CN106947883A - 一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金，由以下重量百分比的原料制成：锌30～38％、铋0.2～3.5％、锰1.5～2.5％、硅1.5～3.5％、稀土元素0.1～0.4％、杂质≤0.1％、余量全部是铜；其制作方法包括原料的选择、配料、熔炼、连铸连挤或连铸连轧。本发明所制黄铜合金的硬度较高(显微硬度为150～155HV)，而普通铅黄铜的硬度为110～150HV；所制黄铜合金的抗拉强度大于500MPa，延伸率大于20％。本发明所制黄铜合金的切屑形貌、大小与传统铅黄铜相似，切削性能优良。本发明所制黄铜合金，在脱锌腐蚀试验中所制合金的脱锌层厚度为100～160μm，远低于铅黄铜350～400μm的脱锌层厚度。

Description

一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金及其制作方法

技术领域

本发明属于金属材料制作领域，具体涉及一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金及其制作方法。

背景技术

铅黄铜拥有良好的耐蚀性能，以及极其优良的易切削性能和加工性能，更为重要的一点是，其价格要比一般的铜合金便宜不少，成本较低，且制作工序简单。因此铅黄铜长期以来都是作为最经济实用的合金而被广泛应用在电子电器、家电、饮用水器件、航天航空、机械、汽车、仪表、五金等领域。铅几乎不固溶于黄铜合金中，主要以独立相存在于Cu-Zn固溶体的晶界处。大量游离的铅质点弥散分布在黄铜基体中，且铅质软，在加工过程中产生融化现象，起到了润滑作用，使切屑易碎，工件制品表面光洁。因此铅黄铜具有易切削、易加工等优良特性。

但是，铅对人体有害。不但废弃的铅黄铜元件对土壤和水资源的污染引起人们的广泛关注，其在熔炼、加工过程中，铅蒸汽和粉尘对环境和人体的危害也越来越引起人们的注意。因此，一些无铅易切削黄铜已经被开发，并逐步投入商业应用中。但是这些无铅黄铜可能局限于一些稀缺资源、或者工艺复杂、成本较高等因素，而未能大规模生产。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有优良的机械性能、耐腐蚀性能及切削性能的黄铜合金及其制作方法，以取代传统铅黄铜。

为了实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金，由以下重量百分比的原料制成：锌30～38％、铋0.2～3.5％、锰1.5～2.5％、硅1.5～3.5％、稀土元素0.1～0.4％、杂质≤0.1％、铜余量。

进一步地，一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金的制作方法，具体步骤如下：

(1)原料的选择

以纯铜、Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金为原料；其中，Cu-Zn中间合金中Zn质量分数为50％、Cu-Si中间合金中Si质量分数为20％、Cu-Mn中间合金中Mn质量分数为20％、Cu-Bi中间合金中Bi质量分数为20％、Cu-RE中间合金中RE质量分数为10％；

(2)配料

以Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金以及纯铜为原料，在配料时查询在熔炼最高温度时各种元素的蒸汽压，并由此确定各个元素的烧损率，继而确定上述原料之间的质量关系；

(3)熔炼

配料完成后，进行合金的熔炼，熔铸采用的是高频感应加热炉，首先把Cu-Mn中间合金、Cu-Si中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入0.5cm层厚的鳞片石墨作为覆盖剂，然后依次添加Cu-RE中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-Zn中间合金，同时慢慢降低温度，降低至1100℃；待全部熔化后温度保持在900～950℃之间并持续15～20分钟，期间进行搅拌、扒渣；

(4)连铸连挤或连铸连轧

浇铸过程在工业上进行连铸连挤或连铸连轧，即在铸锭刚刚凝固时，此时铸锭温度为800～850℃，与已经预热到450～550℃的模具，同时放入连续挤压机下进行热挤压，最后去除材料表面氧化皮，即得到最终成品。

本发明的有益效果是：

本发明主要采用多元微合金化提高黄铜各种性能，如耐腐蚀性能、机械性能、切削性能等。具体为：通过硅元素提高合金的耐蚀性能；铋元素提高切削性能；锰的加入可以提高机械性能及耐腐蚀性能；稀土元素的作用较多，可以起到除气、除杂、细化晶粒、净化晶界等作用。若单独上述各种元素进行强化时，其强化能力较弱，不能得到综合性能优异的黄铜合金，而一起添加时，能起到1+1＞2的性能提升作用，具体优点体现如下：

