CN106978547A - 阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法；该合金材料为黄铜合金，所述黄铜合金的组成成分为：铜质量百分比范围为58.2～61.8％，铋质量百分比范围为0.5～1.8％，锡质量百分比范围为0.48～1.2％，镍质量百分比范围为0.08～0.4％，磷质量百分比范围为0.05～0.12％，其余为锌。该合金材料具有良好的切削性能、耐腐蚀性能、冷热加工性能以及较好的抗应力腐蚀性能和抗脱锌腐蚀性能，能够满足制冷系统阀件的应用需求；另外，该合金材料不含铅，无污染，为环保材料，可规避现有技术中因黄铜合金含铅存在的铅暴露及铅危害。

Description

阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法

技术领域

本发明涉及阀件技术领域，特别是涉及一种阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法。

背景技术

制冷系统中的阀件大多为黄铜加工制成，如四通换向阀的阀芯、电磁阀的活塞和阀座、截止阀的阀体、阀杆、接管螺母和充注阀帽等。

目前，这些阀件的选材多为易切削的铅黄铜，如JIS H3250中的C3771、C3604等，这些黄铜合金通过添加0.8～3.7wt％(wt％表示质量百分含量，下同)的铅来保证其加工性能。

尽管现有阀件采用的含铅黄铜合金材料具有良好的切削性能、耐腐蚀性能和冷热成型性能，但是其成分中含有0.8～3.7wt％的铅，潜在的铅暴露不容忽视：

a、铅黄铜合金的原材料在熔炼及铅黄铜废弃件回收冶炼等高温作业时产生的金属蒸汽含有铅的成分；

b、在金属加工时产生的粉尘、碎屑也含有铅的成分；

c、制冷系统阀件在焊接、装配及客户使用过程中，存在有从与水分接触的部位析出铅的问题。

制冷系统中的阀件产品最终流向为家用或商用或车用空调、冰箱等设备，铅暴露带来的铅污染及铅危害不可小觑。

因此，如何提供一种新型的黄铜合金材料，可用于制冷系统的阀件，并在满足阀件材料性能的基础上，避免造成环境污染，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法，该阀件的合金材料为环保材料，能够在满足制冷系统用阀件使用需求的基础上，避免对人体及环境造成危害。

为解决上述技术问题，本发明提供一种阀件的合金材料，所述合金材料为黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金的组成成分为：铜质量百分比范围为58.2～61.8％，铋质量百分比范围为0.5～1.8％，锡质量百分比范围为0.48～1.2％，镍质量百分比范围为0.08～0.4％，磷质量百分比范围为0.05～0.12％，其余为锌。

该合金材料的主体成分为铜和锌，再辅以一定量的铋、锡、镍和磷，通过各元素的作用及各元素之间的协同作用，使得该合金材料具有良好的切削性能、耐腐蚀性能、冷热加工性能以及较好的抗应力腐蚀性能和抗脱锌腐蚀性能，能够满足制冷系统阀件的应用需求；另外，该合金材料不含铅，无污染，为环保材料，可规避现有技术中因黄铜合金含铅存在的铅暴露及铅危害。

所述黄铜合金的锌当量系数的取值范围为41.0～42.5。

所述黄铜合金中，锡含量和镍含量的比值范围为4～6。

本发明还提供一种阀件，用于制冷系统，所述阀件由上述任一项所述的合金材料加工制成。

该阀件由上述合金材料制成，具有上述技术效果。

本发明还提供一种合金材料的加工方法，包括下述步骤：

准备铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金，其中，铜质量百分比为58.2～61.8％，铋质量百分比为0.5～1.8％，锡质量百分比为0.48～1.2％，镍质量百分比为0.08～0.4％，磷质量百分比为0.05～0.12％，其余为锌；

将准备好的铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金放入熔炼炉中熔化，并搅拌均匀；

浇铸成型。

该加工方法能够制备出上述合金材料，具有与上述合金材料相对于的技术效果。另外，在制备该合金材料时，铋以铜-铋中间合金的形式加入，有助于确保铋成分的均匀性，在提高合金的切削性能的同时避免合金产生热脆和冷脆，磷以磷-铜中间合金的形式加入，会生产P₂O₅气体，P₂O₅气体在冶炼时可有效地脱气和除杂，确保合金的加工性能。

