專利名稱：一種無鉛易切削黃銅合金及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于有色金屬加工技術領域，具體涉及ー種無鉛易切削黃銅合金及其制備方法，包括無鉛易切削黃銅合金的配方設計以及熔煉、連鑄連軋(或連鑄連擠)等制備技術ェ藝。
背景技術：
鉛黃銅合金擁有極其優(yōu)良的易切削性能，以及良好的耐蝕性能和加工性能，更為重要的一點是，其價格要比一般的銅合金便宜不少，成本較低，且制作エ序簡単。因此鉛黃銅合金長期以來都是作為最經(jīng)濟實用的合金而被廣泛應用在電子電器、家電、飲用水器件、航天航空、機械、汽車、儀表、五金等領域。鉛幾乎不固溶于黃銅合金中，主要以獨立相存在于銅-鋅固溶體的晶界處。大量游離的鉛質(zhì)點彌散分布在黃銅合金基體中，且鉛質(zhì)軟，在加エ過程中產(chǎn)生融化現(xiàn)象，起到了潤滑作用，使切屑易碎，エ件制品表面光潔。因此鉛黃銅合 金具有易切削、易加工等優(yōu)良特性。但是，鉛對人體有害。不但廢棄的鉛黃銅合金元件對土壤和水資源的污染引起人們的廣泛關注，其在熔煉、加工過程中，鉛蒸汽和粉塵對環(huán)境和人體的危害也越來越引起人們的注意。為了避免鉛的危害，減少鉛的應用，一些無鉛易切削黃銅合金已經(jīng)被開發(fā)，并逐步投入商業(yè)應用中。但是這些無鉛黃銅合金由于局限于ー些稀缺資源、生產(chǎn)エ藝復雜、成本較高等因素，而未能大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術方案在于克服現(xiàn)有技術之不足，提供一種生產(chǎn)成本低、エ藝方法簡單、可實現(xiàn)エ業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的無鉛易切削黃銅合金及其制備方法。本發(fā)明以回收的鍍鎳錫銅板邊角料(比如錫青銅合金QSn4_3、QSn6. 5-0. I、QSn7-0. 2、QSn6. 5-0. 4，錫黃銅合金邯1162-1、邯1170-1，鎳銅合金撕1140-2-1、撕1128-2· 5-1. 5等)作為原材料，以有效降低成本，同時綜合添加鋅、鉍、錳、稀土元素熔煉澆鑄成黃銅合金，并進行熱加工，使合金具有優(yōu)良的機械性能、耐腐蝕性能及切削性能，以取代傳統(tǒng)鉛黃銅合金。實現(xiàn)上述目的的技術解決方案如下
一種無鉛易切削黃銅合金由下列重量百分比的原料制成鋅Zn26.0 38. 0%、鉍BiO. 2 3. 5%、錳 Mnl. O 2. 1%、錫 SnO. 5 2. 0%、鎳 NiO. 3 2. 0%、稀土鑭 LaO. I O. 4%、雜質(zhì) < O. 1%、銅 Cu52. O 71. 6%ο一種無鉛易切削黃銅合金的制備方法，按權(quán)利要求I所述配方稱取原料放入中頻熔煉爐，升溫除氣、除渣靜置，熔煉、澆鑄，對所獲得銅合金進行形變熱加工處理，其主要步驟如下
第一歩原料選擇與稱取
在添加鋅Zn、鉍Bi、錳Mn、稀土鑭La時，采用定制的銅-鋅中間合金、銅-鉍中間合金、銅-錳中間合金和銅-鑭中間合金，其中銅-鋅中間合金中鋅含量56. 01%、銅-鉍中間合金中鉍含量19. 91%、銅-錳中間合金中錳含量25. 32%、銅-鑭中間合金中鑭含量24. 95% ;錫Sn、鎳Ni通過回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原材料添加，所述鍍鎳錫銅板邊角料中錫含量為14. 10%、鎳含量為9. 20% ;按權(quán)利要求I所述配方稱取原料；
第二步熔煉澆鑄黃銅合金
熔鑄采用高頻感應加熱爐，首先把銅-錳中間合金、純銅放入爐內(nèi)加熱至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作為覆蓋劑用以防止氧化，鱗片石墨的覆蓋厚度在1-2厘米，再依次添加銅-鑭中間合金、銅-鉍中間合金、鍍鎳錫銅板、銅-鋅中間合金(加入時鋅會沸騰，有著除氣的作用，但需要多加覆蓋劑以保證鋅不會燒損過多)，逐步降低溫度至950°C，待全部熔化，保溫10分鐘，保溫溫度為900 950°C，保溫期間進行攪拌、扒渣，最后澆鑄成型；第三步形變熱處理加工
