專利名稱：一種高鋅無鉛黃銅合金及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無鉛黃銅合金領(lǐng)域，尤其是涉及一種易切削、耐腐蝕的高鋅無鉛黃銅合金及制備方法，該合金適用于替代機(jī)械加工的鉛黃銅合金，是一種優(yōu)良的環(huán)保型綠色金屬材料。
背景技術(shù)：
伴隨著含鉛制品的大量使用，鉛對于人類的危害日益顯現(xiàn)，鉛中毒和鉛污染已成為人們普遍關(guān)注的社會問題。傳統(tǒng)工業(yè)上普遍使用的易切削黃銅均為含鉛黃銅(多為 HPb59-l等)，由于鉛黃銅具有優(yōu)良的冷熱加工性能、極好的切削性能和自潤滑等特點(diǎn)，能滿足各種形狀零部件的機(jī)加工，因此含鉛黃銅被世界公認(rèn)為重要的基礎(chǔ)材料，而廣泛應(yīng)用到民用供水/排水系統(tǒng)的鑄件及配件、電子、汽車及機(jī)械制造等領(lǐng)域。
但在生產(chǎn)或使用過程中1 及其化合物易揮發(fā)或析出，造成環(huán)境污染，危害人體健康。對人體主要造成的危害有損傷大腦中樞及周圍神經(jīng)系統(tǒng)；破壞造血系統(tǒng)，阻礙血紅素的合成，導(dǎo)致貧血；影響消化系統(tǒng)功能抑制免疫系統(tǒng)功能等。因此，世界各國開始重視鉛污染的危害性，并制定相關(guān)法令法規(guī)嚴(yán)格限制或禁止含鉛制品的使用。
所以，以無鉛、低害的物質(zhì)代替鉛，是減少鉛污染的主要途徑。即通過改善黃銅中的成分組成，適當(dāng)加入其他少量無毒害的元素代替鉛的功能，使其達(dá)到易切削的目的，既滿足工業(yè)上的需要又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。
基于以上原因，人們先后開發(fā)了無鉛易切削鉍黃銅合金來替代鉛黃銅。鉍黃銅作為最先替代鉛黃銅的無鉛銅合金已在發(fā)達(dá)國家占有很大的市場。但無鉛鉍黃銅的原材料成本遠(yuǎn)比鉛黃銅高，所以只能在環(huán)保要求很高的鉛黃銅市場存在需求，使其很難獲得廣泛的推廣與應(yīng)用。
因此，仍需要一種具有低成本、較好的鑄造性能、切削性、耐腐蝕性與機(jī)械性能等特點(diǎn)的無鉛黃銅來替代含鉛黃銅。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高鋅無鉛黃銅合金及制備方法，高鋅無鉛黃銅替代含鉛黃銅，具有低成本、較好的鑄造性能、切削性、耐腐蝕性與機(jī)械性能等特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種高鋅無鉛黃銅合金，按重量百分比計(jì)，其成分和含量如下
57-63 %銅、1-1. 5%石墨(鱗片狀、含碳量在95wt %以上，粒度為150-250 目)、0· 05-0. 2 % 鈦、0. 001-0. 05 % 鋁、0. 001-0. 05 % 硼、0. 02-0. 06 % 砷、0. 2-0. 5 % 鐵、 0. 1-0. 2%錳、0. 001-0. 07%稀土元素RE(鑭、鈰、釹中的一種或幾種)、其余為鋅，不可避免的雜質(zhì)含量不超過0.8%。
所述的高鋅無鉛黃銅合金的制備方法是
在熔煉時(shí)，先進(jìn)行銅鋅合金的熔煉，熔煉溫度為1100-1300°C，待完全熔化后加入石墨和銅鈦中間合金攪拌均勻，靜置保溫10-15分鐘后，再依次加入鋁、硼、砷、鐵、錳、 稀土元素的中間合金，其中招、砷、鐵、稀土元素以鋅的中間合金方式加入，硼、錳以銅的中間合金加入，攪拌扒渣，噴火后采用重力澆鑄，澆鑄溫度為1050°C -1100°C，澆鑄速度為 1-1. 5mm/s，制備合金鑄錠。
所述中間合金中，銅或鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為80-90%。
