有利于细化晶粒，起到除杂、净化作用，减少夹杂弱化晶界。添加mg，mn元素，熔炼过程主要起到除氧还原作用，同时适量mg元素有利
于改善材料切削性能。适量mn元素有利于改善材料耐磨性能，降低圆角插头在插拔过程中的阻力，从而提高抗变形能力。添加适量zr元素，能够提高材料抗高温软化性能，间接提高圆角插头的使用寿命。
10.作为优选，该黄铜的抗拉强度为500～550mpa，硬度hv5为140～170，延伸率为5～18％，导电率≥27％iacs。
11.作为优选，该黄铜的切削率为c3600的80％以上，冷铆开裂时压缩比在80％以上，经车削后，黄铜的表面粗糙度ra在1μm以下。
12.本发明所要解决的第二个技术问题是一种黄铜合金的制备方法。
13.本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种黄铜合金的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
14.1)熔炼：按所需成分进行配料，熔炼温度控制在950～1000℃；
15.2)铸造：采用水平连铸，其中牵引节距：35～40mm；反推节距：1～3mm；牵引速度：10～20mm/s；反推速度1～3mm/s；
16.3)挤压：挤压温度为650～750℃，铸锭挤压比为350～600：1；挤压铸锭得到毛坯；
17.4)盘拉：毛坯加工率控制在40～65％，得到线坯；
18.5)退火：退火温度为300～420℃，加热时间60～150min。
19.6)联合拉拔：将线坯置于联合拉拔机进行拉伸，拉伸速率为40～80m/min，加工率控制在8～20％。
20.铸锭质量的好坏间接影响成品的质量，控制牵引节距、反推节距、牵引速率以及反推速率，能够在一定程度消除柱状晶粒，扩大等轴晶粒区域，使等轴晶粒区域占比达到60～90％，且平均晶粒尺寸在0.1～0.5mm范围。控制晶粒尺寸细小使得in元素分布更加弥散均匀，一定程度上改善切削性能。
21.挤压比控制在为350～600:1，挤压温度范围为650～750℃。较大的挤压比有利于控制挤压组织α相晶粒尺寸在10～30μm，合理的挤压温度有利于线坯正常挤压出料，同时控制α相比例在75～90％范围，提高材料的塑性和加工性能。
22.盘拉工序控制加工率在40～65％，相对较高的加工率有利于破碎晶粒，达到良好细晶效果，得到α相平均晶粒尺寸在5～20μm。
23.退火温度设置在300～420℃，组织β相比例降低，α相比例提升至85～98％。材料塑性提高，改善材料的冷铆性能。
24.联合拉拔工序控制加工率在8～20％。相对较低的加工率能够控制成品硬度在140～170hv范围，延伸率在5～18％。一方面有效控制成品棒材硬度，能够保证材料冷铆性能满足使用，同时后续无需进行成品低温退火，保证成品棒材直线度良好，满足车床高速加工要求和避免因退火软化出现变形和弯曲。
25.作为优选，所述步骤3)中，挤压前对铸锭进行加热，加热工艺分三阶段进行，预热阶段：温度控制在200～300℃，加热时间20～30min；加热阶段：温度控制在400～600℃，加热时间10～30min；保温阶段：650～750℃，加热时间10～30min。
26.挤压加热分三阶段进行，第一阶段主要起到铸锭预热作用，温度控制在200～300℃。较比于传统直接加热至高温的方式，能够尽可能维持原有组织形貌和大小，避免过热造成晶粒长大。第二阶段起到升温过渡作用，若温度设置过高，则造成铸锭升温过快，铸锭内
层与外层温度不一致(表面高，芯部低)，降低组织均匀性。若温度设置过低，则加热至第三阶段温度上升幅度过大，不利于精准控制铸锭出炉温度。因此第二阶段温度控制在400～600℃，有利于铸锭芯部与表面温度保持一致，且间接有效控制铸锭出炉后温度偏差在5～15℃以内。第三阶段主要起到铸锭保温作用，控制铸锭加热温度在设定挤压温度范围之内。
27.作为优选，所述步骤5)中，退火工艺分二阶段进行，预热阶段：温度控制在150～250℃，升温时间5～20min；保温阶段：温度控制在300～420℃，加热时间60～150min。
28.退火工序采用阶梯退火，第一阶段退火温度设置在150～250℃，由于前道次拉伸加工率较大，材料开始错位回复且出现再结晶的趋势，内部组织结构基本不出现变化。第二阶段退火温度设置在300～420℃，组织β相比例降低，α相比例提升至85～98％。材料塑性提高，改善材料的冷铆性能。同时经过第一阶段低温回复退火，第二阶段退火后组织晶粒尺寸基本不变化，α相晶粒平均尺寸增幅＜5μm。
29.与现有技术相比，本发明的优点在于：
