一種無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金及制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金及 制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了降低鉛黃銅水龍頭中鉛的有害作用，國內(nèi)外相關(guān)研究者就飲用水對黃銅的腐 蝕機(jī)理及添加合金元素對黃銅的耐腐蝕性能影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并采取了多種措施，如 添加錫、鎳等合金元素來提高黃銅的耐腐蝕性能，或?qū)⒖扇苄缘你U去除或抑制鉛的浸出等。 然而，由于鉛是該類黃銅的合金元素，始終存在于黃銅中，所以上述方法只能從一定程度上 減輕鉛的毒副作用，而無法從根本上消除鉛的危害。有鑒于此，尋找新型的銅合金水龍頭替 代材料成為了行業(yè)內(nèi)亟待解決的重要課題。
[0003] 近年來，國內(nèi)外對無鉛易切削黃銅進(jìn)行了大量的研究，并已經(jīng)取得了一定成果，主 要是以硅、鉍、鎂、銻及石墨替代鉛。特別地，由于硅黃銅具有良好的鑄造性能、熱加工性能、 焊接性能及抗脫鋅、應(yīng)力腐蝕性能，再加上硅成本低廉的價格優(yōu)勢，使得硅黃銅在綠色環(huán)保 無鉛易切削黃銅中的地位顯得尤為突出。其中，九牧廚衛(wèi)股份有限公司申請的專利"一種 易加工硅黃銅合金及其制備方法"（公布號CN104651660 A，對比文件1)，公開了該合金 的組分為：60-63wt% Cu，0. 50-0. 90wt% Si，0. 50-0. 80wt% Α1，0· 10-0. 20wt% Pb，其它微 量添加元素含量小于0. 3wt%，其余為Zn及不可避免的雜質(zhì)，然而，該硅黃銅合金仍然含有 組元Pb，通過計算該專利實施例的鋅當(dāng)量，此類合金的組織應(yīng)該由α+β兩相組成；九星控 股集團(tuán)有限公司申請了"一種無鉛硅黃銅合金及制備方法"的專利（公布號CN103725922 Α，對比文件2)，公開的合金成分為：59-63wt% Cu，l-1.5wt% Si，0.001-0.05wt% Α1， 0. 001-0.0 lwt%Β,Ο. 1-0. 5wt%Fe,0.l-〇. 2wt%Mn,0. l-〇. 15wt%Sn,0. 05-0. 5wt%P, 0. 01-0. 07wt%稀土元素RE，其余為鋅和不可避免的雜質(zhì)，通過計算該專利實施例的鋅當(dāng) 量，此類合金的組織應(yīng)該由α+β兩相組成；然而其抗拉強(qiáng)度430MPa_460MPa還存在進(jìn)一步 提升的空間，其脫鋅層厚度210μm還存在進(jìn)一步降低的空間，從而獲得更加優(yōu)異的綜合性 能。另外，以上專利雖然公開了合金的具體成分范圍，但未明晰其合金設(shè)計原理和相組成， 事實上，合金設(shè)計原理和相組成極大地影響銅合金的抗拉強(qiáng)度、耐蝕性能、切削性能等綜合 性能。
[0004] 對HPb59-l鉛黃銅等α+β兩相黃銅的研究表明，β相（以CuZn為基的固溶體） 的強(qiáng)度、硬度雖比α相（Zn溶于Cu中的固溶體）高，但可進(jìn)行冷熱壓力加工，特別是熱加 工條件下β相具有更好的塑性。而γ相（以電子化合物Cu5Zns為基的固溶體）則不同， 它是一個硬脆相，在鑄造狀態(tài)下以星花狀分布于基體之中，對機(jī)械加工性能和使用性能帶 來不利影響。因此，假想有一種黃銅合金，基體為β相，在基體上均勻分布著細(xì)小的點狀γ 相，在切削時細(xì)小γ相可起到折斷切肩的作用，則其切削性能就可與鉛黃銅相似。此想法 能否實現(xiàn)，關(guān)鍵是需要設(shè)計合適的鋅當(dāng)量，使合金由β+γ兩相組成，且對γ相進(jìn)行變質(zhì)處 理，使其呈細(xì)小點狀且均勻彌散分布于β相基體上。
[0005] 根據(jù)對黃銅的研究知道，如果合金中要生成γ相，鋅含量應(yīng)至少為48wt%以 上。與之對應(yīng)，對于多組元銅合金來說，生成γ相的必要條件是合金的鋅當(dāng)量必須大于 48wt%，但過高的鋅當(dāng)量會導(dǎo)致合金的塑性降低，并嚴(yán)重影響其切削性能。鋅當(dāng)量的計算