首先固溶處理，將鑄件放入箱式電阻爐中加熱至750°C，保溫時間O. 5-1. 5小時；然后熱擠壓，在63噸液壓機上擠成各種規(guī)格的棒線材或者簡單形狀的型材，擠壓變形率為30 40%;退火處理而后，在箱式電阻爐中進行退火處理，以消除合金在熔鑄時引起的成分偏 析、晶粒粗大等缺陷，溫度600°C，保溫時間1-2小吋，空氣冷卻。本發(fā)明主要采用多元微合金化的方法提高黃銅合金各種性能，如機械性能、切削性能、耐腐蝕性能等，以達到替代鉛黃銅合金的目的。具體為通過鉍元素提高切削性能，錫能夠與鉍形成化合物彌散分布于晶界處，也能提高切削性能；錳、鎳的加入可以提高機械性能及耐腐蝕性能；稀土元素的作用較多，可以起到除氣、除雜、細化晶粒、浄化晶界等作用。若単獨上述各種元素進行強化時，其強化能力較弱，不能得到綜合性能優(yōu)異的黃銅合金，而一起添加時，能起到1+1 > 2的性能提升作用。本發(fā)明的有益技術效果是
1.本發(fā)明所制無鉛易切削黃銅合金的硬度較高，顯微硬度為130 150HV，而普通鉛黃銅合金的顯微硬度為110 140HV ;所制黃銅合金的抗拉強度大于450MPa，延伸率大于20% ；
2.本發(fā)明所制無鉛易切削黃銅合金的切屑形貌、大小與傳統(tǒng)鉛黃銅合金相似，切削性能優(yōu)良，在切削性能上可以取代鉛黃銅合金；
3.本發(fā)明所制無鉛易切削黃銅合金的耐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)鉛黃銅合金，在脫鋅腐蝕試驗中所制合金的脫鋅層厚度為150 200 μ m (脫鋅層厚度測試采用IS06509-1981標準)，遠低于鉛黃銅合金350 400 μ m的脫鋅層厚度；
4.本發(fā)明選擇回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原材料，成本低廉，具有節(jié)能環(huán)保的意義，同時本發(fā)明實施簡單，可以利用現(xiàn)有設備直接投入生產(chǎn)，具有良好的エ業(yè)化應用前景。


圖I為本發(fā)明實施例I中鑄態(tài)試樣XRD圖譜。圖2為本發(fā)明實施例I中無鉛易切削黃銅合金的SEM圖片。圖3為本發(fā)明實施例2中無鉛易切削黃銅合金的SEM圖片。圖4為本發(fā)明實施例3中無鉛易切削黃銅合金的SEM圖片。圖5為本發(fā)明實施例I中無鉛易切削黃銅合金斷ロ掃描圖片。
圖6為本發(fā)明實施例2中無鉛易切削黃銅合金斷ロ掃描圖片。圖7為本發(fā)明實施例3中無鉛易切削黃銅合金斷ロ掃描圖片。圖8為本發(fā)明實施例I中無鉛易切削黃銅合金切屑形貌。圖9為本發(fā)明實施例2中無鉛易切削黃銅合金切屑形貌。圖10為本發(fā)明實施例3中無鉛易切削黃銅合金切屑形貌。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作詳細介紹 實施例I:
選擇Cu99. 9%エ業(yè)純銅和定制的銅-鋅中間合金、銅-鉍中間合金、銅-錳中間合金、銅-鑭中間合金，回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原料，其中銅-鋅中間合金中鋅含量56. 01%、銅-鉍中間合金中鉍含量19. 91%、銅-錳中間合金中錳含量25. 32%、銅-鑭中間合金中鑭含量24. 95%，鍍鎳錫銅板中錫含量為14. 10%、鎳含量為9. 20%。按照配方范圍重量百分比計算稱取原料25g Cu-Bi中間合金，50g銅-錳中間合金，50g鍍鎳錫銅板，5gCu-RE中間合金，600gCu-Zn中間合金，420g純銅。將稱取的原料在高頻感應加熱爐中熔煉，首先把銅-錳中間合金、純銅放入爐內(nèi)加熱至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作為覆蓋劑用以防止氧化，鱗片石墨的覆蓋層厚度約I. 5厘米，而后依次添加銅-鑭中間合金、銅-鉍中間合金、鍍鎳錫銅板、銅-鋅中間合金，同時逐步降低溫度至950°C，待全部熔化后溫度保持在900°C并持續(xù)IO分鐘時間，期間進行攪拌、扒渣，繼而澆鑄成鑄錠，鑄態(tài)試樣XRD圖譜見圖
