铜螺母及其制备方法
技术领域
本发明属于铜合金领域，具体涉及一种铜螺母及其制备方法。
背景技术
摩擦和螺旋压力机目前是国内主流锻压设备，具有结构简单、安装容易、操纵及辅助设备简单和价格低廉等特点，广泛应用于金属模锻、精压、冲压工艺以及耐火材料、陶瓷等非金属材料的压力加工。其中的铜螺母又为压力机重要构成部件，直接关系到压力机的生产能力。
铜螺母在机身内与螺杆配合上下往复运动，产生传动摩擦，同时，压力机在工作过程中对工件实施打击力，铜螺母牙齿承受挤压应力、剪切应力、弯曲应力。铜螺母的正常使用寿命为1年左右，在此期间内，铜螺母无开裂、断齿等情况，当铜螺母牙齿磨损量达到原牙齿厚度的60％以上时停机更换铜螺母。铜螺母使用寿命短一方面增加了用户的配件采购成本，另一方面非正常停机更换，耽误用户正常的生产安排，不但造成时间的浪费，而且影响生产产能。
铜螺母的报废主要有以下几个方面的原因：1)磨损量达到预设磨损量；2)铜螺母轴向开裂(见附图1)和旋向开裂(见附图2)；3)断齿。易磨损主要与材料的硬度有关系，硬度较低，材料易磨损，而开裂一方面是由于材料的塑性差，更重要的是与材料的力学性能不均匀有着重要的关系，因此，力学性能的不均匀在铜螺母牙齿承受挤压应力、剪切应力、弯曲应力时在强度薄弱处开裂，断齿的原因与开裂相近，因此，铜螺母具有优良塑性的同时具有高的强度、硬度且力学性能均匀是当前铜螺母需要改进的问题。
当前生产铜螺母的铜合金牌号一般为国标ZCuZn26Al4Fe3Mn3，材料的抗拉强度一般在600MPa左右，屈服强度在300MPa左右，硬度在130HB左右，延伸率在13％左右，一方面因强度、硬度较低，使得现有的铜合金耐磨性较差，使用寿命只能维持在1年左右，另一方面，因铜螺母为铸造出成品，不存在后续的挤压加工等，因此，在工艺控制不当的情况下就会导致基体内存在气孔、相组成控制不合理等导致力学性能不均匀、铜螺母综合性能差等问题。
因此，针对当前铜螺母存在的问题，需要对其性能进行改进。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术现状提供一种力学性能均匀且在具有优良塑性的同时具有高的强度、硬度的铜螺母。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种铜螺母，其特征在于由以下质量百分组成，Cu：56～63wt％，Al：2.5～6.5wt％，Fe：1.5～4.5wt％，Mn：1.5～4.5wt％，余量为Zn和不可避免的杂质，铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相。
Cu为铜螺母的主要元素，本申请将Cu的含量控制在56～63wt％，相比较于ZCuZn26Al4Fe3Mn3铜含量降低，相应地Zn含量提高，一方面，Cu含量降低有利于基体相β相的增加，提高基体的强度、硬度，提高耐磨性，另一方面，Cu含量降低有利于降低铜螺母的成本，但β相的含量过高会使得铜螺母的塑性降低，因此本申请将Cu的含量控制在56～63wt％。
Al大量溶于黄铜中且锌当量系数高，将显著缩小α相区，增加β相数量，并能够稳定黄铜的β相防止脆性γ析出，在提高铜螺母强度、硬度、耐蚀性的同时稍微降低塑性，为了实现铜螺母的强度而保证铜螺母具有较高的延伸率，将Al的含量控制在2.5～6.5wt％。
Fe在黄铜合金中的溶解度为0.1-0.2wt％，含量增加后，凝固时将以微粒状的高熔点富铁K相形式析出，作为晶核细化晶粒，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，阻止再结晶晶粒长大，达到细晶强化目的，从而提高合金的强度、硬度和高温塑性。但Fe含量过高，将降低铜螺母的塑性，因此，本申请中Fe的含量控制在1.5～4.5wt％。
Mn在黄铜合金中大量固溶且锌当量系数低，对合金组织影响不大，主要起固溶强化作用，可显著提高合金的强度、硬度、耐磨性，不降低塑性。但在此铜合金中Mn含量过高时，将导致合金性能急剧变坏，合金有破裂趋向，因此，本申请中Mn的含量控制在1.5～4.5wt％。
本申请是以β相为基体相，β相以CuZn为基的体心立方结构，为铜合金提供强度、硬度、耐磨性，α相是以铜为基的固溶体，为铜合金提供塑性，富铁k相为铜合金主要析出强化相，析出后弥散分布于合金中，细化晶粒，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，阻止再结晶晶粒长大，提高强度、硬度和力学均匀性，α相、β相以及富含Fe的K相三者协同作用在提高铜螺母强度、硬度的同时具有优良的塑性且铜螺母的力学性能均匀。
