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一種無鉛硅黃銅合金及制備方法

文檔序號(hào):3309238閱讀:238來源:國知局
一種無鉛硅黃銅合金及制備方法
【專利摘要】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、耐腐蝕的無鉛硅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:銅:59-63%、硅:1-1.5%、鋁:0.001-0.05%、硼:0.001-0.01%、鐵:0.1-0.5%、錳:0.1-0.2%、錫:0.1-0.15%、磷:0.05-0.5%、稀土元素RE:0.01-0.07%、其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)。在熔煉時(shí),先進(jìn)行銅-硅-鋅合金的熔煉,待完全熔化后加入鐵和鋁的中間合金攪拌均勻,再依次加入錳、硼、錫、磷、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)明的無鉛硅黃銅通過在該合金中添加硅替代鉛,不降低生產(chǎn)成本的前提下,還具有良好的切削性能以及優(yōu)異的冷熱加工性能。
【專利說明】一種無鉛硅黃銅合金及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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、耐腐蝕的無鉛硅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)】
[0002]鉛黃銅作為金屬材料中的王牌易切削材料,以其極佳的切削性能、機(jī)加易成型性以及良好的耐蝕性和氣密性等優(yōu)良特性,在儀器儀表、電子電器、五金件、汽車零件、制冷設(shè)備以及民用供水系統(tǒng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
[0003]然而,當(dāng)鉛黃銅作為水龍頭、管接頭等飲用水管道應(yīng)用到民用供水系統(tǒng)上時(shí),在飲用水中的雜質(zhì)及有機(jī)酸等作用下,含鉛銅合金中的鉛會(huì)緩慢析出,并溶解于水,對(duì)人體的血液和神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷,如:破壞造血系統(tǒng)、損傷大腦中樞及周圍神經(jīng)系統(tǒng)、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。
[0004]所以,人們通過進(jìn)一步的研究和探索,發(fā)現(xiàn)以無毒無害元素替代鉛黃銅中的鉛即可以減少污染,又能使黃銅合金達(dá)到易切削的目的,無鉛黃銅也因此被廣泛應(yīng)用。目前,已發(fā)現(xiàn)的無鉛黃銅有鉍黃銅、碲黃銅、錳黃銅、銻黃銅以及硅黃銅等,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。
[0005] 因此,人們?nèi)孕枰獙?duì)無鉛黃銅進(jìn)一步的研究和探索,期望能發(fā)現(xiàn)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】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種無鉛硅黃銅合金的制備方法,無鉛硅黃銅替代含鉛黃銅,具有成本低以及鑄造性能、切削性、耐腐蝕性與機(jī)械性能較好等特點(diǎn)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]一種無鉛硅黃銅合金,按重量百分比計(jì),其成分和含量如下:
[0009]銅:59-63%,硅:1-1.5%、鋁:0.001-0.05%、硼:0.001-0.01%、鐵:0.1-0.5%、錳:0.1-0.2%、錫:0.1-0.15%、磷:0.05-0.5%、稀土元素 RE:0.01-0.07%、其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
[0010]所述的無鉛硅黃銅合金,按重量百分比計(jì),其優(yōu)選成分和含量如下:
[0011]銅:61-62%,硅:1.2-1.3%、鋁:0.01-0.02%、硼:0.007-0.008%、鐵:0.3-0.4%、錳:0.15-0.18%、錫:0.12-0.14%、磷:0.2-0.4%、稀土元素 RE:0.02-0.06%、其余為鋅和不可避
免的雜質(zhì)。
[0012]所述的無鉛硅黃銅合金,合金中不可避免的雜質(zhì)含量不超過0.8%。
[0013]所述的無鉛硅黃銅合金,稀土元素RE為鑭元素和/或鈰元素。[0014]所述的無鉛硅黃銅合金的制備方法,包括如下步驟:
[0015]在熔煉時(shí),先進(jìn)行銅-硅-鋅合金的熔煉,熔煉溫度為1100-1300°C,待完全熔化后加入鐵和鋁的中間合金攪拌均勻,靜置保溫10-15分鐘后,再依次加入錳、硼、錫、磷、稀土元素的中間合金,其中:錫、磷、稀土元素以鋅的中間合金方式加入,鐵、鋁、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。
[0016]所述的無鉛硅黃銅合金的制備方法,中間合金中,銅或鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為80-90%。
[0017]所述的無鉛硅黃銅合金的制備方法,在熔煉時(shí),采用木炭作為覆蓋劑。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是:
[0019]1、本發(fā)明的無鉛硅黃銅通過在該合金中添加硅替代鉛,硅為無毒無害元素,含量豐富,具有改善合金的切削能力。在不降低生產(chǎn)成本的前提下,還具有非常優(yōu)異的冷熱加工性能、切削性能,同時(shí)兼具有一定程度的韌性,提高黃銅合金的機(jī)械加工性能及對(duì)海水的耐腐蝕性。
[0020]2、本發(fā)明通過合金元素的選取、成分配比以及工藝優(yōu)化和控制,實(shí)現(xiàn)了以硅代鉛新型環(huán)保易切削無鉛硅黃銅的研制,達(dá)到HPb59-l鉛黃銅的抗拉強(qiáng)度以及延伸率等性能指標(biāo),且其耐腐蝕性能以及冷熱加工性能方面較HPb59-l鉛黃銅有了較大的提高。該硅黃銅合金的切削性能達(dá)到HPb59-l鉛黃銅的85%以上,滿足精密機(jī)械加工的要求,完全可以替代HPb59-l鉛黃銅,從而在不增加成本的基礎(chǔ)上避免鉛造成的污染。而且,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。
【具體實(shí)施方式】
`[0021]本發(fā)明無鉛硅黃銅合金,按重量百分比計(jì),其成分和含量如下:
[0022]銅:59-63%,硅:1_1.5%、鋁:0.001-0.05%、硼:0.001-0.01%、鐵:0.1-0.5%、錳:
0.1-0.2%、錫:0.1-0.15%、磷:0.05-0.5%、稀土元素 RE:0.01-0.07% (鑭、鈰二種稀土元素)、
其余為鋅,合金中不可避免的雜質(zhì)含量不超過0.8%。下面對(duì)本發(fā)明的合金中添加合金元素的功能和作用進(jìn)行說明:
[0023]在本發(fā)明中,除非另有說明,無鉛硅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(wt%)表示。
[0024]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,銅與鋅的含量占總重量的96%以上。其中,銅占合金總重量的59-63% (優(yōu)選61-62%),以提供良好韌性,以利于合金材料的后續(xù)加工。
[0025]本發(fā)明的無鉛易切削硅黃銅合金中,硅的含量占合金總重量的1-1.5% (優(yōu)選
1.2-1.3%)。硅資源豐富,價(jià)格低廉,以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)成為鉛的理想替代元素,與其他合金相比具有很強(qiáng)的成本競爭優(yōu)勢(shì),為該合金產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)、應(yīng)用并推廣創(chuàng)造了有利條件。硅(Si)的熔點(diǎn)為1410°C,在熔煉過程中將銅和硅的含量進(jìn)行優(yōu)化,讓適量的硅成為變質(zhì)劑,使得Y相變得細(xì)小而均勻,在以β相為基的黃銅中,細(xì)小而均勻的Y起到了類似HPb59-l中的游離Pb質(zhì)點(diǎn)的斷屑作用,從而改善金屬間化合物和相的分布狀況、改善合金的切削加工性能,同時(shí)硅元素還具有一定的脫氧作用。
[0026]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,鋁的含量占合金總重量的0.001-0.05% (優(yōu)選0.01-0.02%)。在黃銅合金中添加特定量的鋁,在熔煉過程中鋁減少鋅的蒸發(fā),增加銅水的流動(dòng)性;鋁的加入可以擴(kuò)大合金的半連續(xù)鑄造圓錠的熱加工溫度范圍,并提高其表面質(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;鋁可在鑄件表面形成一層鈍化薄膜,因而提高鑄件的耐腐蝕性能。
[0027]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,硼的含量占合金總重量的0.001-0.01% (優(yōu)選0.007-0.008%)。硼能占據(jù)或擴(kuò)散進(jìn)入雙控衛(wèi),減緩雙控衛(wèi)的遷移速度,從而提高黃銅的抗脫鋅能力,改善合金的抗沖蝕和腐蝕磨損性能。同時(shí),一定量硼元素的添加,起到變質(zhì)劑的作用,對(duì)黃銅合金進(jìn)行變質(zhì)處理,具有明顯的細(xì)化晶粒效果,能夠有效的消除柱狀晶,細(xì)化合金組織,使鑄態(tài)細(xì)化變質(zhì)組織在高溫下具有較好的熱穩(wěn)定性。
[0028]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,鐵的含量占合金總重量的0.1-0.5% (優(yōu)選
0.3-0.4%)。Fe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Zn生成化合物FeZn2顆粒,首先從合金液相中析出成為晶核,細(xì)化合金組織,并能阻止再結(jié)晶晶粒長大,從而提高合金的切削加工性能和工藝性能。另外,鐵和錳、硅或鋁同時(shí)加入效果更好。
[0029]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,錳的含量占合金總重量的0.1-0.2% (優(yōu)選