在熔煉時(shí)，覆蓋劑是采用石墨和玻璃，石墨和玻璃的重量比范圍為0. 5 2。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅通過在該合金中添加石墨替代鉛，同時(shí)成本比鉍黃銅低， 還可以減少鑄件的裂紋、夾雜等缺點(diǎn)，且能細(xì)化黃銅合金晶粒，具有非常優(yōu)異的冷熱加工性能，提高黃銅材料的機(jī)械性能及對海水的耐腐蝕性，可使材料具有良好的切削性能，同時(shí)兼具有一定程度的韌性，更兼具有優(yōu)異的鑄造性、機(jī)械強(qiáng)度、加工性與耐腐蝕性，能有效提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和合格率。


圖1為高鋅無鉛黃銅熔煉過程的工藝流程圖2為高鋅無鉛黃銅的切削性能試驗(yàn)圖3為HP1359-1黃銅的切削性能試驗(yàn)圖。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明的合金中添加合金元素的功能進(jìn)行說明。
在本發(fā)明中，除非另有說明，高鋅無鉛黃銅合金所包含的成分均以該合金總重量為基準(zhǔn)，并以重量百分比)表示。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，銅與鋅的含量占總重量的96%以上，其中，銅占合金總重量的57-63%，以提供良好韌性，以利于合金材料的后續(xù)加工。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，石墨的含量占合金總重量的1-1. 5%。石墨是一種優(yōu)良的固體潤滑劑，添加在合金中的石墨沒有溶解在銅中，是以質(zhì)點(diǎn)形式獨(dú)立分布在晶界處。在切削加工過程中，石墨不斷暴露出來，并在新生表面形成潤滑膜，覆蓋瞬間出現(xiàn)的新生表面，減少切削刀頭與切屑的摩擦，從而起到減少刀頭磨損的作用。此外，當(dāng)切屑被刀頭從基體切削剝離時(shí)，石墨顆粒較軟，強(qiáng)度、韌性較差，易斷裂，裂紋易在石墨顆粒處萌生并擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展時(shí)切屑就會發(fā)生斷裂，從而減少切屑的尺寸，有利于改善工件的表面質(zhì)量，保證合金具有良好的切削性能。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，鈦的含量占合金總重量的0. 05-0. 2%。微量的鈦對本發(fā)明的合金具有細(xì)化晶粒，改善塑性的作用。Ti與C生成難溶的碳化物(TiC)質(zhì)點(diǎn)，其碳化物結(jié)合力極強(qiáng)、極穩(wěn)定、不易分解，富集于銅的晶界處，阻止銅的晶粒粗化，減少粗大柱狀晶和樹枝狀組織的生成，可減少偏析降低帶狀組織級別。同時(shí)，加入Ti元素可以改善石墨在銅合金中的濕潤性，通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鑄態(tài)合金的α枝晶中含有石墨顆粒， 而Ti則以金屬間化合物的形式存在于枝晶間，且在石墨顆粒表面形成碳化鈦。從而改善合金的腐蝕性能、切削性能。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，鋁的含量占合金總重量的0. 001-0. 05%。在黃銅合金中添加特定量的鋁，在熔煉過程中Al減少Si的蒸發(fā)，增加銅水的流動(dòng)性；Al的加入可以擴(kuò)大合金的半連續(xù)鑄造圓錠的熱加工溫度范圍和提高其表面質(zhì)量，改善合金材料的鑄造性能、能提高合金的強(qiáng)度和硬度；Al可在鑄件表面形成薄膜，因而提高鑄件的耐腐蝕性能和表面光潔度；同時(shí)，鋁能明顯改善黃銅的切削性能，使切屑更細(xì)小，切削表面光潔度更高。 其作用在于添加少量的鋁能使石墨顆粒在合金中的分布更細(xì)小彌散，從而減小切削力和起到潤滑刀具的作用。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，硼的含量占合金總重量的0.001-0. 05%，砷的含量占合金總重量的0. 02-0. 