作为优选，所述α相与β相的面积比满足：0.15≤α相/β相≤0.25，所述K相的面积分数为2～5％。
为了实现高强度、高硬度与高塑性的结合，控制α相、β相以及富含Fe的K相的比例至关重要，当α相/β相小于0.15时，材料的塑性较差，当α相/β相大于0.25，基体中α相增多，强度、硬度降低，铜螺母的耐磨性变差，因此，α相与β相的面积比满足：0.15≤α相/β相≤0.25；当K相面积含量大于5％时，材料的脆性增加，当K相面积含量低于2％，基体的晶粒粗大特别是柱状的α相增多，同时，弥散分布的针状α相也增多，材料的整体性能变差，因此，K相的面积分数为2～5％。
作为优选，所述α相分散在β相中，所述α相呈块状和针状，所述α相中针状α相的面积分数为5％以下。α相的形貌对于改善合金的力学性能均匀性具有重要的影响，α相的形貌包括其形状以及分布的状态，在本申请中α相呈块状，理想的状态为近似球状，但普遍难以控制，基本是以块状呈现，该形状有利于耐磨和改善合金的力学性能均匀性，而相连的α相在摩擦过程中材料温升很快，不利于耐磨，且相连的α相易造成组织的不均匀，力学性能稳定性差，因此，控制α相分散在β相中，提升了耐磨和力学均匀性。通过对报废开裂产品取样进行金相组织检测，组织中存在约25％的破坏性针状α相，针状α相的存在导致基体的晶粒粗大且材料的性能不均匀，在铜螺母使用过程中，应力易沿针状α相集中，从而造成开裂，因此，为了实现材料性能的均匀性，将α相中针状α相的面积分数控制在5％以下。
作为优选，所述铜螺母的α相尺寸控制在10μm以下；所述K相的平均直径为50nm以下。铜螺母中细小尺寸的α相均匀分布在β相中，在保证材料实现高强度、高硬度的同时兼具良好的塑性，而且材料的性能更加均匀，因此，本申请中铜螺母的α相尺寸控制在10μm以下；本申请中K相弥散分布在基体内，将K相的平均直径控制在50nm以下，在提高强度的同时塑性降低不明显。
作为优选，所述铜合金还含有Ni：0.5～1.5wt％、Co：0.05～0.5wt％中的至少一种。
Ni在黄铜合金中连续固溶且锌当量为负数，缩小β相区，扩大α相区，提高再结晶温度，减小晶粒尺寸，强化合金熔液，提高合金强度的同时又能提高塑性和耐磨性，但Ni含量增加将增加原材料成本，因此，Ni的含量控制在0.5～1.5wt％。
Co在黄铜合金中微溶于铜，熔炼过程中阻碍晶粒长大，延缓固溶体过早分解、阻碍晶界反应，同时在凝固结晶过程中结晶形核，增加合金中晶粒数量，改变晶粒的形状，减小晶粒尺寸，提高特殊黄铜合金的强度、塑性和高温摩擦性能和耐热性能。当Co含量大于0.5wt％，钴对熔液进一步细化晶粒的作用减弱，残留在合金中的硬质点降低合金的塑性，影响伸长率，因此，Co的含量控制在0.05～0.5wt％。
作为优选，所述铜螺母的抗拉强度为700～850MPa，屈服强度为360～530MPa，所述硬度为160～180HB，所述延伸率为≥16％。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术现状提供一种铜螺母的制备方法。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种铜螺母的制备方法，其特征在于，该铜螺母的制备流程为：熔炼前备料、造型→料、模型烘烤→熔炼→熔液除气→合箱浇注→开箱清整→机械加工→质量检测；所述备料烘烤分两阶段，第一阶段的烘烤温度为200～300℃，烘烤4～5h；第二阶段将温度降低到145～155℃，保温3～5h。第一阶段的高温烘烤只能够初步去除料及模型中90％左右的水分，水分去除不彻底。第二阶段的保温是为了保证料及模型芯部水分在低温保温过程中，实现水分的逐步向外迁移，将剩余的水分充分去除干净，保证料及模型的绝对干燥，为铸造的实现提供保障。
作为优选，所述熔炼除气(氧气、氢气)工艺为：在熔液中加入硼化钙，沸腾停止后，熔液中通入高纯氩气1～3min进行除气，除气后的熔液气体含量为4ppm以下。本申请采用硼化钙和吹高纯氩气进行除气处理，将熔液中含气量降低到4ppm以下，从而降低铸造成品宏观及微观的气孔率。