30.1)本发明的黄铜合金采用低锡，锡含量在0.2～0.5wt％，相比较于高锡黄铜，基体中γ硬质相的含量降低，降低了车削时的损刀情况，添加一定量in元素，in类似pb，bi等元素具备一定易切削能力，且在一定条件下能够与sn元素结合形成γ-in低熔点脆性相，该γ-in低熔点脆性相弥散分布于α与β相界上，材料切削时热量产生，在该热量下将γ-in相熔化从而起到断削的作用，因此，弥补了低sn所产生的硬质相不足的问题，且更有利于断削而提高了材料的整体切削性；另外，由于γ硬质相的含量降低，材料的塑性增加，提高了材料的铆压性能；同时in元素能够增加材料临界电流密度，从而带来导电性能的提升。
31.2)本发明黄铜合金的抗拉强度为500～550mpa，硬度hv5为140～170，延伸率为5～18％，导电率≥27％iacs；切削率为c3600的80％以上，冷铆开裂时压缩比在80％以上，经车削后，黄铜的表面粗糙度ra在1μm以下，具备良好的切削、耐磨、导电、电镀性能，满足圆角插头加工、使用要求。
附图说明
32.图1为本发明实施例1的车削屑末形貌。
33.图2为本发明对比例的车削屑末形貌。
具体实施方式
34.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
35.本发明提供4个实施例和1个对比例，具体成分见表1。
36.实施例1
37.1)熔炼：按所需成分要求配比，使用原料包括电解板，铟锭，锡锭，纯镍，锌锭，镧铈合金。原料依次加入工频炉内升温，熔炼温度控制在990℃。
38.2)铸造：采用水平连铸工艺生产铸锭，其中牵引节距：35mm；反推节距：2mm；牵引速度：12mm/s；反推速度2mm/s。铸锭规格为：φ145mm。
39.3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热工艺分三阶段进行。预热阶段：温度控制在300℃，加热时间25min；加热阶段：温度控制在600℃，加热时间30min；保温阶段：710℃，加热时间30min。使用1800t挤压机挤压规格为φ8mm的毛坯。
40.4)盘拉：毛坯酸洗后使用倒立式盘拉机拉伸，加工率为60％。拉伸后线坯规格为φ5mm
41.5)退火：拉伸后的线坯置于井式炉内退火，退火工艺分二阶段进行，预热阶段：温度控制在150℃，升温时间15min；保温阶段：温度控制在380℃，加热时间120min。
42.6)联合拉拔：将坯料置于2t联合拉拔机进行拉伸。拉伸速率为60m/min，加工率为9％，成品规格为φ4.77mm。
43.7)矫直定尺：成品棒材进行矫直定尺，包装入库。
44.实施例2
45.1)熔炼：按所需成分要求配比，使用原料包括电解板，铟锭，锡锭，纯镍，锌锭，金属镁。原料依次加入工频炉内升温，熔炼温度控制在980℃。
46.2)铸造：采用水平连铸工艺生产铸锭，其中牵引节距：36mm；反推节距：2mm；牵引速度：14mm/s；反推速度2mm/s。铸锭规格为：φ145mm。
47.3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热工艺分三阶段进行。预热阶段：温度控制在280℃，加热时间25min；加热阶段：温度控制在580℃，加热时间30min；保温阶段：680℃，加热时间20min。使用1800t挤压机挤压规格为φ7.5mm的毛坯。
48.4)盘拉：毛坯酸洗后使用倒立式盘拉机拉伸，加工率为52％。拉伸后线坯规格为φ5.2mm
49.5)退火：拉伸后的线坯置于井式炉内退火，退火工艺分二阶段进行，预热阶段：温度控制在160℃，升温时间20min；保温阶段：温度控制在400℃，加热时间90min。
50.6)联合拉拔：将坯料置于2t联合拉拔机进行拉伸。拉伸速率为50m/min，加工率为16％，成品规格为φ4.77mm。
51.7)矫直定尺：成品棒材进行矫直定尺，包装入库。
52.实施例3
53.1)熔炼：按所需成分要求配比，使用原料包括电解板，铟锭，锡锭，纯镍，锌锭，金属锰和铜锆合金。原料依次加入工频炉内升温，熔炼温度控制在1000℃。
54.2)铸造：采用水平连铸工艺生产铸锭，其中牵引节距：38mm；反推节距：2mm；牵引速度：12mm/s；反推速度2mm/s。铸锭规格为：φ145mm。
55.3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热工艺分三阶段进行。预热阶段：温度控制在300℃，加热时间30min；加热阶段：温度控制在580℃，加热时间20min；保温阶段：680℃，加热时间25min。使用1800t挤压机挤压规格为φ7.8mm的毛坯。
56.4)盘拉：毛坯酸洗后使用倒立式盘拉机拉伸，加工率控制在54％。拉伸后线坯规格为φ5.3mm
57.5)退火：拉伸后的线坯置于井式炉内退火，退火工艺分二阶段进行，预热阶段：温度控制在180℃，升温时间12min；保温阶段：温度控制在360℃，加热时间150min。
58.6)联合拉拔：将坯料置于2t联合拉拔机进行拉伸。拉伸速率为50m/min，加工率控制在19％，成品规格为φ4.77mm。