1。而后將鑄錠放入SRJX-4-9箱式電阻爐中進行固溶處理，溫度750°C，保溫時間I小時；將固溶處理后的鑄錠與已經(jīng)預熱到800°C的鋼制墊板(以使鑄錠溫度不會降低過快，所使用墊板厚度不小于3厘米)同時放入63噸液壓機上進行熱擠壓，擠成各種規(guī)格的板材或者簡單形狀的型材，變形率為30%。而后，在SRJX-4-9箱式電阻爐中進行退火處理，以消除合金在熔鑄時引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ藝參數(shù)選擇為退火溫度600°C，保溫時間I小時，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本發(fā)明最終成品黃銅合金的SEM觀察結(jié)果見圖2。最終得到的本發(fā)明易切削黃銅合金成品成分重量百分比為鋅Zn29. 1%，鉍BiO. 4%,錳 Mnl. 1%，錫 SnO. 6%,鎳 NiO. 4%,稀土鑭 LaO. 1%、雜質(zhì) < O. 1%、銅 Cu68. 2%。測得其性能為硬度132HV，抗拉強度470MPa，圖5為黃銅合金斷ロ掃描圖片，延伸率21%，切削性能為鉛黃銅合金HPb59-l的90%，圖8為黃銅合金切屑形貌，脫鋅層厚度190 μ m (其中脫鋅層厚度測試采用IS06509-1981標準)。實施例2 :選擇Cu99. 9%エ業(yè)純銅和定制的銅-鋅、銅-鉍、銅-錳、銅-鑭中間合金，還有回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原料，其中銅-鋅中間合金中鋅含量56. 01%、銅-鉍中間合金中鉍含量19. 91%、銅-錳中間合金中錳含量25. 32%、銅-鑭中間合金中鑭含量24. 95%，鍍鎳錫銅板中錫含量為14. 10%、鎳含量為9. 20%。按照配方范圍重量百分比計算稱取原料50g Cu-Bi中間合金，75gCu-Mn中間合金，IOOg鍍鎳錫銅板，IOgCu-RE中間合金，650gCu-Zn中間合金，265g純銅。將稱取的原料在高頻感應加熱爐中熔煉，首先把銅-錳中間合金、純銅放入爐內(nèi)加熱至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作為覆蓋劑用以防止氧化，鱗片石墨的覆蓋層厚度約I. 5厘米，而后依次添加銅-鑭中間合金、銅-鉍中間合金、鍍鎳錫銅板、銅-鋅中間合金，同時逐步降低溫度至950°C，待全部熔化后溫度保持在900°C并持續(xù)10分鐘時間，期間進行攪拌、扒渣，澆鑄成鑄錠。而后將鑄錠放入SRJX-4-9箱式電阻爐中進行固溶處理，溫度750°C，保溫時間I小時；將固溶處理后的鑄錠與已經(jīng)預熱到800°C的鋼制墊板(以使鑄錠溫度不會降低過快，所使用墊板厚度不小于3厘米)同時放入63噸液壓機上進行熱擠壓，擠成各種規(guī)格的板材或者簡單形狀的型材，變形率為35%。而后，在SRJX-4-9箱式電阻爐中進行退火處理，以消除合金在熔鑄時引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ藝參數(shù)選擇為退火溫度600°C，保溫時間I. 5小時，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本發(fā)明最終成品，圖3為黃銅合金的SEM觀察結(jié)果。最終得到的本發(fā)明易切削黃銅合金成品成分重量百分比為鋅Zn32. 8%，鉍BiO. 8%,錳 Mnl. 6%,錫 Snl. 0%,鎳 NiO. 8%,稀土鑭 LaO. 2%、雜質(zhì) < O. 1%、銅 Cu62. 7%。
測得其性能為硬度145HV，抗拉強度468MPa，圖6為黃銅合金斷ロ掃描圖片，延伸率23%，切削性能為鉛黃銅合金HPb59-l的110%，圖9為黃銅合金切屑形貌，脫鋅層厚度160 μ m (其中脫鋅層厚度測試采用IS06509-1981標準)。實施例3 :選擇Cu99. 9%エ業(yè)純銅和定制的銅-鋅、銅-鉍、銅-錳、銅-鑭中間合金，還有回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原料，其中銅-鋅中間合金中鋅含量56. 01%、銅-鉍中間合金中鉍含量19. 91%、銅-錳中間合金中錳含量25. 32%、銅-鑭中間合金中鑭含量24. 95%，鍍鎳錫銅板中錫含量為14. 10%、鎳含量為9. 20%。按照配方范圍重量百分比計算稱取原料75g Cu-Bi中間合金，IOOgCu-Mn中間合金，150g鍍鎳錫銅板，15gCu_RE中間合金，700gCu-Zn中間合金，IlOg純銅。將稱取的原料在高頻感應加熱爐中熔煉，首先把銅-錳中間合金、純銅放入爐內(nèi)加熱至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作為覆蓋劑用以防止氧化，鱗片石墨的覆蓋層厚度約I. 5厘米，而后依次添加銅-鑭中間合金、銅-鉍中間合金、鍍鎳錫銅板、銅-鋅中間合金，同時逐步降低溫度至950°C，待全部熔化后溫度保持在900°C并持續(xù)10分鐘時間，期間進行攪拌、扒渣，澆鑄成鑄錠。