作为优选，所述浇注温度为1000～1100℃，浇注前模具温度控制在80～120℃，浇包嘴距离浇口杯的距离为50～70mm，浇注时间2～3min。浇注温度过低，凝固速度过快，不利于合金熔液补缩和气体、熔渣的逸出，浇注温度过高，凝固速度减缓，合金熔液易从空气中吸气；模具温度过低，凝固速度过快，补缩不及时，达不到顺序凝固的目的，模具温度过高，凝固过缓，合金熔液凝固过程易吸气；浇包嘴离浇口杯过近，熔液对浇口杯形成冲刷，同时易形成涡流，卷入气体，浇包嘴离浇口杯过远，熔液不能充盈浇道，易带入气体；浇注时间过短和过长都会造成合金熔液在浇注过程的吸气。以上工艺过程控制不到位，都将导致铸件产生气孔、夹渣等铸造缺陷，同时，影响形核过程的均匀性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：1)本申请通过控制铜的添加量，并在黄铜中添加Al、Fe、Mn并控制其含量，使得铜螺母的微观组织含有基体相β相、α相以及富含Fe的K相，在提高强度、硬度的同时保证延伸率，且富含Fe的K相弥散分布于合金中，细化晶粒，改善了合金的力学性能均匀性。
2)铜螺母的抗拉强度为700～850MPa，屈服强度为360～530MPa，硬度为160～180HB，延伸率为≥16％，冲击韧性控制在4J/m2以上，综合性能优异，与现有的铜螺母相比，使用寿命提高6个月以上。
3)该铜螺母的晶粒细化，改善了合金的力学性能均匀性，保证铜螺母头部、中部、尾部硬度偏差控制在10％以下，降低了开裂、断齿的风险。
附图说明
图1为现有技术中铜螺母的轴向开裂照片；
图2为现有技术中铜螺母的旋向开裂照片；
图3为本发明实施例1的铜螺母金相照片；
图4为对比例中铜螺母的金相照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
选取15个实施例和1个对比例(ZCuZn26Al4Fe3Mn3)，具体成分见表1。实施例采用本发明制备方法加工成铜螺母，制备工艺流程为：熔炼前备料、造型→料、模型烘烤→熔炼→熔液除气→合箱浇注→开箱清整→机械加工→质量检测。
具体的工艺为：
1)熔炼前备料：根据实施例的成分备料；
2)料、模型烘烤：料、模型烘烤分两阶段，第一阶段的烘烤温度为200～300℃，烘烤4～5h；第二阶段将炉内温度降低到145～155℃，保温3～5h；
3)熔炼：待料沉入炉底加入冰晶石和苏打，快速提温到1250～1300℃，保温2～5分钟，调整温度至1110～1160℃，将熔液注入浇包；
4)熔液除气：将烘干的铜管包覆硼化钙用石墨压勺压入浇包底，硼化钙与熔液发生剧烈的沸腾现象，并伴随气体和熔渣排出，沸腾停止后(反应持续时间1～2min)，即反应结束，此时，将干燥的石墨吹气管插入熔液中，吹氩气2min，除气、排渣完成，炉前分析含气量小于4ppm，再次清渣，控制浇注温度1000～1040℃，取检测样，待浇注；
5)浇注：浇注温度为1000～1100℃，浇注前模具温度控制在80～120℃，浇包嘴距离浇口杯的距离为50～70mm，浇注时间2～3min；
6)开箱清整：待冷却2h以上后，开箱，清理浇注系统和批缝，表面做标识；
7)机械加工：锯切冒口，上车床加工内外径，制成商坯，产品端面做标识，入库；
8)质量检测：性能检测。
对15个实施例和1个对比例分别测试力学性能、硬度、耐磨性、冲击吸收功、冲击韧性。
力学性能：室温拉伸试验按照《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。
硬度：试验按照《GB/T231.1-2018布氏硬度试验第1部分：试验方法》在硬度计上进行，采用试验力与压头球直径平方的比率为10N/mm2进行试验。
耐磨性：试验按照《GB/T12444-2006试环-试块滑动摩擦试验方法》在试验机上进行，采用Φ50环形试样，试验速度分别为0.4m/s和0.6m/s。
冲击吸收功、冲击韧性：试验按照《GB/T229-2007夏比摆锤冲击试验方法》在摆锤式冲击试验机上进行，采用V型缺口试样，冲击功选用100J。
铜螺母头部、中部、尾部偏差＝|头部硬度-尾部硬度|+|头部硬度-中部硬度|+|中部硬度-尾部硬度|/3×100％。通过对实施例1中的铜螺母头部、中部、尾部进行硬度检测，偏差为1％。
由于压力机工作方式为螺杆、螺母配合上下往复运动，将能量传递给滑块，再通过滑块将能量传递给工件，对工件实施打击，铜螺母牙齿承受挤压应力、剪切应力、弯曲应力及冲击力，将铜螺母的抗拉强度控制在700～850MPa，屈服强度控制在360～530MPa，硬度控制在160～180HB，延伸率为≥16％，冲击韧性控制在4J/m2以上，与现有的铜螺母相比，存在断齿、变形、开裂等情况的风险将大大降低，使用寿命提高6个月以上。
ZCuZn26Al4Fe3Mn3铜螺母材料的铜含量较高，其强度、硬度较低，耐磨性差，易开裂。