搅拌均匀后，浇铸呈棒坯，并在棒坯切定尺寸后经预设温度反向挤压和冷拉拔后，加工成黄铜合金棒材。

本发明还提供一种阀件的加工方法，包括下述步骤：

先准备原料，其为上述任一项所述的合金材料；

再将原料锻造成坯体，切除飞边后在预设温度下退火预设时间；

再抛丸处理；

最后机械加工并焊接或组装成阀件成品。

所述预设温度为390～430℃，所述预设时间为2～3小时。

通过抛丸处理使零件表面的残余压应力处于-180MPa～-100MPa。

附图说明

图1为本发明所提供合金材料一种具体加工方法的流程图；

图2为本发明所提供阀件一种具体加工方法的流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法，该阀件的合金材料为环保材料，能够在满足制冷系统用阀件使用需求的基础上，避免对人体及环境造成危害。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的合金材料为黄铜合金，即其主要成分为铜和锌，该具体实施例中，黄铜合金的组成成分为：铜质量百分比范围为58.2～61.8％，铋质量百分比范围为0.5～1.8％，锡质量百分比范围为0.48～1.2％，镍质量百分比范围为0.08～0.4％，磷质量百分比范围为0.05～0.12％，其余为锌。

该合金材料可以满足制冷系统用阀件对其合金材料的性能需求。

该合金材料中，加入有铋，铋为环境友好材料，且具有熔点低、质地软、几乎不固溶于铜等特点，其主要功能在于保证合金材料的切削加工性能。由于铋可与铜形成共晶，故非连续颗粒状分布在晶界的铋质点能够替代铅黄铜中晶界处的铅质点，助益切削。

因铋元素的熔点只有271.3℃，显著低于铅的熔点327.5℃，所以铋更容易使铜合金产生热脆和冷脆，为避免该情形，必然要提升铋的表面张力或降低铜的表面张力来抑制薄膜状铋的形成，故，本实施例中，通过锡、磷的添加来控制铋的分布和晶体学形态，尽量使铋以非连续质点而非铋薄膜的形式分布在晶界。

因铋元素的上述特性，所以对其成分的控制要求更严，更多的铋意味着更多的合金元素的添加，经研究分析同时结合价格因素，本方案中，铋质量百分比介于0.5～1.8％，在此基础上，将锡的质量百分比控制在0.48～1.2％范围内。

经研究发现，当锡的质量百分比小于0.48％时，其辅助铋提高合金切削性能和增强抗脱锌性能的效果不明显，当锡的质量百分比大于1.2％时，合金中会出现脆性的γ相(CuZnSn化合物)，不利于合金的塑性变形，反而会导致合金加工性能的下降，同时结合价格因素，将该合金中锡的质量百分比控制在上述范围内。

锡主要起到辅助铋提高切削性能和增强抗脱锌性能的作用，其作用机理在于：首先，锡可以提高铋的表面张力，使得铋在晶界球形化，辅助铋提高该合金材料的切削性能；其次，锡可在该合金材料表面形成类似钝化膜的氧化层(SnO₂)，减缓α相黄铜的脱锌行为，避免因脱锌导致的应力腐蚀。

该合金材料中还加入了镍，其主要功能为阻止脱锌、抑制晶粒长大，从而小幅改善合金材料的微观组织，依据细晶强化等机制起到提高合金强度的作用；另外，镍还可以增强该合金材料的抗应力腐蚀能力，对于制冷系统用阀件，尤其是需承受一定压力的阀件而言，抗应力腐蚀能力尤为必要。

经过研究发现，当镍的质量百分比小于0.08％时，对合金的强化和耐蚀改善效果不明显，当镍的质量百分比大于0.4％时，对合金的强化和耐蚀改善效果更好，但是此时合金微观组织中开始出现明显的硬质点，从而增加抛光难度并影响抛光效果，再考虑到价格因素，综合权衡后，该实施例中，将镍的质量百分比控制在0.08～0.4％范围内。