05%。硼加入到合金后，具有顯著細(xì)化和變質(zhì)的效果，添加微量硼的鑄態(tài)細(xì)化變質(zhì)組織在高溫有較好的熱穩(wěn)定性，起到變質(zhì)劑的作用；減緩雙空位的遷移速度，從而提高黃銅的抗脫鋅能力，硼的加入還能明顯提高合金的抗沖蝕和腐蝕磨損性能。 此外，砷硼對脫鋅行為的協(xié)同作用在最佳硼砷含量下黃銅的脫鋅系數(shù)幾乎等于1，即不會發(fā)生脫鋅腐蝕。在黃銅中單獨(dú)加入硼或砷時(shí)，只能減緩雙空位的遷移速率，并不能完全阻止雙空位遷移的鋅溶解通道，因而也就不能完全抑制黃銅的脫鋅腐蝕。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，鐵的含量占合金總重量的0.2-0.5%。狗在合金α相固溶體中的溶解度只有0. 1-0.2%，超過此值便與Si生成化合物!^eZn2顆粒，首先從合金液相中析出成為晶核，細(xì)化合金組織。狗也可以推遲合金再結(jié)晶過程，阻礙晶粒長大。 ^*Μη、Α1同時(shí)加入效果更好，不僅可解決石墨黃銅材料開裂的缺陷，并且達(dá)到鉛黃銅(Η59-1鉛黃銅)所具備的材料特性(如切削性等)。鐵以富鐵相的微粒析出，作為晶核而提高細(xì)化晶粒與黃銅在結(jié)晶溫度，并能阻止再結(jié)晶晶粒長大，從而提高合金的機(jī)械性能和工藝性能，同時(shí)使黃銅具有高的韌性、耐磨性及在大氣和海水中優(yōu)良的抗蝕性。但含狗量多時(shí)，富鐵相過多，降低合金耐蝕性能。因此，本發(fā)明的合金可以用于制造受摩擦和受海水腐蝕的零件。另一方面，由于鐵元素是無毒、無害、無污染環(huán)境問題，在金屬析出量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)限定鐵元素含量，且鐵元素是人體不可缺少的微量元素，更適用于制造水龍頭、衛(wèi)浴零件、 自來水管線，或供水系統(tǒng)等應(yīng)用。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，錳的含量占合金總重量的0. 1-0. 2%。合金中的錳可以與銅形成連續(xù)固溶體，擴(kuò)大α相區(qū)，提高了狗在合金中的固溶度，也提高黃銅的再結(jié)晶溫度，使合金與鐵元素形成更細(xì)化的晶粒，有助于增加黃銅的強(qiáng)度與韌性，提高黃銅材料的機(jī)械性能以及對大氣或海水的耐腐蝕，提高耐熱性能，改善黃銅的切削性能，同時(shí)避免合金鑄件發(fā)生夾雜、裂紋等缺陷。同時(shí)，錳可作為合金的脫氧劑，在以錳脫氧的銅中一方面提高合金的軟化溫度，另外一方面有益于合金的力學(xué)性能和工藝性能。
本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅合金中，稀土元素RE(鑭、鈰、釹中的一種或幾種)的含量占合金總重量的0. 001-0. 07%。合金中加入稀土元素有除氣、去雜，凈化金屬，細(xì)化晶粒，使合金組織致密的作用，從而增加鋅原子擴(kuò)散阻力。另外，稀土元素易存在于界面上形成氧化膜，阻止鋅原子擴(kuò)散，抑制銅氯化合物的分解，有效抑制晶間腐蝕，可明顯提高合金的耐腐蝕性。
本發(fā)明研制的合金力學(xué)性能與鉛黃銅ΗΡ1359-1相當(dāng)，添加微量元素后，其耐脫鋅腐蝕性能優(yōu)于鉛黃銅，切削性能優(yōu)良，完全可以替代ΗΡ1359-1鉛黃銅，從而在不增加成本的基礎(chǔ)上避免鉛造成的污染。同時(shí)，本發(fā)明的合金能很好地進(jìn)行鍍鉻和銀焊處理，且以上述替代鉛的合金資源豐富，價(jià)格便宜，易于推廣應(yīng)用。
以下通過特定的具體實(shí)施例及

本發(fā)明的實(shí)施方式。
如圖1所示，本發(fā)明高鋅無鉛黃銅熔煉過程的工藝流程如下
在1. 5噸感應(yīng)熔煉爐中加入1噸的電解銅、純鋅、石墨、玻璃，在1. 5噸感應(yīng)熔煉爐中熔煉，熔煉溫度為1100-1300°C ；待完全熔化后，加入石墨和銅鈦中間合金攪拌均勻，靜置保溫10-15分鐘；取樣檢驗(yàn)合格后，依次加入鋁、硼、砷、鐵、錳、稀土元素的中間合金，攪拌扒渣；噴火后采用重力澆鑄，在1050°C -1100°C下進(jìn)行澆鑄，澆鑄速度為1-1. 5mm/s，獲得合金鑄錠。