而后將鑄錠放入SRJX-4-9箱式電阻爐中進行固溶處理，溫度750°C，保溫時間I小時；將固溶處理后的鑄錠與已經(jīng)預熱到800°C的鋼制墊板(以使鑄錠溫度不會降低過快，所使用墊板厚度不小于3厘米)同時放入63噸液壓機上進行熱擠壓，擠成各種規(guī)格的板材或者簡單形狀的型材，變形率為40%。而后，在SRJX-4-9箱式電阻爐中進行退火處理，以消除合金在熔鑄時引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ藝參數(shù)選擇為退火溫度600°C，保溫時間2小吋，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本發(fā)明最終成品，圖4為黃銅合金的SEM觀察結(jié)果。最終得到的本發(fā)明易切削黃銅合金成品成分重量百分比為鋅Zn35. 2%，鉍Bil. 2%,錳 Μη2· 1%，錫 Snl. 6%,鎳 Nil. 2%,稀土鑭 LaO. 3%、雜質(zhì) < O. 1%、銅 Cu58. 3%。測得其性能為硬度140HV，抗拉強度455MPa，圖7為黃銅合金斷ロ掃描圖，延伸率20%，切削性能為鉛黃銅合金HPb59-l的100%，圖10為黃銅合金切屑形貌，脫鋅層厚度150 μ m (其中脫鋅層厚度測試采用IS06509-1981標準)。
權(quán)利要求
1.一種無鉛易切削黃銅合金，其特征在干由下列重量百分比的原料制成鋅26. O 38. 0%、鉍 O. 2 3. 5%、錳 I. O 2. 1%、錫 O. 5 2. 0%、鎳 O. 3 2. 0%、稀土鑭 O. I O. 4%、雜質(zhì) < O. 1%、銅 52. O 71. 6%O
2.一種無鉛易切削黃銅合金的制備方法，按權(quán)利要求I所述的配方稱取原料放入中頻熔煉爐，升溫除氣、除渣靜置，熔煉、澆鑄，對所獲得銅合金進行形變熱加工處理，其特征在于 (1)原料選擇在添加鋅、鉍、錳、稀土鑭時，采用定制的銅-鋅中間合金、銅-鉍中間合金、銅-錳中間合金和銅-鑭中間合金，其中銅-鋅中間合金中鋅含量56. 01%、銅-鉍中間合金中鉍含量19. 91%、銅-錳中間合金中錳含量25. 32%和銅-鑭中間合金中鑭含量24. 95% ；錫和鎳通過回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原材料添加，所述鍍鎳錫銅板邊角料中錫含量為14. 10%、鎳含量為 9. 20% ； (2)熔煉澆鑄黃銅合金熔鑄采用高頻感應加熱爐，首先把銅-錳中間合金、純銅放入爐內(nèi)加熱至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作為覆蓋劑用以防止氧化，鱗片石墨的覆蓋厚度在1-2厘米，再依次添加所述銅-鑭中間合金、銅-鉍中間合金、鍍鎳錫銅板、銅-鋅中間合金，降溫至950°C，待全部熔化，保溫10分鐘，保溫溫度為900 950°C，保溫期間進行攪拌、扒渣，最后澆鑄成型； (3)形變熱處理加工首先固溶處理，將鑄件放入箱式電阻爐中加熱至750°C，保溫時間O. 5-1. 5小時；然后熱擠壓，擠壓變形率為30 40% ;退火處理溫度600°C，保溫時間1-2小時，空氣冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無鉛易切削黃銅合金。其由下列重量百分比的原料制成鋅26.0～38.0%、鉍0.2～3.5%、錳1.0～2.1%、錫0.5～2.0%、鎳0.3～2.0%、稀土鑭0.1～0.4%、雜質(zhì)﹤0.1%、銅52.0～71.6%。具體制備方法包括按配方選擇稱取原料，按順序放入中頻熔煉爐、升溫除氣、除渣靜置、熔煉、澆鑄，形變熱加工處理。本發(fā)明的無鉛易切削黃銅合金的顯微硬度為130～150HV，抗拉強度大于450MPa，延伸率大于20%；在脫鋅腐蝕試驗中的脫鋅層厚度為150～200μm，遠低于鉛黃銅合金350～400μm的脫鋅層厚度；本發(fā)明選擇回收的鍍鎳錫銅板邊角料作為原材料，成本低廉，具有節(jié)能環(huán)保的意義。
文檔編號C22C1/03GK102828064SQ20121036678
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者黃新民, 吳玉程, 秦永強, 舒霞, 鄭玉春, 韓和兵 申請人:合肥工業(yè)大學