1.本发明所制黄铜合金的硬度较高(显微硬度为150～155HV)，而普通铅黄铜的硬度为110～150HV；所制黄铜合金的抗拉强度大于500MPa，延伸率大于20％。

2.本发明所制黄铜合金的切屑形貌、大小与传统铅黄铜相似，切削性能优良，在切削性能上可以取代铅黄铜。

3.本发明所制黄铜合金的耐蚀性能优于传统铅黄铜，在脱锌腐蚀试验中所制合金的脱锌层厚度为100～160μm(脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准)，远低于铅黄铜350～400μm的脱锌层厚度。

具体实施方法

实施例1：

原料的选择：以纯铜、Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金为原料，这些原料直接从市场上购买；其中，Cu-Zn中间合金中Zn质量分数为50％、Cu-Si中间合金中Si质量分数为20％、Cu-Mn中间合金中Mn质量分数为20％、Cu-Bi中间合金中Bi质量分数为20％、Cu-RE中间合金中RE质量分数为10％；

配料：50g Cu-Si中间合金，56gCu-Mn中间合金，25g Cu-Bi中间合金，5gCu-RE中间合金，600gCu-Zn中间合金，420g纯铜；

熔铸、热加工过程为：首先把Cu-Mn中间合金、Cu-Si中间合金，纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入0.5cm层厚的鳞片石墨作为覆盖剂，然后依次添加Cu-RE中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-Si中间合金、Cu-Zn中间合金(加入时Zn会沸腾，有着除气的作用，最好需要多加覆盖剂以保证Zn不会烧损过多，即加入Zn时还要加入大于0.5cm厚层的覆盖剂)，同时慢慢降低温度，降低至1100℃左右。待全部熔化后温度保持在900～950℃之间并持续一段时间并持续保温15～20分钟，期间进行搅拌、扒渣。继而进行浇铸，待铸锭刚刚凝固时(此时温度大概为800～850℃)，与已经预热到450～550℃的模具(使铸锭温度不会降低过快)同时放入连续挤压机下进行热挤压，进行连铸连挤。最后去除材料表面氧化皮，即得到最终成品。

最终得到的黄铜成品成分为：锌(Zn)29.1％，硅(Si)1.5％，铋(Bi)0.4％，锰(Mn)1.6％，稀土镧(La)0.1％，铜(Cu)余量。

最终黄铜成品的性能为：硬度151HV，抗拉强度510MPa，延伸率20％，切削性能为铅黄铜HPb59-1的95％，脱锌层厚度110μm(其中脱锌层厚度测试采用ISO6509-1981标准)。

实施例2：

原料的选择：以纯铜、Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金为原料，这些原料直接从市场上购买；其中，Cu-Zn中间合金中Zn质量分数为50％、Cu-Si中间合金中Si质量分数为20％、Cu-Mn中间合金中Mn质量分数为20％、Cu-Bi中间合金中Bi质量分数为20％、Cu-RE中间合金中RE质量分数为10％；

配料：80g Cu-Si中间合金，66gCu-Mn中间合金，50g Cu-Bi中间合金，10gCu-RE中间合金，650gCu-Zn中间合金，265g纯铜；

熔铸、热加工过程为：首先把Cu-Mn中间合金、Cu-Si中间合金，纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入0.5cm层厚的鳞片石墨作为覆盖剂，然后依次添加Cu-RE中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-Si中间合金、Cu-Zn中间合金(加入时Zn会沸腾，有着除气的作用，最好需要多加覆盖剂以保证Zn不会烧损过多，即加入Zn时还要加入大于0.5cm厚层的覆盖剂)，同时慢慢降低温度，降低至1100℃左右。待全部熔化后温度保持在900～950℃之间并持续一段时间并持续保温15～20分钟，期间进行搅拌、扒渣。继而进行浇铸，待铸锭刚刚凝固时(此时温度大概为800～850℃)，与已经预热到450～550℃的模具(使铸锭温度不会降低过快)同时放入连续挤压机下进行热挤压，进行连铸连挤。最后去除材料表面氧化皮，即得到最终成品。

