专利名称：一种高锌无铅黄铜合金及制备方法
技术领域：
本发明涉及无铅黄铜合金领域，尤其是涉及一种易切削、耐腐蚀的高锌无铅黄铜合金及制备方法，该合金适用于替代机械加工的铅黄铜合金，是一种优良的环保型绿色金属材料。
背景技术：
伴随着含铅制品的大量使用，铅对于人类的危害日益显现，铅中毒和铅污染已成为人们普遍关注的社会问题。传统工业上普遍使用的易切削黄铜均为含铅黄铜(多为 HPb59-l等)，由于铅黄铜具有优良的冷热加工性能、极好的切削性能和自润滑等特点，能满足各种形状零部件的机加工，因此含铅黄铜被世界公认为重要的基础材料，而广泛应用到民用供水/排水系统的铸件及配件、电子、汽车及机械制造等领域。
但在生产或使用过程中1 及其化合物易挥发或析出，造成环境污染，危害人体健康。对人体主要造成的危害有损伤大脑中枢及周围神经系统；破坏造血系统，阻碍血红素的合成，导致贫血；影响消化系统功能抑制免疫系统功能等。因此，世界各国开始重视铅污染的危害性，并制定相关法令法规严格限制或禁止含铅制品的使用。
所以，以无铅、低害的物质代替铅，是减少铅污染的主要途径。即通过改善黄铜中的成分组成，适当加入其他少量无毒害的元素代替铅的功能，使其达到易切削的目的，既满足工业上的需要又保护了生态环境。
基于以上原因，人们先后开发了无铅易切削铋黄铜合金来替代铅黄铜。铋黄铜作为最先替代铅黄铜的无铅铜合金已在发达国家占有很大的市场。但无铅铋黄铜的原材料成本远比铅黄铜高，所以只能在环保要求很高的铅黄铜市场存在需求，使其很难获得广泛的推广与应用。
因此，仍需要一种具有低成本、较好的铸造性能、切削性、耐腐蚀性与机械性能等特点的无铅黄铜来替代含铅黄铜。发明内容
本发明的目的是提供一种高锌无铅黄铜合金及制备方法，高锌无铅黄铜替代含铅黄铜，具有低成本、较好的铸造性能、切削性、耐腐蚀性与机械性能等特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是
一种高锌无铅黄铜合金，按重量百分比计，其成分和含量如下
57-63 %铜、1-1. 5%石墨(鳞片状、含碳量在95wt %以上，粒度为150-250 目)、0· 05-0. 2 % 钛、0. 001-0. 05 % 铝、0. 001-0. 05 % 硼、0. 02-0. 06 % 砷、0. 2-0. 5 % 铁、 0. 1-0. 2%锰、0. 001-0. 07%稀土元素RE(镧、铈、钕中的一种或几种)、其余为锌，不可避免的杂质含量不超过0.8%。
所述的高锌无铅黄铜合金的制备方法是
在熔炼时，先进行铜锌合金的熔炼，熔炼温度为1100-1300°C，待完全熔化后加入石墨和铜钛中间合金搅拌均勻，静置保温10-15分钟后，再依次加入铝、硼、砷、铁、锰、 稀土元素的中间合金，其中招、砷、铁、稀土元素以锌的中间合金方式加入，硼、锰以铜的中间合金加入，搅拌扒渣，喷火后采用重力浇铸，浇铸温度为1050°C -1100°C，浇铸速度为 1-1. 5mm/s，制备合金铸锭。
所述中间合金中，铜或锌质量分数均为80-90%。
在熔炼时，覆盖剂是采用石墨和玻璃，石墨和玻璃的重量比范围为0. 5 2。
本发明的优点及有益效果是
本发明的高锌无铅黄铜通过在该合金中添加石墨替代铅，同时成本比铋黄铜低， 还可以减少铸件的裂纹、夹杂等缺点，且能细化黄铜合金晶粒，具有非常优异的冷热加工性能，提高黄铜材料的机械性能及对海水的耐腐蚀性，可使材料具有良好的切削性能，同时兼具有一定程度的韧性，更兼具有优异的铸造性、机械强度、加工性与耐腐蚀性，能有效提高产品的生产效率和合格率。
图1为高锌无铅黄铜熔炼过程的工艺流程图2为高锌无铅黄铜的切削性能试验图3为HP1359-1黄铜的切削性能试验图。
具体实施方式
下面对本发明的合金中添加合金元素的功能进行说明。
在本发明中，除非另有说明，高锌无铅黄铜合金所包含的成分均以该合金总重量为基准，并以重量百分比)表示。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，铜与锌的含量占总重量的96%以上，其中，铜占合金总重量的57-63%，以提供良好韧性，以利于合金材料的后续加工。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，石墨的含量占合金总重量的1-1. 5%。石墨是一种优良的固体润滑剂，添加在合金中的石墨没有溶解在铜中，是以质点形式独立分布在晶界处。在切削加工过程中，石墨不断暴露出来，并在新生表面形成润滑膜，覆盖瞬间出现的新生表面，减少切削刀头与切屑的摩擦，从而起到减少刀头磨损的作用。