0.15-0.18%)。錳是黃銅的主要強(qiáng)化元素,錳能穩(wěn)定含鋁黃銅中的β相,減少鋁促使析出β相的作用,因此可以在少許降低塑性的情況下提高合金的強(qiáng)度和硬度,但對(duì)合金的整體塑性影響不大。并且,合金中的錳可以與銅形成連續(xù)固溶體,擴(kuò)大α相區(qū),提高了鐵在合金中的固溶度,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、耐熱性能及改善黃銅的切削性能。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。
[0030]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,錫的含量占合金總重量的0.1-0.15% (優(yōu)選
0.12-0.14%),磷的含量占合金總重量的0.05-0.5% (優(yōu)選0.2-0.4%)。在該合金中添加適當(dāng)?shù)牧缀湾a,磷的主要作用是脫 氧和使金屬具有流動(dòng)性,防止脫鋅以及細(xì)化晶粒的作用,錫元素能強(qiáng)化銅合金的晶界,使晶 界的腐蝕敏感度大大降低,同時(shí)錫和磷的同時(shí)添加可以促使合金的晶粒更加細(xì)小,分布更均勻,進(jìn)而提高合金的切削性能,因此錫和磷的同時(shí)添加對(duì)合金的切削性能具有協(xié)同作用。其中,磷/錫≥1.5 (優(yōu)選的,磷/錫≥2.5)。
[0031]本發(fā)明的無鉛硅黃銅合金中,稀土元素RE(鑭元素和/或鈰元素)的含量占合金總重量的0.01-0.07% (優(yōu)選0.02-0.06%)。合金中加入稀土元素有除氣、去雜、凈化金屬、細(xì)化晶粒以及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。
[0032]本發(fā)明無鉛硅黃銅熔煉過程的工藝流程如下:
[0033]在1.5噸感應(yīng)熔煉爐中加入I噸的電解銅、純鋅、純硅、木炭,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,加入鐵和鋁的中間合金攪拌均勻,靜置保溫10-15分鐘;取樣檢驗(yàn)合格后,再依次加入錳、硼、錫、磷、稀土元素的中間合金,其中:錫、磷、稀土元素以鋅的中間合金方式加入,鐵、鋁、硼、錳以銅的中間合金加入,攪拌扒洛,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,獲得合金鑄錠。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),木炭作為覆蓋劑。
[0034]以下通過特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式。[0035]實(shí)施例1
[0036]把按表1中所述合金成分,先進(jìn)行銅-娃-鋅合金的熔煉,熔煉溫度為1150°C ,待完全熔化后加入鐵和鋁的中間合金攪拌均勻,靜置保溫11分鐘后,再依次加入錳、硼、錫、磷、稀土元素的中間合金,其中:錫、磷、稀土元素以鋅的中間合金方式加入,鋁、鐵、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1100°C,澆鑄速度為lmm/s,制備合金鑄錠。
[0037]在熔煉時(shí),木炭作為覆蓋劑。
[0038]表1本發(fā)明無鉛娃黃銅合金成分(wt%)
【權(quán)利要求】
1.一種無鉛硅黃銅合金,其特征在于,按重量百分比計(jì),其成分和含量如下: 銅:59-63%、硅:1-1.5%、鋁:0.001-0.05%、硼:0.001-0.01%、鐵:0.1-0.5%、錳:0.1-0.2%、錫:0.1-0.15%、磷:0.05-0.5%、稀土元素 RE:0.01-0.07%、其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
2.按照權(quán)利要求1所述的無鉛硅黃銅合金,其特征在于,按重量百分比計(jì),其優(yōu)選成分和含量如下: 銅:61-62%、娃:1.2-1.3%、鋁:0.01-0.02%、硼:0.007-0.008%、鐵:0.3-0.4%、錳:0.15-0.18%、錫:0.12-0.14%、磷:0.2-0.4%、稀土元素 RE:0.02-0.06%、其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的無鉛硅黃銅合金,其特征在于,合金中不可避免的雜質(zhì)含量不超過0.8%。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的無鉛硅黃銅合金,其特征在于,稀土元素RE為鑭元素和/或鋪元素。
5.一種權(quán)利要求1所述的無鉛硅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-硅-鋅合金的熔煉,熔煉溫度為1100-1300°C,待完全熔化后加入鐵和鋁的中間合金攪拌均勻,靜置保溫10-15分鐘后,再依次加入錳、硼、錫、磷、稀土元素的中間合金,其中:錫、磷、稀土元素以鋅的中間合金方式加入,鐵、鋁、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。
6.按照權(quán)利要求5所述的無`鉛硅黃銅合金的制備方法,其特征在于,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所述的無鉛硅黃銅合金的制備方法,其特征在于,在熔煉時(shí),采用木炭作為覆蓋劑。
【文檔編號(hào)】C22C9/04GK103725922SQ201410018547
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】李文君, 劉剛, 王瑛 申請(qǐng)人:九星控股集團(tuán)有限公司
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