最终得到的黄铜成品成分为：锌(Zn)32.3％，铋(Bi)1.1％，硅(Si)2.4％，锰(Mn)1.9％，稀土镧(La)0.2％，铜(Cu)余量。

最终黄铜成品的性能为：硬度153HV，抗拉强度532MPa，延伸率23％，切削性能为铅黄铜HPb59-1的105％，脱锌层厚度128μm。

实施例3：

原料的选择：以纯铜、Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金为原料，这些原料直接从市场上购买；其中，Cu-Zn中间合金中Zn质量分数为50％、Cu-Si中间合金中Si质量分数为20％、Cu-Mn中间合金中Mn质量分数为20％、Cu-Bi中间合金中Bi质量分数为20％、Cu-RE中间合金中RE质量分数为10％；

配料：150g Cu-Si中间合金，96gCu-Mn中间合金，85g Cu-Bi中间合金，15gCu-RE中间合金，700gCu-Zn中间合金，110g纯铜；

熔铸、热加工过程为：首先把Cu-Mn中间合金、Cu-Si中间合金，纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入0.5cm层厚的鳞片石墨作为覆盖剂，然后依次添加Cu-RE中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-Si中间合金、Cu-Zn中间合金(加入时Zn会沸腾，有着除气的作用，最好需要多加覆盖剂以保证Zn不会烧损过多，即加入Zn时还要加入大于0.5cm厚层的覆盖剂)，同时慢慢降低温度，降低至1100℃左右。待全部熔化后温度保持在900～950℃之间并持续一段时间并持续保温15～20分钟，期间进行搅拌、扒渣。继而进行浇铸，待铸锭刚刚凝固时(此时温度大概为800～850℃)，与已经预热到450～550℃的模具(使铸锭温度不会降低过快)同时放入连续挤压机下进行热挤压，进行连铸连挤。最后去除材料表面氧化皮，即得到最终成品。

最终得到的黄铜成品成分为：锌(Zn)35.2％，铋(Bi)1.5％，锰(Mn)2.2％，硅(Si)3.5％，稀土镧(La)0.3％，铜(Cu)余量。

最终黄铜成品的性能为：硬度153HV，抗拉强度445MPa，延伸率21％，切削性能为铅黄铜HPb59-1的100％，脱锌层厚度125μm。

Claims (2)

1.一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金，其特征在于：由以下重量百分比的原料制成：锌30～38％、铋0.2～3.5％、锰1.5～2.5％、硅1.5～3.5％、稀土元素0.1～0.4％、杂质≤0.1％、铜余量。

2.一种无铅耐腐蚀易切削黄铜合金的制作方法，其特征在于：具体步骤如下：

(1)原料的选择

以纯铜、Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金为原料；其中，Cu-Zn中间合金中Zn质量分数为50％、Cu-Si中间合金中Si质量分数为20％、Cu-Mn中间合金中Mn质量分数为20％、Cu-Bi中间合金中Bi质量分数为20％、Cu-RE中间合金中RE质量分数为10％；

(2)配料

以Cu-Zn中间合金、Cu-Si中间合金，Cu-Mn中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-RE中间合金以及纯铜为原料，在配料时查询在熔炼最高温度时各种元素的蒸汽压，并由此确定各个元素的烧损率，继而确定上述原料之间的质量关系；

(3)熔炼

配料完成后，进行合金的熔炼，熔铸采用的是高频感应加热炉，首先把Cu-Mn中间合金、Cu-Si中间合金、纯铜放入炉内加热至1200℃使其熔化，然后放入0.5cm层厚的鳞片石墨作为覆盖剂，然后依次添加Cu-RE中间合金、Cu-Bi中间合金、Cu-Zn中间合金，同时慢慢降低温度，降低至1100℃；待全部熔化后温度保持在900～950℃之间并持续15～20分钟，期间进行搅拌、扒渣；

(4)连铸连挤或连铸连轧

浇铸过程在工业上进行连铸连挤或连铸连轧，即在铸锭刚刚凝固时，此时铸锭温度为800～850℃，与已经预热到450～550℃的模具，同时放入连续挤压机下进行热挤压，最后去除材料表面氧化皮，即得到最终成品。