，式中，X就是加入合金元素后，復(fù)雜黃銅中等效的鋅當(dāng) 量。CZn為合金中加入的實際鋅含量，Ccu為合金中實際加入的純銅含量，Σ 為加入的所 有合金元素的含量Q及其鋅當(dāng)量Ki乘積的總和。其中，鋅當(dāng)量的主要調(diào)控元素為硅和鋁， 其鋅當(dāng)量分別為10和6。因而，通過硅、鋁含量的合理調(diào)控，可以調(diào)控合金的鋅當(dāng)量，進(jìn)而調(diào) 控合金的相組成及其綜合性能。
[0006] 有鑒于此，如果能通過鋅當(dāng)量的合理調(diào)控，獲得由β+γ兩相組成的銅合金，并對 γ相進(jìn)行變質(zhì)處理，使其呈細(xì)小點狀且均勻彌散分布于β相基體上，將可制備出抗拉強(qiáng) 度、耐蝕性能、切削性能等綜合性能優(yōu)異的無鉛銅合金，以替代行業(yè)內(nèi)普遍使用的鉛黃銅材 料，將具有重要的理論和工程意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)提出的問題，本發(fā)明的首要目的在于提供一種無鉛易切削 高強(qiáng)耐蝕娃黃銅合金。
[0008] 本發(fā)明的另一目的在于上述無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金的制備方法。
[0009] 本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0010] -種無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金，所述黃銅合金由以下①或②所列質(zhì)量百分 比的組分組成：
[0011] ① 56 ~60wt%Cu，1. 0 ~1. 5%wt%Si，0. 5 ~0· 9%wt%Al，38%~42%wt% Zn，(λ003~(λ01%wt%B，(λ03~(λ06%wt%Ti，以及不可避免的微量雜質(zhì)；
[0012] ② 56 ~60wt%Cu，0. 5 ~0· 8%wt%Si，1 ~1. 5%%wt%Al，38%~42%wt% Zn，(λ003~(λ01%wt%B，(λ03~(λ06%wt%Ti，以及不可避免的微量雜質(zhì)；
[0013] 且所有組分的鋅當(dāng)量介于48%~50%之間。
[0014] 上述無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金的組織結(jié)構(gòu)特征為：包括β和γ兩個組成 相，其中，以晶粒尺寸為200-400μπι的β相為基體，以均勻彌散分布于β相晶粒內(nèi)的細(xì)小 球狀γ相為強(qiáng)化相。
[0015] 上述無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金的制備方法，包括以下制備步驟：
[0016] (1)設(shè)計Cu、Zn、Si、Α1等合金元素的含量，使計算的鋅當(dāng)量介于48%~50%之 間；
[0017] (2)將坩堝預(yù)熱到400~500°C，然后將紫銅和銅硅中間合金原料置于坩堝底部， 升溫至1050~1100°C，直至紫銅和銅硅中間合金全部熔化并且成分均勻化，此時在熔液表 面加入硼砂作為覆蓋劑；
[0018](3)將溫度下降到400~700°C，順序加入鋁錠和鋅錠；
[0019] (4)待鋁錠和鋅錠全部熔化后，再升溫至1050~1100°C，攪拌使合金熔體成分均 勻化；
[0020] (5)用鋁箱包裹銅硼和銅鈦中間合金塊，將中間合金塊壓入合金熔體中進(jìn)行變質(zhì) 處理，再次攪拌實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化；
[0021] (6)在1050~1100°C保溫靜置10~30分鐘，以實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化；
[0022] (7)濾去浮渣及雜質(zhì)，在950~1050°C進(jìn)行澆注，然后冷卻至室溫，即得無鉛易切 削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金。