實(shí)施例1
把按表1中所述合金成分，先進(jìn)行銅鋅合金的熔煉，熔煉溫度為1170°C，待完全熔化后加入石墨和銅鈦中間合金攪拌均勻，靜置保溫12分鐘后，再依次加入鋁、硼、砷、鐵、 錳、稀土元素的中間合金，其中鋁、砷、鐵、稀土元素以鋅的中間合金方式加入，硼、錳以銅的中間合金加入，所述中間合金中，銅或鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為80-90%。攪拌扒渣，噴火后采用重力澆鑄，澆鑄溫度為1070°C，澆鑄速度lmm/s，制備合金鑄錠。
在熔煉時(shí)，覆蓋劑是采用石墨和玻璃，其混合重量比例為1.25 1。
表1本發(fā)明高鋅無鉛黃銅合金成分(wt % )
權(quán)利要求
1.一種高鋅無鉛黃銅合金，其特征在于按重量百分比計(jì)，其成分和含量如下57-63 % 銅、1-1. 5 % 石墨、0.05-0. 2 % 鈦、0. 001-0. 05 % 鋁、0. 001-0. 05 % 硼、0. 02-0. 06%砷、0. 2-0. 5%鐵、0. 1-0. 2%錳、0. 001-0. 07%稀土元素 RE、其余為鋅。
2.按照權(quán)利要求1所述的高鋅無鉛黃銅合金，其特征在于合金中不可避免的雜質(zhì)含量不超過0.8%。
3.按照權(quán)利要求1所述的高鋅無鉛黃銅合金，其特征在于石墨為鱗片狀、含碳量在95wt%以上，粒度為150-250目。
4.按照權(quán)利要求1所述的高鋅無鉛黃銅合金，其特征在于稀土元素RE為鑭、鈰、釹中的一種或幾種。
5.按照權(quán)利要求1所述的高鋅無鉛黃銅合金的制備方法，其特征在于，包括如下步驟在熔煉時(shí)，先進(jìn)行銅鋅合金的熔煉，熔煉溫度為1100-130(TC，待完全熔化后加入石墨和銅鈦中間合金攪拌均勻，靜置保溫10-15分鐘后，再依次加入鋁、硼、砷、鐵、錳、稀土元素的中間合金，其中招、砷、鐵、稀土元素以鋅的中間合金方式加入，硼、錳以銅的中間合金加入，攪拌扒渣，噴火后采用重力澆鑄，澆鑄溫度為1050°C -1100°C，澆鑄速度為l-1.5mm/S，制備合金鑄錠。
6.按照權(quán)利要求5所述的高鋅無鉛黃銅合金的制備方法，其特征在于，所述中間合金中，銅或鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為80-90 %。
7.按照權(quán)利要求5所述的高鋅無鉛黃銅合金的制備方法，其特征在于，在熔煉時(shí)，覆蓋劑是采用石墨和玻璃，石墨和玻璃的重量比范圍為0. 5 2。
全文摘要
本發(fā)明涉及無鉛黃銅合金領(lǐng)域，尤其是涉及一種易切削、耐腐蝕的高鋅無鉛黃銅合金及制備方法，該合金適用于替代機(jī)械加工的鉛黃銅合金，是一種優(yōu)良的環(huán)保型綠色金屬材料。按重量百分比計(jì)，其成分和含量如下57-63％銅、1-1.5％石墨、0.05-0.2％鈦、0.001-0.05％鋁、0.001-0.05％硼、0.02-0.06％砷、0.2-0.5％鐵、0.1-0.2％錳、0.001-0.07％稀土元素RE、其余為鋅。在熔煉時(shí)，先進(jìn)行銅鋅合金的熔煉，待完全熔化后加入石墨和銅鈦中間合金攪拌均勻，再依次加入鋁、硼、砷、鐵、錳、稀土元素的中間合金，攪拌扒渣，噴火后采用重力澆鑄，制備合金鑄錠。本發(fā)明的高鋅無鉛黃銅通過在該合金中添加石墨替代鉛，同時(shí)成本比鉍黃銅低，還可以減少鑄件的裂紋、夾雜等缺點(diǎn)，且能細(xì)化黃銅合金晶粒，具有非常優(yōu)異的冷熱加工性能。
文檔編號C22C9/04GK102560190SQ201210021140
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月30日
發(fā)明者劉剛, 李文君, 王瑛 申請人:九星控股集團(tuán)有限公司