由于镍与锡具有协同效应，在进一步的方案中，镍含量在上述范围内还可依据锡的具体含量进一步优选。

经研究发现，锡含量与镍含量的比值在4～6之间时，该合金材料具有最佳的抗脱锌能力，故，在实际应用中，确定锡的具体含量后，可依据前述比值范围来确定镍含量，以进一步提高合金材料的性能。

该合金材料中，磷的功能除了前述提高铋的表面张力，使铋在晶界球形化，辅助铋改善合金的切削性能外，还可作为脱氧剂，改善合金熔炼过程中熔体的流动性、细化晶粒，也可改善后续阀件的焊接性能。

经研究发现，磷的质量百分比大于0.12％时，在冶炼过程中会出现较多的Cu₃P，不利于冷热加工性能，磷的质量百分比小于0.05％时，磷的上述增益效果不明显，故，将磷的质量百分比控制在0.05～0.12％。

在上述各元素的质量百分比确定后，余量为锌。

进一步地，将锌的当量系数控制在41.0～42.5范围内，以确保合金具有良好的组织稳定性和冷热加工性能。

该合金材料的微观组织为α+β双相结构，其中，α相为锌溶化在铜中的固溶体，呈面心立方晶格；β相是以CuZn电子化合物为基础的固溶体，呈体心立方晶格。

在铜-锌合金中加入少量其他合金元素，通常会使铜-锌系中α/(α+β)相界向铜侧移动，即缩小α区，所以复杂黄铜合金相当于简单黄铜合金中增加或减少锌含量的合金组织，因此，在铜-锌合金中每加入1％其他合金元素的组织相当于达到相同组织时增加(或减少)的锌含量，称之为该加入合金元素的锌当量系数。

具体地，锌的当量系数可根据下述公式计算：

式中：

A为黄铜合金中的实际含锌量；

B为黄铜合金中的实际含铜量；

C为其他元素的含量；

η为其他元素对应的锌当量。

实际中，合金元素对应的锌当量通常如下选取：

铋的锌当量为1，锡的锌当量为2，镍的锌当量为-1.3。

上述给出的是该合金材料的主要组成成分及占比，需要说明的是，在实际中该合金材料不可避免会含有其他杂质，当然也不可避免地会含有特别少量(质量百分比低于0.1％，当然，这极少量的铅也一定程度上有益于提高切削性能)的铅，与现有技术中的铅黄铜合金相比，可认为该合金材料不含铅。

该合金材料通过各元素的作用及各元素之间的协同作用，具有良好的切削性能、耐腐蚀性能、冷热加工性能以及较好的抗应力腐蚀性能和抗脱锌腐蚀性能，能够满足制冷系统阀件的应用需求；另外，该合金材料不含铅，无污染，为环保材料，可规避现有技术中因黄铜合金含铅存在的铅暴露及铅危害。

为了说明该合金材料能够替代现有阀件合金材料，下面将两者进行对比分析。

具体地，将现有技术中通常作为阀件合金材料的C3771铅黄铜与本发明提供的合金材料的组成及性能进行对比，如下表1所示，表1中给出了该合金材料的各元素不同组分的四种形式，当然，各元素的占比均在上述给定范围内。

表1

表中，机械性能测试依据GB/T 228和GB/T4340.1；相对可切削率：以切削加工性能最优的HPb63-3铅黄铜合金的可切削率为100％，该合金材料与之比较，相当于HPb63-3的可切削率的百分之几作为该合金材料的相对可切削率；耐脱锌测试：该合金材料经挤压加工，沿着挤压加工方向取样测试，测试依据GB/T 10119要求进行，脱锌层厚度为5点测试平均结果。

从表1可以看出，本发明提供的合金材料与通常作为制冷系统阀件合金材料的C3771铅黄铜合金相比，满足了制冷系统用阀件的性能需求，且从机械性能和其他性能综合来看，该合金材料制成的阀件性能更优于C3771铅黄铜合金阀件。

