眼镜用白铜材料的研制

眼镜用白铜材料的研制

摘要:根据眼镜行业对金属材料的要求及各金属成分在合金中的作用,给出白铜材料的合金配比,并通过试验确定生产工艺中熔炼温度、连铸温度、连铸速度等生产条件范围,最终研制出强度高,耐蚀性,弹性,塑性及电镀性均很好,适合眼镜行业使用的白铜线材关键词:眼镜锌白铜水平连铸白铜合金线

1 前言

据调查我们周围有40%以上的人使用眼镜。这些眼镜包括:近视,老花,太阳镜及各种防护用镜。年过半百的人几乎都需佩戴老花镜。随着社会的发展,老年人的寿命在逐步提高,而青少年患近视率也在提高,需要配戴眼镜的人在不断增加,所以眼镜行业有较好的发展前景。然而由于国产眼镜用的金属材料项BZn15-20,H65黄铜等性能不佳。表现为强度低弹性差,加工表面有桔皮现象,光洁度低再加工开裂现象严重,废品率较高,不适合做高中档眼镜的要求。以至我国每年从国外进口大量的眼镜行业用的金属材料。锌白铜具有强度高,弹性好冷加工性能优良,焊接性能和电镀性能及耐腐蚀性均好,并且加工成型后表面光洁的优点。为了满足市场需求,提高国内眼镜用金属材料的品质和档次,提高生产企业的经济效益,我们对眼镜业用白铜材料进行了研发。

2 眼镜行业对所用金属材料的要求

2.1 弹性好

强度高.眼镜架在使用过程中会遇到非正常的折弯,挤压。要求材料一是不能折断二是在外力消失后恢复原状,所以材料要有较好的弹性。

2.2 塑性好

金属架品种多样,零件断面复杂多样,这就要求金属材料易加工,能承受大的冷加工变形,冲压后表面光洁,无桔皮开裂。

2.3 耐腐蚀性能优良

眼镜架材料必须能耐大气及人体汗液的腐蚀,在使用过程中能保持原有的光泽和颜色。

2.4 电镀性能好

作为长期使用的生活必需品,眼镜架要耐用美观,所以金属材料要较好的接受表面处理后要有较好的电镀性能。达到美观耐蚀的效果。

2.5 焊接性能好

一副金属眼镜架有多个焊点,材料的焊接性能直接影响眼镜架的质量,要求焊接处强度高,接头准确。

3 合金成分的确定

根据眼镜产品对金属材料的要求,参考国外有关资料,以选择锌白铜为出发点,我们采用Cu-Zn-Ni-Mn系合金。

3.1 各元素在合金中的作用

镍:金属镍与铜形成连续固溶体,提高铜合金的强度,耐蚀性和电镀性能。在铜-镍-锌系合金中随着镍含量的提高,合金的颜色由黄色向银白色转变。

锌:锌能大量固溶于铜镍合金中,显著提高合金的强度和硬度,同时锌存在于铜合金中还可以起到脱氧作用,但由于铜镍锌系合金中,在1000℃以上时锌与氧反应的自由焓与镍与氧反应的自由焓相差不大,所以锌对Cu-Ni系合金脱氧效果不太明显。

锰:金属锰能大量固溶于Cu-Ni-Zn合金中,提高合金的强度,并且其在高温时与氧反应的自由焓与镍与氧反应的自由焓相差较大,故其有较好的脱氧效果。同时元素锰的加入,能有效消除碳硫对合金的不良影响,改善合金的工艺性能。在铜-镍-锌系合金中金属锰的加入可抵消由于镍的降低对颜色的影响,使合金呈银白色。

3.2 合金化学成分的确定

根据该合金需要承受大变形量的要求,应将合金成分选区在a相区,以避免在合金中出现未转变完全的ρr等相影响其塑性。(图1)列出

了不同温度下Cu-Zn-Ni三元相图的等温界面。综合考虑合金的耐蚀性,电镀性,强度,色泽和加工的难易程度等各种因素,合金含镍量应不低于15%,不大于40%。【超出40%加工难度增加,原材料成本上升】。我们选取的合金成分范围为:

Cu60-%65%,Ni16.5%-19.5%,Mn0.25%-0.75%,Zn余量。

4 加工工艺的探索

4.1 工艺探索与实践:本研究采用的铜合金加工工艺路线为

铜合金→熔化→水平连铸→连铸线坯→冷拉→退火→拉伸→成品

A 熔铸工艺

熔铸设备包括:300kg工频有芯感应熔化炉一台,300kg工频有芯感应保温炉一台,水平连铸牵引设备一套。

按成分要求配好的炉料按以下顺序加入到熔化炉中,镍+铜2/3+木炭→熔化→加剩余1/3铜→加锌→捞渣→加锰→升温搅拌→成分检验→倾倒入保温炉。铜合金液通过保温炉内的溜槽进入结晶器。经牵引设备引出铸成12mm白铜合金线坯,由收线机收成卷状。

a工艺参数的优化

水平连铸过程需要优化的主要参数:熔炼温度,连铸温度,引锭速度,节距,拉停时间比,石墨结晶器材质等,各参数相互关联,共同影响线坯的内部组织结构和表面质量。

一般情况下,当连铸温度偏低时,晶粒组织较细,有利于提高引锭速度,但是容易产生冷隔,表面裂纹,甚至在结晶器内断裂。反之温度过高表面会较光滑,但易出现裂纹缩孔,冷却强度低时容易拉漏。对引锭速度与节距,一般情况下引速快,节距小,易得到光滑的表面,且晶粒细小均匀,线坯质量较好。综合考虑各种因素的影响,确定如下工艺条件: 熔炼温度1220-℃1300℃

连铸温度1160℃-1250℃

连铸速度0.8-1.6米/分钟

拉停比1/1

连铸节距12mm

结晶器长度130mm

b 合金成分的控制

在熔铸温度下合金元素锰易氧化烧损,为了控制合金成分,连铸期间应及时进行化学成分的检测,根据要求对合金元素进行补偿。

c 杂质含量对合金线坯的影响

在连铸过程中,合金中杂质成分含量严重影响线坯的表面质量和内部组织结构,严重时使连铸过程无法进行。所以要严格控制杂质含量。对合金中杂质含量作如下规定:如(表1)所示

B 冷加工及热处理工艺

1)2mm线坯经稀硫酸【15%重量比】酸洗40分钟后进行如下拉拔处理:12mm→酸洗→拉拔→9.6mm→8.0mm→7.5mm→退火→再拉拔→成品二料→成品前退火→拉拔→成品

中间退火温度660℃保温150分钟

两次退火间加工率控制在40%-60%

成品坯料退火

成品前最后一道退火的坯料称为成品坯料。由于成品的性能是通过加工率来控制的,所以成品坯的退火工艺对成品质量起决定性的作用。通常3.0mm以下坯料退火温度600℃-620℃。

保温150分钟。成品坯退火一般采用真空退火

成品坯酸洗

经真空退火的成品坯表面呈银白色,但由于锌的蒸发,表面发乌,没有光亮,为了得到表面光洁的产品,需进行酸洗。。光亮酸洗液成分如下:25%硝酸+25%硫酸+50%水【体积比】,但由于此酸洗液在酸洗过程