CN101476056A - 无铅易切削硅磷铜合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无铅易切削硅磷铜合金，其特征在于：合金组成及重量份为：65－70％Cu，2.0－3.5％Si，0.02－0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质，作为优选，合金组成及重量份为65％Cu，3％Si，0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。本发明具有优异的切削性能，良好的焊接性能、优良的耐磨耐蚀性和抗高温氧化性能，特别适用于切削加工成型的零部件、锻件、铸件和作为其它制造方法的零部件材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种铜合金，尤其涉及一种具有优势的机械性能与耐磨耐腐蚀的无铅易切削硅磷铜合金。
背景技术
铅黄铜具有极好的切削性能和自润滑性，且冷加工性能优良，能满足各类形状零部件的机械加工，因此含铅黄铜目前广泛应用到民用供水系统的阀件、卫浴用合金、机械与汽车制造行业的紧固件等领域。
近年来，世界各地的医学专家已经发现铅黄铜对人类健康和生态环境构成了威胁，因而各国政府相继出台了对含铅铜合金应用的限令。2003年9月22日，美国通过“废旧电气新产品回收利用法”(加洲65提议)；2005年2月16日，日本京都议定书“采用环境税”生效；2006年7月1日，欧盟通过ROHS指令，今后投放欧盟的电器和电子产品对含铅，镉等有害物质有严格控制；我国国家发改委、信息产业部也联合出台了“废旧家电及电子产品回收处理管理条例”和“电子信息产品污染防治管理办法”两个法规。这对铅黄铜系列品种在各行业中的应用受到极大的制约。就《WEEE》和《RoHS》指令而言，涉及的产品达10大类共123种。其中包括：大型家用电器、小型家用电器、IT及通讯设备、用户设备(音响、影像)、照明设备、电子电器工具、玩具、休闲和运动设备、医用设备、检测和控制仪器。其中前七类产品都是我国主要出口的电子、电器和设备产品，而这些产品使用含铅铜合金材料占有相当大的比重，估计占其出口额的3~5％，约达12~20亿美元。因此，我国相关出口企业纷纷提出无铅环保型铜合金材料的供应要求，并调整相应的产品技术规范，以适应欧盟等地区和国家对相关产品的环保要求。我国铅黄铜正在广泛使用的品种有管、棒、型、线、板、铸件，总计约80万吨，迫切需要以环保型合金替代。
目前国内外也发明了一些不含铅的铜合金，例如中国专利200410015836.5说明书中已公开的一种发明专利《无铅易切削锑黄铜合金》，它不含铅，由重量％的铜：55-65％、锑：0.3-2.0％、锰：0.4-1.6％、其它元素：0.1-1.0％。所述的其它元素包括钛、锆、硼、铁、镁、硅、稀土材料中的至少两种元素。其余为锌和不可避免杂质；制造方法是将上述合金组成在630-720℃温度下进行大挤压比挤压，中间热处理按冷加工条件在420-700℃温度下进行。在低于400℃的温度下进行消除应力的退火。该发明具有优异的切削性能，良好的焊接性能，优良的耐腐蚀性和抗高温氧化性能，适用于切削加工成型的零部件、锻件、铸件和其它制造方法的零部件材料。但目前国内研发无铅环保合金存在的主要问题是：
在合金中加入碲、鉍、銻等元素均为稀贵元素，很难形成产业化批量生产以替代大量使用的铅黄铜；
目前加铋、锑黄铜性能不良，因此成材率很低，提高了材料成本；
为替代大量使用的铅黄铜，最有前途的材料是在黄铜中加入硅、磷元素，原因是元素丰富，加入磷可以改善液态金属的流动性，硅的加入可在合金中出现硬相，提高切削性能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种不含铅的具有优良的切削性，易冷热成型和优异的耐磨耐腐蚀性能，并可以替代含铅铜合金的无铅易切削硅磷铜合金。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种无铅易切削硅磷铜合金，其特征在于：合金组成及重量份为：65-70％Cu，2.0-3.5％Si，0.02-0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
作为优选，合金组成及重量份为65-70％Cu，2.0-3.0％Si，0.02-0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
作为进一步优选，合金组成及重量份为65％Cu，3％Si，0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
本发明所述的合金组分的选择原则是：在Cu-Zn合金中加入1％硅后的组织，即相当于在Cu-Zn合金中增加10％锌的合金组织。所以硅的“锌当量”为10。硅的“锌当量系数”最大，使Cu-Zn系中的α/(α+β)相界显著移向铜侧，即强烈缩小α相区，同时用于合金中脱氧，改造金属铸造焊接流动性，生成金属间化合物，增加强度和耐磨性能，而不是使合金生成高硅的γ硬脆相，有利于切削性能和焊接性能的提高，同时在焊接时还可以抑制锌蒸发及氧化物夹杂，从而大大提高焊接的工艺性能。磷在合金中主要起脱氧和增加铸造流动性、阻止脱锌的作用，有利于切削性能的提高，一般的加入量为0.02-0.15％。
本发明的无铅易切削硅磷铜合金，其合金熔炼和加工工艺可采用两种方案，即铁模铸造和水平连铸。