此外，当切屑被刀头从基体切削剥离时，石墨颗粒较软，强度、韧性较差，易断裂，裂纹易在石墨颗粒处萌生并扩展，裂纹扩展时切屑就会发生断裂，从而减少切屑的尺寸，有利于改善工件的表面质量，保证合金具有良好的切削性能。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，钛的含量占合金总重量的0. 05-0. 2%。微量的钛对本发明的合金具有细化晶粒，改善塑性的作用。Ti与C生成难溶的碳化物(TiC)质点，其碳化物结合力极强、极稳定、不易分解，富集于铜的晶界处，阻止铜的晶粒粗化，减少粗大柱状晶和树枝状组织的生成，可减少偏析降低带状组织级别。同时，加入Ti元素可以改善石墨在铜合金中的湿润性，通过电镜观察发现，本发明铸态合金的α枝晶中含有石墨颗粒， 而Ti则以金属间化合物的形式存在于枝晶间，且在石墨颗粒表面形成碳化钛。从而改善合金的腐蚀性能、切削性能。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，铝的含量占合金总重量的0. 001-0. 05%。在黄铜合金中添加特定量的铝，在熔炼过程中Al减少Si的蒸发，增加铜水的流动性；Al的加入可以扩大合金的半连续铸造圆锭的热加工温度范围和提高其表面质量，改善合金材料的铸造性能、能提高合金的强度和硬度；Al可在铸件表面形成薄膜，因而提高铸件的耐腐蚀性能和表面光洁度；同时，铝能明显改善黄铜的切削性能，使切屑更细小，切削表面光洁度更高。 其作用在于添加少量的铝能使石墨颗粒在合金中的分布更细小弥散，从而减小切削力和起到润滑刀具的作用。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，硼的含量占合金总重量的0.001-0. 05%，砷的含量占合金总重量的0. 02-0. 05%。硼加入到合金后，具有显著细化和变质的效果，添加微量硼的铸态细化变质组织在高温有较好的热稳定性，起到变质剂的作用；减缓双空位的迁移速度，从而提高黄铜的抗脱锌能力，硼的加入还能明显提高合金的抗冲蚀和腐蚀磨损性能。 此外，砷硼对脱锌行为的协同作用在最佳硼砷含量下黄铜的脱锌系数几乎等于1，即不会发生脱锌腐蚀。在黄铜中单独加入硼或砷时，只能减缓双空位的迁移速率，并不能完全阻止双空位迁移的锌溶解通道，因而也就不能完全抑制黄铜的脱锌腐蚀。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，铁的含量占合金总重量的0.2-0.5%。狗在合金α相固溶体中的溶解度只有0. 1-0.2%，超过此值便与Si生成化合物!^eZn2颗粒，首先从合金液相中析出成为晶核，细化合金组织。狗也可以推迟合金再结晶过程，阻碍晶粒长大。 ^*Μη、Α1同时加入效果更好，不仅可解决石墨黄铜材料开裂的缺陷，并且达到铅黄铜(Η59-1铅黄铜)所具备的材料特性(如切削性等)。铁以富铁相的微粒析出，作为晶核而提高细化晶粒与黄铜在结晶温度，并能阻止再结晶晶粒长大，从而提高合金的机械性能和工艺性能，同时使黄铜具有高的韧性、耐磨性及在大气和海水中优良的抗蚀性。但含狗量多时，富铁相过多，降低合金耐蚀性能。因此，本发明的合金可以用于制造受摩擦和受海水腐蚀的零件。另一方面，由于铁元素是无毒、无害、无污染环境问题，在金属析出量标准内限定铁元素含量，且铁元素是人体不可缺少的微量元素，更适用于制造水龙头、卫浴零件、 自来水管线，或供水系统等应用。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，锰的含量占合金总重量的0. 1-0. 2%。合金中的锰可以与铜形成连续固溶体，扩大α相区，提高了狗在合金中的固溶度，也提高黄铜的再结晶温度，使合金与铁元素形成更细化的晶粒，有助于增加黄铜的强度与韧性，提高黄铜材料的机械性能以及对大气或海水的耐腐蚀，提高耐热性能，改善黄铜的切削性能，同时避免合金铸件发生夹杂、裂纹等缺陷。同时，锰可作为合金的脱氧剂，在以锰脱氧的铜中一方面提高合金的软化温度，另外一方面有益于合金的力学性能和工艺性能。
本发明的高锌无铅黄铜合金中，稀土元素RE(镧、铈、钕中的一种或几种)的含量占合金总重量的0. 001-0. 07%。合金中加入稀土元素有除气、去杂，净化金属，细化晶粒，使合金组织致密的作用，从而增加锌原子扩散阻力。另外，稀土元素易存在于界面上形成氧化膜，阻止锌原子扩散，抑制铜氯化合物的分解，有效抑制晶间腐蚀，可明显提高合金的耐腐蚀性。