59.7)矫直定尺：成品棒材进行矫直定尺，包装入库。
60.实施例4
61.1)熔炼：按所需成分要求配比，使用原料包括电解板，铟锭，锡锭，纯镍，锌锭。原料
依次加入工频炉内升温，熔炼温度控制在990℃。
62.2)铸造：辅助使用电磁搅拌设备，采用水平连铸工艺生产铸锭，其中牵引节距：35mm；反推节距：2mm；牵引速度：12mm/s；反推速度2mm/s。铸锭规格为：φ145mm。
63.3)挤压：挤压前对铸锭进行加热，加热工艺分三阶段进行。预热阶段：温度控制在300℃，加热时间30min；加热阶段：温度控制在600℃，加热时间30min；保温阶段：700℃，加热时间20min。使用1800t挤压机挤压规格为φ8mm的毛坯。
64.4)盘拉：毛坯酸洗后使用倒立式盘拉机拉伸，加工率为61％。拉伸后线坯规格为φ5.0mm
65.5)退火：拉伸后的线坯置于井式炉内退火，退火工艺分二阶段进行，预热阶段：温度控制在220℃，升温时间16min；保温阶段：温度控制在390℃，加热时间120min。
66.6)联合拉拔：将坯料置于2t联合拉拔机进行拉伸。拉伸速率为60m/min，加工率为9％，成品规格为φ4.77mm。
67.7)矫直定尺：成品棒材进行矫直定尺，包装入库。
68.对比例
69.1)熔炼：按所需成分要求配比，使用原料包括黄铜角料，紫铜角料，黄铜镀锡角料，黄铜镀镍角料，铜铁中间合金，金属硅，铜磷合金。原料依次加入工频炉升温，熔炼温度为1020℃。
70.2)铸造：采用半连铸铸造工艺，铸造温度为1000℃。得到铸锭规格为：φ145mm。
71.3)挤压：使用1800t挤压机挤压规格为φ6.4mm的毛坯。挤压温度为600℃。
72.4)均匀化退火：对挤压坯进行均匀化退火，退火温度为500℃，保温3h。
73.5)盘拉：毛坯酸洗后使用倒立式盘拉机拉伸，加工率为31％。拉伸后线坯规格为φ5.3mm。
74.6)退火：对线坯进行软化退火，退火温度为400℃，升温30min，保温240min。
75.7)成品拉伸：毛坯酸洗后使用2t联合拉拔机进行拉伸。拉伸速率为50m/min，加工率为20％，成品规格为φ4.77mm。
76.8)矫直定尺：成品棒材进行矫直定尺，包装入库。
77.对得到的实施例和对比例进行相关检测，具体见表2、表3。
78.力学性能检测：按照《gb/t 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》在电子万能力学性能试验机上进行，采用宽度为12.5mm的带头试样，拉伸速度为5mm/min。
79.导电率检测：按照《gb/t 3048.2-2007电线电缆电性能试验方法第2部分：金属材料电阻率试验》，本检测仪器为zfd微电脑电桥直流电阻测试仪，样品宽度为20mm，长度为500mm。
80.微观组织检测：根据ys/t 347-2004《铜及铜合金平均晶粒度测定方法》和ys/t449-2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》对材料微观组织性能进行评定。前者主要用于平均晶粒度评定，后者主要用于相面积含量评定
81.切削指数：根据ys-t 647-2007《铜锌铋碲合金棒》附录b中切削性能检测方法进行评定，设c36000(hpb63-3)的切削指数为100％。
82.表面粗糙度测试条件：参考gb/t 1031-2009《表面结构轮廓法表面粗糙度参数及
其数值》，使用表面粗糙度测量仪对车削后棒材表面进行测量。
83.所测表面粗糙度ra值越低，说明样品表面越光滑，间接说明材料切削性能优异，同时也有利于提高材料电镀性能。
84.冷铆测试条件：φ4.77mm棒材在数控车床上加工至长30mm的端子、端子铆接端钻内径φ3.0mm、深度6mm的孔，铆接端在端子铆压测试机缓慢施加1～3kn压力，直至φ3.0孔壁出现裂纹时停止施加压力，记录铆压开裂时孔外径变化的压缩比。在同等冷铆测试条件下，冷铆开裂时压缩比越大，说明材料冷铆性能越好。
85.车削测试条件：在数控车床上进行，其中车床转速为2000r/min，进刀量0.2mm，进给速度50mm/min。
86.表1本发明实施例和对比例的成分/wt％
87.编号cuinsnnipbzn其他实施例162.50.660.320.110.08余0.03la+0.03ce实施例261.80.570.290.220.09余0.04mg实施例362.40.740.350.180.07余0.05zr+0.02mn实施例463.10.760.330.100.07余 对比例58.6/0.820.0430.06余0.01fe+0.31si+0.1p
88.表2本发明实施例和对比例的微观组织及力学性能
[0089][0090]
表3本发明实施例和对比例的性能
[0091]