一种黄铜带材及其制备方法与应用与流程

本发明属于铜合金领域，具体涉及一种黄铜带材及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着5g工业化的进程，石油、矿山和船舶行业得到急速发展，其使用的大型发电机组、矿山专用设备、海上钻井平台、船舶动力设备等越来越大型化和模块化，大型热交换器行业前期广阔，当然对动力散热的热交换器也要求越来要高。如海上要求内盐雾腐蚀，动力平台要求耐振性和耐疲劳、散热效率高等。

2、目前这些特种设备的散热管采用的是普通h65黄铜带，黄铜带经过多组模具将铜带卷制形成管状料，同时铜带的两边部经过模具折弯成z型然后扣搭一起，两边部扣搭成型后经过高频焊接成管材，并采用专用设备镀锡之后由许多热力焊接管和散热片组成散热器组，散热组的焊接管中通入冷却液，然后利用空气和散热片之间的热量交换达到快速散热作用。但目前采用的这种黄铜带采用边部折弯成z型扣搭后高频焊接方式，其焊接管生产效率低下，制管高频焊接速度在40-60m/min，同时因边部折弯成z型扣搭对原材料搭扣可浪费约10％左右的材料。

3、随着技术进步，高频焊接设备得到了发展，出现了一种高频在线焊接设备，铜带经过多组模具将铜带卷制形成管状料，铜带的两边部经过模具平齐对接后进行高频焊接成管材，高频焊接速度可以达到250-350m/min，同时也节约了z型扣搭叠焊的材料，即焊接管材效率提高了5倍以上，同时铜带也节约了10％。

4、因为焊接效率的提高和边部平齐对接焊接方式，为了确保焊接的质量，对铜带提出了更高的要求，其要求热力焊管黄铜带产品具有薄、板型优良、尺寸公差小、易高频快速焊接、耐冷热冲击强、耐腐蚀性好、抗高温软化性能优良等性能，而目前的普通h65黄铜性能无法满足客户要求。

5、公开号为cn1804075a的专利文献公开了一种耐腐蚀合金黄铜h65及其铜带的制作方法。该耐腐蚀合金黄铜h65，由以下重量百分比的组分组成：铜：63.5～68％；微量元素：锡0.01～0.2％和/或磷0.01～0.07％；余量为锌。铜带的制作过程如下：合金设计→配料→水平连铸→铣面→粗轧→中间退火→精轧→剪切、包装。虽然该发明的铜带具有较好的腐蚀性，可以用于制造汽车散热器冷却管，但其加工性能较差，无法满足高频焊接对铜带性能的要求。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种综合性能优异的黄铜带材，其具有优异的高频焊接性能、良好的抗高温软化性能和耐腐蚀性能、超高的机械强度，且带材的版型优良。

2、一种黄铜带材，包括以下质量百分含量的组分，cu：63-66wt％，p：0.025-0.085wt％，te：0.005-0.015wt％，as：0.005-0.015wt％，余量为zn以及不可避免的微量杂质，其中所述黄铜带材中cu3p+α的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的cu3p+α共晶在220个/μm2以上。

3、添加合金元素p，能有效提高黄铜的高频焊接性能。热力焊管黄铜带在焊接时，其是在裸露的空气中进行高频焊接，在焊接过程中黄铜中的p元素能与空气中的氧反应生成p2o5无机物，而p2o5其沸点约为360℃，高频焊接时焊缝处的铜合金处于熔融状态，因此在高频焊接p2o5升华气体挥发掉，在焊缝处不残留氧化渣异物。同时在黄铜中磷元素有明显的细化晶粒作用，提高黄铜的抗高温软化性能，p和cu形成金属间化合物cu3p，以共晶形式(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界上，在热处理过程中共晶化合物(cu3p+α)会进行球化并在晶界处钉扎，组织热处理过程中晶粒的长大，从而达到细化晶粒组织的作用，同时大大提高了此款合金的抗高温软化能力和强度。