本发明的无铅易切削硅磷铜合金，含有α相β相和其它少量的硬脆相，硬脆相细小均匀分布在晶界和晶内并有沉淀强化作用，提高了合金的切削性能，同时也增强了合金的耐蚀、耐磨机械性能和冷热成型性能。
本发明的无铅易切削硅磷铜合金，所述的铅即使作为不可避免的杂质，其含量不宜超过0.03重量％。
所述的合金制造方法是将重量％：65-70％Cu，2.0-3.5％Si，0.02-0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。在580～720℃温度下进行大挤压比挤压，中间热处理按冷加工的条件在420～550℃温度下进行，在低于400℃的温度下进行消除应力的退火。
因此，与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.具有优异的切削性能，良好的焊接性能、优良的耐磨耐蚀性和抗高温氧化性能，特别适用于切削加工成型的零部件、锻件、铸件和作为其它制造方法的零部件材料；
2.制造成本低，仅相当于现有技术的铅黄铜的制造成本，因而具有市场竞争优势；
3.可充分利用我国硅、磷资源极其丰富的优势，带动下游产业发展。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明以铜、硅、锌、磷为基本原料，按如下装料顺序装料：铜—硅—锌—加入清渣剂—磷铜合金(石墨钟罩式加入)—扒渣—喷火浇铸、木炭覆盖、清渣剂(冰晶石)加入中频炉中熔化，以铁模浇铸的方法，或以半连铸铸造的方式制成挤压锭坯；在580~720℃温度范围内热挤压加工成棒坯或线坯，然后用拉伸的冷变形方法制成所需的棒线材产品。拉伸冷加工变形后的中间热处理按冷加工的条件在400～550℃温度下进行，在低于420℃的温度下进行消除应力的退火。当然，本发明的合金也可使用低频感应电炉熔化生产。
前面所述的铜也可以是再生黄铜料，所述的再生黄铜料是经清洗、分捡、分类，将符合标准的回收黄铜按所占铜的比例配料。
本发明的无铅易切削硅磷铜合金的成份组成实例(单位：重量％)
| 编号\元素 | Cu | Si | P | 杂质 | Zn |
| 1 | 65.0 | 3.0 | 0.15 | Pb0.0060 | 余量 |
| 2 | 67.3 | 2.21 | 0.06 | Pb0.0050 | 余量 |
| 3 | 69.5 | 2.87 | 0.075 | Pb0.0056 | 余量 |
| 4 | 66.8 | 3.11 | 0.045 | Pb0.0063 | 余量 |
根据上例组份制成的无铅易切削硅磷铜合金棒材，经性能测试均符合设计要求。现将第1组铜合金棒材的试验情况列表如下：
表1 电导率和热导率
| 状态 | 电导率(％IACS) | 热导率*(w/m·K) | |
| 无铅易切削硅磷铜合金 | 半硬 | 100.6~102.1 | 437~447 |
| T1紫铜 | 半硬 | 95~101.5 | 391~395 |
| 纯铜线 | 半硬 | ≥95.8 | — |
| TUAg0.06 | 半硬 | 97.5~98.5 | — |
由表1可见，无铅易切削硅磷铜合金的电导率和热导率分别均优于T1紫铜、纯铜线、TUAg0.06。
表2 拉伸强度和延伸率
由表2可见，无铅易切削硅磷铜合金强度和塑性在各种状态下均优于T1紫铜和纯铜线。
表3 抗电弧的抗压强度
| 起晕电压(kv) | 击穿电压(kv) | 弧光长度(mm) | |
| 无铅易切削硅磷铜合金 | 17.0 | 19.5 | 2-10 |
| 0.3AgCu* | 16.0 | 19.0 | 2-12 |
* 0.3AgCu合金购自重庆仪表材料厂产品。
由表3可知：无铅易切削硅磷铜合金的抗电压强度与0.3AgCu合金相当，并略占上风。
表4 ROHS限定元素测定
| Pb(％) | Cd(％) | As(％) | |
| 无铅易切削硅磷铜合金 | 0.0060 | 0.0003 | 0.002 |
由表4可知：无铅易切削硅磷铜合金中含ROHS限制元素极微，达到了欧盟双绿指令的要求。
表5 拉伸强度、延伸率、硬度和切削性能测定
| 状态 | 抗拉强度Rm(MPa) | 延伸率A％ | 硬度(HRS) | 切削性能 | |
| 无铅易切削硅磷铜合金 | 半硬 | 380~450 | 10~16 | 115~125 | 90~100 |
| HPb59-1 | 半硬 | 390~420 | 10~12 | — | 80 |
| HPb63-3* | 半硬 | 360~390 | 10~14 | — | 100 |
切削性能标准规定以HPb63-3的切削性能为100％，其它铜合金则作相对比较。
由表4和表5中数据对比可见，无铅易切削硅磷铜合金的力学性能全面优于铅黄铜，特别是切削性能可以超过HPb63-3，而有害元素均低于ROHS指令的规定。
Claims (3)
1、一种无铅易切削硅磷铜合金，其特征在于：
合金组成及重量份为：：
65-70％Cu，2.0-3.5％Si，0.02-0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的无铅易切削硅磷铜合金，其特征在于：
合金组成及重量份为65-70％Cu，2.0-3.0％Si，0.02-0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
3、根据权利要求1所述的无铅易切削硅磷铜合金，其特征在于：
合金组成及重量份为65％Cu，3％Si，0.15％P，其余为Zn和不可避免的杂质。
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