本发明研制的合金力学性能与铅黄铜ΗΡ1359-1相当，添加微量元素后，其耐脱锌腐蚀性能优于铅黄铜，切削性能优良，完全可以替代ΗΡ1359-1铅黄铜，从而在不增加成本的基础上避免铅造成的污染。同时，本发明的合金能很好地进行镀铬和银焊处理，且以上述替代铅的合金资源丰富，价格便宜，易于推广应用。
以下通过特定的具体实施例及
本发明的实施方式。
如图1所示，本发明高锌无铅黄铜熔炼过程的工艺流程如下
在1. 5吨感应熔炼炉中加入1吨的电解铜、纯锌、石墨、玻璃，在1. 5吨感应熔炼炉中熔炼，熔炼温度为1100-1300°C ；待完全熔化后，加入石墨和铜钛中间合金搅拌均勻，静置保温10-15分钟；取样检验合格后，依次加入铝、硼、砷、铁、锰、稀土元素的中间合金，搅拌扒渣；喷火后采用重力浇铸，在1050°C -1100°C下进行浇铸，浇铸速度为1-1. 5mm/s，获得合金铸锭。
实施例1
把按表1中所述合金成分，先进行铜锌合金的熔炼，熔炼温度为1170°C，待完全熔化后加入石墨和铜钛中间合金搅拌均勻，静置保温12分钟后，再依次加入铝、硼、砷、铁、 锰、稀土元素的中间合金，其中铝、砷、铁、稀土元素以锌的中间合金方式加入，硼、锰以铜的中间合金加入，所述中间合金中，铜或锌质量分数均为80-90%。搅拌扒渣，喷火后采用重力浇铸，浇铸温度为1070°C，浇铸速度lmm/s，制备合金铸锭。
在熔炼时，覆盖剂是采用石墨和玻璃，其混合重量比例为1.25 1。
表1本发明高锌无铅黄铜合金成分(wt % )
权利要求
1.一种高锌无铅黄铜合金，其特征在于按重量百分比计，其成分和含量如下57-63 % 铜、1-1. 5 % 石墨、0.05-0. 2 % 钛、0. 001-0. 05 % 铝、0. 001-0. 05 % 硼、0. 02-0. 06%砷、0. 2-0. 5%铁、0. 1-0. 2%锰、0. 001-0. 07%稀土元素 RE、其余为锌。
2.按照权利要求1所述的高锌无铅黄铜合金，其特征在于合金中不可避免的杂质含量不超过0.8%。
3.按照权利要求1所述的高锌无铅黄铜合金，其特征在于石墨为鳞片状、含碳量在95wt%以上，粒度为150-250目。
4.按照权利要求1所述的高锌无铅黄铜合金，其特征在于稀土元素RE为镧、铈、钕中的一种或几种。
5.按照权利要求1所述的高锌无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤在熔炼时，先进行铜锌合金的熔炼，熔炼温度为1100-130(TC，待完全熔化后加入石墨和铜钛中间合金搅拌均勻，静置保温10-15分钟后，再依次加入铝、硼、砷、铁、锰、稀土元素的中间合金，其中招、砷、铁、稀土元素以锌的中间合金方式加入，硼、锰以铜的中间合金加入，搅拌扒渣，喷火后采用重力浇铸，浇铸温度为1050°C -1100°C，浇铸速度为l-1.5mm/S，制备合金铸锭。
6.按照权利要求5所述的高锌无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于，所述中间合金中，铜或锌质量分数均为80-90 %。
7.按照权利要求5所述的高锌无铅黄铜合金的制备方法，其特征在于，在熔炼时，覆盖剂是采用石墨和玻璃，石墨和玻璃的重量比范围为0. 5 2。
全文摘要
本发明涉及无铅黄铜合金领域，尤其是涉及一种易切削、耐腐蚀的高锌无铅黄铜合金及制备方法，该合金适用于替代机械加工的铅黄铜合金，是一种优良的环保型绿色金属材料。按重量百分比计，其成分和含量如下57-63％铜、1-1.5％石墨、0.05-0.2％钛、0.001-0.05％铝、0.001-0.05％硼、0.02-0.06％砷、0.2-0.5％铁、0.1-0.2％锰、0.001-0.07％稀土元素RE、其余为锌。在熔炼时，先进行铜锌合金的熔炼，待完全熔化后加入石墨和铜钛中间合金搅拌均匀，再依次加入铝、硼、砷、铁、锰、稀土元素的中间合金，搅拌扒渣，喷火后采用重力浇铸，制备合金铸锭。本发明的高锌无铅黄铜通过在该合金中添加石墨替代铅，同时成本比铋黄铜低，还可以减少铸件的裂纹、夹杂等缺点，且能细化黄铜合金晶粒，具有非常优异的冷热加工性能。
文档编号C22C9/04GK102560190SQ201210021140
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月30日 优先权日2012年1月30日
发明者刘刚, 李文君, 王瑛 申请人:九星控股集团有限公司