4、本发明黄铜带材中p的含量控制在0.025-0.085wt％时为最优。如果p低于0.025wt％，则高频焊接时，因黄铜中p元素含量不足，导致脱氧强度不够，焊缝处会残留焊接的氧化渣，从而导致焊缝的强度不足，难于满足热力焊管的爆破测试强度要求。但当p含量超过0.085wt％时，因p含量过高，导致黄铜中金属间化合物cu3p过多，以共晶形式(cu3p+α)呈片状或条块状网状连接分布晶界上，恶化了合金的材料塑性并增加了材料的各项异形，降低材料的塑性，不利于材料后面的冷加工变形，因此，p含量控制在0.025～0.085wt％较佳。

5、本发明通过控制合金中磷元素的含量以及通过后续制备工艺将合金的(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶控制在220个/μm2以上，并弥散细小分布在晶界处，可以确保合金高频焊接过程中黄铜中的p元素能与空气中的氧发生完全反应生成气化的p2o5无机物，大大增加合金的高频焊接的一致性，确保了合金高频焊接速度可以达到200-250m/min。

6、此外，添加微量的te和as时，能大大提高α单相的耐腐蚀性能。热力焊管在海上使用时，为了确保管材的使用寿命，黄铜带材因具有良好的耐腐蚀性能，但h65中含有大量的zn，在海洋的潮湿含盐量高的空气条件下易产生脱锌腐蚀。而添加一定量的te和as元素时能有效降低此合金组织中各晶粒的电位差，从而有效降低合金发生电化学腐蚀的速度，脱锌腐蚀现象可以得到减轻或抑制。

7、优选地，所述黄铜带材中，各组分的百分含量为：cu:64.5wt％，p：0.55wt％，te：0.01wt％，as：0.01wt％，余量为zn以及不可避免的微量杂质。

8、优选地，所述黄铜带材的厚度为0.1-0.2mm，硬度为130-170hv，抗拉强度420-540mpa，屈服强度为360-460mpa，延伸率＞20％，导电率≥26iacs％，粗糙度ra0.04-0.07μm，平均晶粒度＜5μm，并在450℃保温6小时后材料硬度在115hv以上，盐雾试验条件下24小时无明显变色和腐蚀。

9、优选地，所述黄铜带材的厚度公差控制在±0.002mm，宽度公差控制在±0.02mm，铜带侧弯＜0.3mm/m，扭曲度小于2°，翘曲度＜10mm/m，板型浪高＜0.002mm，边部毛刺＜0.003mm。

10、本发明还提供了所述黄铜带材的制备方法，包括以下步骤：配料熔炼→半连续红锭铸造→热轧+空冷自然时效→粗轧→第一次气垫式热处理→中间料轧制→第二次气垫式热处理→成品轧制→拉弯矫直→在线去应力退火→成品分切宽度，

11、其中，所述粗轧加工率为90～98％；中间料轧制加工率为65-85％；

12、所述第一次气垫式热处理和第二次气垫式热处理的退火加热炉区长度为18-25m，冷却区为2-5m，采用在线喷水水冷，经过冷却区后铜带表面温度降至室温，其中所述第一次气垫式热处理的退火温度为550～600℃，退火速度为30～50m/min；所述第二次气垫式热处理采用微氧化气氛退火，退火温度为500～550℃，退火速度为50～100m/min，并采用在线酸洗去除合金表面氧化物。

13、所述粗轧工序中，粗轧的加工率达到90～98％。粗轧加工率大，可以有效将热轧坯料组织经过冷加工成纤维织构，然后经过第一次气垫式热处理可将组织晶粒细化。

14、所述第一次气垫式热处理，采用单张展开式气垫炉退火，退火温度为550～600℃，退火速度为30～50m/min。退火加热炉区长度21m，冷却区3m，采用在线喷水水冷，经过冷却区后铜带表面温度降至室温。经过大加工率的粗轧后，合金组织为纤维织构明显，然后配合气垫式热处理的中温快速退火，可有效细化合金组织。因为合金组织纤维化后，在这种中温快速退火过程中，晶粒只会发生恢复和再结晶，没有时间进行晶粒长大，从而得到了细晶组织，同时因粗轧的大加工也使(cu3p+α)的共晶破损细化，经过第一次气垫式热处理后(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在100纳米以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶在200个/μm2以上。