本发明还提供一种阀件，用于制冷系统，该阀件采用上述合金材料制成。

由于该阀件由上述合金材料制成，所以具有相应的技术效果。

本发明还提供一种上述合金材料的加工方法和采用上述合金材料加工上述阀件的加工方法。

如图1所示，该合金材料的加工方法包括如下步骤：

S11、准备铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金，其中，铜质量百分比为58.2～61.8％，铋质量百分比为0.5～1.8％，锡质量百分比为0.48～1.2％，镍质量百分比为0.08～0.4％，磷质量百分比为0.05～0.12％，其余为锌；

如上，在加工该合金材料时，铋以铜-铋中间合金的形式加入，有助于确保铋成分的均匀性，在提高合金的切削性能的同时避免合金产生热脆和冷脆，磷以磷-铜中间合金的形式加入，会生产P₂O₅气体，P₂O₅气体在冶炼时可有效地脱气和除杂，确保合金的加工性能。

S12、将准备好的铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金放入熔炼炉中熔化，并搅拌均匀；

通过在中频熔炼炉中熔化，中频熔炼炉具有加热速度快、生产效率高等特点，可节省材料与成本。当然，实际中选用其他形式的熔炼炉也是可以的。

S13、浇铸成型。

通常将获得的合金材料浇铸成型为合金棒坯(如尺寸为Φ60×150mm)，并在棒坯切定尺寸后经过预设温度(如680℃)反向挤压和冷拉拔后，加工成合金棒材(如尺寸为Φ16mm或Φ21mm)。

如图2所示，该阀件的加工方法包括如下步骤：

S21、准备原料，原料即为上述合金材料；

S22、将原料锻造呈坯体，切除飞边后在预设温度下退火预设时间；

具体地，可在390～430℃下退火2～3小时。

S23、抛丸处理；

具体地，通过抛丸处理使零件表面的残余压应力处于-180MPa～-100MPa，以满足产品的抗应力腐蚀能力的需求。

S24、机械加工并焊接或组装成阀件成品。

经试验表明，利用上述合金材料，通过该加工方法制成的阀件能够通过1:1氨水浓度的氨熏测试72小时，测试后产品无泄漏，其抗应力腐蚀能力达到现有C3771铅黄铜同等水平。

以上对本发明所提供的一种阀件及其合金材料，以及合金材料、阀件的加工方法均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.阀件的合金材料，所述合金材料为黄铜合金，其特征在于，所述黄铜合金的组成成分为：铜质量百分比范围为58.2～61.8％，铋质量百分比范围为0.5～1.8％，锡质量百分比范围为0.48～1.2％，镍质量百分比范围为0.08～0.4％，磷质量百分比范围为0.05～0.12％，其余为锌。

2.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述黄铜合金的锌当量系数的取值范围为41.0～42.5。

3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述黄铜合金中，锡含量和镍含量的比值范围为4～6。

4.阀件，用于制冷系统，其特征在于，所述阀件由权利要求1-3任一项所述的合金材料加工制成。

5.合金材料的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

准备铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金，其中，铜质量百分比为58.2～61.8％，铋质量百分比为0.5～1.8％，锡质量百分比为0.48～1.2％，镍质量百分比为0.08～0.4％，磷质量百分比为0.05～0.12％，其余为锌；

将准备好的铜、锡、镍、锌、铜-铋中间合金及磷-铜中间合金放入熔炼炉中熔化，并搅拌均匀；

浇铸成型。

6.根据权利要求5所述的黄铜合金材料的加工方法，其特征在于，搅拌均匀后，浇铸呈棒坯，并在棒坯切定尺寸后经预设温度反向挤压和冷拉拔后，加工成黄铜合金棒材。

7.阀件的加工方法，其特征在于，包括下述步骤：

先准备原料，其为权利要求1-3任一项所述的合金材料；

再将原料锻造成坯体，切除飞边后在预设温度下退火预设时间；

再抛丸处理；

最后机械加工并焊接或组装成阀件成品。

8.根据权利要求7所述的阀件的加工方法，其特征在于，所述预设温度为390～430℃，所述预设时间为2～3小时。

9.根据权利要求7所述的阀件的加工方法，其特征在于，通过抛丸处理使零件表面的残余压应力处于-180MPa～-100MPa。