[0023] 上述無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金在水暖衛(wèi)浴等行業(yè)中的應(yīng)用。
[0024] 本發(fā)明的制備方法及所得到的產(chǎn)物具有如下優(yōu)點及有益效果：
[0025] (1)本發(fā)明通過對Cu、Zn、Si、A1元素含量的調(diào)控實現(xiàn)對鋅當(dāng)量的調(diào)控，進(jìn)而獲得 相組成及其分布狀態(tài)可控的無鉛銅合金，合金設(shè)計原理依據(jù)充分，簡單易行；
[0026] (2)本發(fā)明的黃銅合金通過Si、Al元素來替代Pb，成本低廉，同時實現(xiàn)了易切削黃 銅的無鉛化，有利于環(huán)保和健康；
[0027] (3)本發(fā)明所得黃銅合金的鑄造性能好，在鑄造過程中不會出現(xiàn)熱裂、氣孔等缺 陷，良品率高，因而可利用重力鑄造和低壓鑄造等工藝進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)；
[0028] (4)本發(fā)明獲得的無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金具有高抗拉強(qiáng)度、良好的抗脫 鋅性能等優(yōu)異的綜合性能，在水暖衛(wèi)浴等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0029] 圖1為實施例1制備的無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金的光學(xué)形貌圖；
[0030] 圖2為實施例1制備的無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
[0032] 實施例1
[0033] (1)設(shè)計Cu、Zn、Si、Al合金元素的含量分別為 58wt%Cu、40. 2wt%Zn、1. 0%wt% Si和0. 8%wt%Al，經(jīng)計算合金的鋅當(dāng)量為48. 7% ;另外，合金中晶粒細(xì)化劑B和Ti的含 量分別設(shè)計為〇· 005%wt%B和(λ03%wt%Ti;
[0034] (2)首先將坩堝預(yù)熱到400~500°C，然后將紫銅和銅硅中間合金原料置于坩堝底 部，升溫至1050~1100°C，直至紫銅和銅硅中間合金全部熔化并且成分均勻化，此時在熔 液表面加入少量硼砂作為覆蓋劑；
[0035] (3)將溫度下降到400~700°C，順序加入鋁錠和鋅錠；
[0036] (4)待鋁錠和鋅錠全部熔化后，再升溫至1050~1KKTC，用石墨棒充分?jǐn)嚢枰员M 可能實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化；
[0037] (5)用鋁箱包裹銅硼和銅鈦等中間合金塊，使用鐘罩法把中間合金塊壓入合金熔 體中進(jìn)行變質(zhì)處理，并再次用石墨棒充分?jǐn)嚢枰员M可能實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化；
[0038] (6)在1050~1100°C保溫靜置10~30分鐘，以實現(xiàn)合金熔體成分的均勻化；
[0039] (7)濾去浮渣及雜質(zhì)，在950~1050°C進(jìn)行澆注，冷卻至室溫，即獲得無鉛易切削 高強(qiáng)耐蝕娃黃銅合金。
[0040] 本實施例所得無鉛易切削高強(qiáng)耐蝕硅黃銅合金經(jīng)X射線衍射分析表明，該硅黃 銅合金包括β和γ兩個組成相，（對比文件1公開實施例的銅合金成分，其鋅當(dāng)量在 42. 3% -43. 9%之間，據(jù)此推測其包括α和β兩個組成相）；其光學(xué)形貌圖如圖1所示，由 圖1觀察表明，該硅黃銅合金中β相基體的晶粒尺寸為300-350μπι，細(xì)小球狀γ相均勻 彌散分布于β相晶粒內(nèi)；其拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線圖