15、所述中间料轧制工序中，中间料加工率为65-85％。

16、所述第二次气垫式热处理工序中，采用单张展开式气垫炉退火，退火温度为500～550℃，退火速度为50～100m/min，退火加热炉区长度21m，冷却区3m，采用在线喷水水冷，经过冷却区后铜带表面温度降至室温。加热采用微氧化气氛退火，保护气体为氮气和微量氧气的混合气体，氧气的含量为3～6％，并采用在线酸洗去除合金表面氧化物。

17、经中间料轧制和第二次气垫式热处理后，合金的晶粒度和(cu3p+α)的共晶破损细化，第二次气垫式热处理后合金组织的平均晶粒度控制在5μm以内，(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶在220个/μm2以上。

18、合金组织的晶粒细化，有效提高了材料的耐高温特性，进一步确保了此款合金在450℃保温6小时后材料硬度在115hv以上。同时(cu3p+α)的共晶组织的细化和单位面积上的颗粒度增加，能进一步提高合金高频焊接过程中黄铜中的p元素能与空气中的氧反应生成气化的p2o5无机物，提高合金的脱氧能力，增加合金的高频焊接特性。

19、本发明通过大的冷加工率+气垫式热处理，将合金的(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶在220个/μm2以上，弥散细小分布在晶界处，确保合金高频焊接过程中黄铜中的p元素能与空气中的氧发生完全反应生成气化的p2o5无机物，大大增加合金的高频焊接的一致性，确保了合金高频焊接速度可以达到200-250m/min。

20、优选地，所述半连续红锭铸造工序中，铸锭采用红锭铸造技术，结晶器冷却只采用一次冷却水冷却，不采用二次冷却水，一次冷却水进水温度控制在26～29℃，出水温度控制在45～50℃，流量为10～15m3/h，铸锭出结晶器表面温度在650℃以上，拉铸好的铸锭空冷至85℃以下进行水冷，防止热轧时铸锭开裂。因为此合金添加了0.02～0.08wt％的p，合金中的p和cu形成金属间化合物cu3p，cu3p为脆性化合物，并以共晶形式(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界上，如果铸造过程中铸造速度过快或者铸锭受水急冷时易在(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处产生铸造应力，并在此处出现显微裂纹，严重时铸造过程中铸锭就出现中心裂纹，同时在热轧时也会出现热轧开裂现象。为了确保铸锭质量，采用半连铸红锭铸造，大大降低了铸锭的铸造内应力，避免了铸造过程中组织晶界处出现显微裂纹，杜绝了铸锭开裂或热轧开裂的情况发生。

21、优选地，所述热轧+空冷自然时效工序中，铸锭加热温度840～880℃，保温时间3～4h，热轧开始温度820～840℃，终轧温度控制在500～550℃，打卷后空冷30～40小时后至70℃以内。经过热轧+空冷自然时效后带坯的硬度为55～65hv，抗拉强度为240～300mpa，延伸率≥50％。热轧+空冷自然时效也避免了热轧终轧后带坯500-550℃高温受到急冷，避免热轧后带坯组织在共晶形式(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处出现显微裂纹。

22、本发明通过半连续红锭铸造，避免了铸锭受水急冷时在(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处产生铸造应力生产晶界显微裂纹现象，确保了铸锭的质量，杜绝了铸锭开裂或热轧开裂的情况发生。同时，热轧收卷后采用空冷自然时效，也避免了热轧终轧后带坯500～550℃高温受到急冷，杜绝了热轧后带坯组织在共晶形式(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处出现因冷却内应力过大导致产生裂纹，确保了合金的冷加工塑性和物理机械性能等。

23、优选地，所述拉弯矫直工序中，采用23辊矫直机，矫直延伸率0.3～0.5％，矫直单位张力200～270n/mm2，矫直后的版型控制在5i以内。矫直单位张力达到合金材的屈服强度0.4-0.5，通过23辊完全矫直变形，并矫直延伸率控制在0.3～0.5％时，能有效提高合金带材的平整度，将板型控制在5i以内，同时能有效降低材料冷加工过程中的残余内应力。

24、优选地，所述在线去应力退火工序中，采用张力矫直气垫退火炉，退火温度400～440℃，退火速度80～120m/min，气垫炉内铜带单位张力控制在200～270n/mm2。合金带材经过加工硬化后，在400～440℃，退火速度80～120m/min，合金带材组织的晶粒发生恢复但无法再结晶，合金组织内部的残余应力得到释放，同时在线退火采用的单位张力达到合金带材的屈服强度0.4～0.5，带材在400～440℃发生蠕变延伸，材料板型得到进一步改善。因此通过此工序后，合金带材的组织内部的残余应力得到完全释放，板型优良，确保带材分条后铜带侧弯＜0.3mm/m，扭曲度小于2°，翘曲度翘曲＜10mm/m，板型浪高＜0.002mm。

25、优选地，所述成品分切宽度工序中，盘剪剪刃间隙为0.002～0.003mm，以确保分切的铜带的边部毛刺＜0.003mm。

26、本发明还提供了所述的黄铜带材在制备热力高频焊管中的应用。本发明的黄铜带材具有优异的高频焊接性能、良好的抗高温软化性能和耐腐蚀性能、超高的机械强度，以及优良的带材版型，在热力高频焊管的制备中具有广阔的应用场景。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、(1)本发明在国标基础上优化h65铜合金的成分比例，添加了合金元素p，并通过大的冷加工率+气垫式热处理，将合金的(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶在220个/μm2以上，弥散细小分布在晶界处，确保合金高频焊接过程中黄铜中的p元素能与空气中的氧发生完全反应生成气化的p2o5无机物，大大增加合金的高频焊接的一致性，确保了合金高频焊接速度可以达到200-250m/min。

29、(2)本发明通过半连续红锭铸造，即采用红锭铸造技术，避免了铸锭受水急冷时在(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处产生铸造应力生产晶界显微裂纹现象，确保了铸锭的质量，杜绝了铸锭开裂或热轧开裂的情况发生。同时，热轧收卷后采用空冷自然时效，也避免了热轧终轧后带坯500-550℃高温受到急冷，杜绝了热轧后带坯组织在共晶形式(cu3p+α)呈片状或球状分布晶界处出现因冷却内应力过大导致产生裂纹，确保了合金的冷加工塑性和物理机械性能等。

30、(3)本发明通过拉弯矫直，矫直单位张力达到合金材的屈服强度0.4-0.5，通过23辊矫直机发生连续弯曲轻微延伸变形，并矫直延伸率控制在0.3-0.5％时，能有效提高合金带材的平整度，将板型的控制在5i以内，并且能有效降低材料冷加工过程中的残余内应力。在线去应力退火，采用中温快速热处理方式，让合金带材组织的晶粒发生恢复但无法再结晶，同时在线退火采用的单位张力达到合金材的屈服强度0.4-0.5，在此张力下，带材在400-440℃会发生蠕变延伸，合金带材的组织内部的残余应力得到完全释放，材料板型得到进一步改善。因此通过此工序后，板型优良，确保带材分条后铜带侧弯＜0.3mm/m，扭曲度小于2°，翘曲度翘曲＜10mm/m，板型浪高＜0.002mm。

31、(4)本发明的黄铜带材的厚度为0.1-0.2mm，硬度为130-170hv，抗拉强度420-540mpa，屈服强度为360-460mpa，延伸率＞20％，导电率≥26iacs％，粗糙度ra0.04-0.07μm，平均晶粒度＜5μm，(cu3p+α)的共晶平均直径尺寸在80nm以内，单位面积上的(cu3p+α)共晶在220个/μm2以上，并在450℃保温6小时后材料硬度在115hv以上，盐雾试验条件下24小时无明显变色和腐蚀，同时要求厚度公差控制在±0.002mm，宽度公差控制在±0.02mm，铜带侧弯＜0.3mm/m，扭曲度小于2°，翘曲度＜10mm/m，板型浪高＜0.002mm，边部毛刺＜0.003mm，其满足空气条件下250-350m/min高速高频焊接要求。