专利名称：一种无铅易切削黄铜合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及ー种无铅易切削黄铜合金及其制备方法，包括无铅易切削黄铜合金的配方设计以及熔炼、连铸连轧(或连铸连挤)等制备技术ェ艺。
背景技术：
铅黄铜合金拥有极其优良的易切削性能，以及良好的耐蚀性能和加工性能，更为重要的一点是，其价格要比一般的铜合金便宜不少，成本较低，且制作エ序简単。因此铅黄铜合金长期以来都是作为最经济实用的合金而被广泛应用在电子电器、家电、饮用水器件、航天航空、机械、汽车、仪表、五金等领域。铅几乎不固溶于黄铜合金中，主要以独立相存在于铜-锌固溶体的晶界处。大量游离的铅质点弥散分布在黄铜合金基体中，且铅质软，在加エ过程中产生融化现象，起到了润滑作用，使切屑易碎，エ件制品表面光洁。因此铅黄铜合 金具有易切削、易加工等优良特性。但是，铅对人体有害。不但废弃的铅黄铜合金元件对土壤和水资源的污染引起人们的广泛关注，其在熔炼、加工过程中，铅蒸汽和粉尘对环境和人体的危害也越来越引起人们的注意。为了避免铅的危害，減少铅的应用，一些无铅易切削黄铜合金已经被开发，并逐步投入商业应用中。但是这些无铅黄铜合金由于局限于ー些稀缺资源、生产エ艺复杂、成本较高等因素，而未能大規模生产。
发明内容
本发明的技术方案在于克服现有技术之不足，提供一种生产成本低、エ艺方法简单、可实现エ业化规模生产的无铅易切削黄铜合金及其制备方法。本发明以回收的镀镍锡铜板边角料(比如锡青铜合金QSn4_3、QSn6. 5-0. I、QSn7-0. 2、QSn6. 5-0. 4，锡黄铜合金邯1162-1、邯1170-1，镍铜合金撕1140-2-1、撕1128-2· 5-1. 5等)作为原材料，以有效降低成本，同时综合添加锌、铋、锰、稀土元素熔炼浇铸成黄铜合金，并进行热加工，使合金具有优良的机械性能、耐腐蚀性能及切削性能，以取代传统铅黄铜合金。实现上述目的的技术解决方案如下
一种无铅易切削黄铜合金由下列重量百分比的原料制成锌Zn26.0 38. 0%、铋BiO. 2 3. 5%、锰 Mnl. O 2. 1%、锡 SnO. 5 2. 0%、镍 NiO. 3 2. 0%、稀土镧 LaO. I O. 4%、杂质 < O. 1%、铜 Cu52. O 71. 6%ο一种无铅易切削黄铜合金的制备方法，按权利要求I所述配方称取原料放入中频熔炼炉，升温除气、除渣静置，熔炼、浇铸，对所获得铜合金进行形变热加工处理，其主要步骤如下
第一歩原料选择与称取
在添加锌Zn、铋Bi、锰Mn、稀土镧La时，采用定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金和铜-镧中间合金，其中铜-锌中间合金中锌含量56. 01%、铜-铋中间合金中铋含量19. 91%、铜-锰中间合金中锰含量25. 32%、铜-镧中间合金中镧含量24. 95% ;锡Sn、镍Ni通过回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料添加，所述镀镍锡铜板边角料中锡含量为14. 10%、镍含量为9. 20% ;按权利要求I所述配方称取原料；
第二步熔炼浇铸黄铜合金
熔铸采用高频感应加热炉，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鱗片石墨的覆盖厚度在1-2厘米，再依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金(加入时锌会沸腾，有着除气的作用，但需要多加覆盖剂以保证锌不会烧损过多)，逐步降低温度至950°C，待全部熔化，保温10分钟，保温温度为900 950°C，保温期间进行搅拌、扒渣，最后浇铸成型；第三步形变热处理加工
首先固溶处理，将铸件放入箱式电阻炉中加热至750°C，保温时间O. 5-1. 5小时；然后热挤压，在63吨液压机上挤成各种规格的棒线材或者简单形状的型材，挤压变形率为30 40%;退火处理而后，在箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏 析、晶粒粗大等缺陷，温度600°C，保温时间1-2小吋，空气冷却。本发明主要采用多元微合金化的方法提高黄铜合金各种性能，如机械性能、切削性能、耐腐蚀性能等，以达到替代铅黄铜合金的目的。具体为通过铋元素提高切削性能，锡能够与铋形成化合物弥散分布于晶界处，也能提高切削性能；锰、镍的加入可以提高机械性能及耐腐蚀性能；稀土元素的作用较多，可以起到除气、除杂、细化晶粒、浄化晶界等作用。若単独上述各种元素进行强化时，其強化能力较弱，不能得到综合性能优异的黄铜合金，而一起添加时，能起到1+1 > 2的性能提升作用。本发明的有益技术效果是
1.本发明所制无铅易切削黄铜合金的硬度较高，显微硬度为130 150HV，而普通铅黄铜合金的显微硬度为110 140HV ;所制黄铜合金的抗拉强度大于450MPa，延伸率大于20% ；
2.本发明所制无铅易切削黄铜合金的切屑形貌、大小与传统铅黄铜合金相似，切削性能优良，在切削性能上可以取代铅黄铜合金；
3.本发明所制无铅易切削黄铜合金的耐蚀性能优于传统铅黄铜合金，在脱锌腐蚀试验中所制合金的脱锌层厚度为150 200 μ m (脱锌层厚度测试采用IS06509-1981标准)，远低于铅黄铜合金350 400 μ m的脱锌层厚度；
4.本发明选择回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料，成本低廉，具有节能环保的意义，同时本发明实施简单，可以利用现有设备直接投入生产，具有良好的エ业化应用前景。
图I为本发明实施例I中铸态试样XRD图谱。图2为本发明实施例I中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。图3为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。图4为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金的SEM图片。图5为本发明实施例I中无铅易切削黄铜合金断ロ扫描图片。
图6为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金断ロ扫描图片。图7为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金断ロ扫描图片。图8为本发明实施例I中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。图9为本发明实施例2中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。图10为本发明实施例3中无铅易切削黄铜合金切屑形貌。
具体实施例方式下面结合实施例，对本发明作详细介绍 实施例I:
选择Cu99. 9%エ业纯铜和定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金、铜-镧中间合金，回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56. 01%、铜-铋中间合金中铋含量19. 91%、铜-锰中间合金中锰含量25. 32%、铜-镧中间合金中镧含量24. 95%，镀镍锡铜板中锡含量为14. 10%、镍含量为9. 20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料25g Cu-Bi中间合金，50g铜-锰中间合金，50g镀镍锡铜板，5gCu-RE中间合金，600gCu-Zn中间合金，420g纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鱗片石墨的覆盖层厚度约I. 5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950°C，待全部熔化后温度保持在900°C并持续IO分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，继而浇铸成铸锭，铸态试样XRD图谱见图
1。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750°C，保温时间I小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800°C的钢制垫板(以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米)同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为30%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ艺參数选择为退火温度600°C，保温时间I小时，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最終成品黄铜合金的SEM观察结果见图2。最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为锌Zn29. 1%，铋BiO. 4%,锰 Mnl. 1%，锡 SnO. 6%,镍 NiO. 4%,稀土镧 LaO. 1%、杂质 < O. 1%、铜 Cu68. 2%。测得其性能为硬度132HV，抗拉强度470MPa，图5为黄铜合金断ロ扫描图片，延伸率21%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-l的90%，图8为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度190 μ m (其中脱锌层厚度测试采用IS06509-1981标准)。实施例2 :选择Cu99. 9%エ业纯铜和定制的铜-锌、铜-铋、铜-锰、铜-镧中间合金，还有回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56. 01%、铜-铋中间合金中铋含量19. 91%、铜-锰中间合金中锰含量25. 32%、铜-镧中间合金中镧含量24. 95%，镀镍锡铜板中锡含量为14. 10%、镍含量为9. 20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料50g Cu-Bi中间合金，75gCu-Mn中间合金，IOOg镀镍锡铜板，IOgCu-RE中间合金，650gCu-Zn中间合金，265g纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鱗片石墨的覆盖层厚度约I. 5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950°C，待全部熔化后温度保持在900°C并持续10分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，浇铸成铸锭。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750°C，保温时间I小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800°C的钢制垫板(以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米)同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为35%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ艺參数选择为退火温度600°C，保温时间I. 5小时，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最終成品，图3为黄铜合金的SEM观察結果。最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为锌Zn32. 8%，铋BiO. 8%,锰 Mnl. 6%,锡 Snl. 0%,镍 NiO. 8%,稀土镧 LaO. 2%、杂质 < O. 1%、铜 Cu62. 7%。
测得其性能为硬度145HV，抗拉强度468MPa，图6为黄铜合金断ロ扫描图片，延伸率23%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-l的110%，图9为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度160 μ m (其中脱锌层厚度测试采用IS06509-1981标准)。实施例3 :选择Cu99. 9%エ业纯铜和定制的铜-锌、铜-铋、铜-锰、铜-镧中间合金，还有回收的镀镍锡铜板边角料作为原料，其中铜-锌中间合金中锌含量56. 01%、铜-铋中间合金中铋含量19. 91%、铜-锰中间合金中锰含量25. 32%、铜-镧中间合金中镧含量24. 95%，镀镍锡铜板中锡含量为14. 10%、镍含量为9. 20%。按照配方范围重量百分比计算称取原料75g Cu-Bi中间合金，IOOgCu-Mn中间合金，150g镀镍锡铜板，15gCu_RE中间合金，700gCu-Zn中间合金，IlOg纯铜。将称取的原料在高频感应加热炉中熔炼，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鱗片石墨的覆盖层厚度约I. 5厘米，而后依次添加铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，同时逐步降低温度至950°C，待全部熔化后温度保持在900°C并持续10分钟时间，期间进行搅拌、扒渣，浇铸成铸锭。而后将铸锭放入SRJX-4-9箱式电阻炉中进行固溶处理，温度750°C，保温时间I小时；将固溶处理后的铸锭与已经预热到800°C的钢制垫板(以使铸锭温度不会降低过快，所使用垫板厚度不小于3厘米)同时放入63吨液压机上进行热挤压，挤成各种规格的板材或者简单形状的型材，变形率为40%。而后，在SRJX-4-9箱式电阻炉中进行退火处理，以消除合金在熔铸时引起的成分偏析、晶粒粗大等缺陷，エ艺參数选择为退火温度600°C，保温时间2小吋，空冷。最后去除材料表面氧化皮，得到本发明最終成品，图4为黄铜合金的SEM观察結果。最终得到的本发明易切削黄铜合金成品成分重量百分比为锌Zn35. 2%，铋Bil. 2%,锰 Μη2· 1%，锡 Snl. 6%,镍 Nil. 2%,稀土镧 LaO. 3%、杂质 < O. 1%、铜 Cu58. 3%。测得其性能为硬度140HV，抗拉强度455MPa，图7为黄铜合金断ロ扫描图，延伸率20%，切削性能为铅黄铜合金HPb59-l的100%，图10为黄铜合金切屑形貌，脱锌层厚度150 μ m (其中脱锌层厚度测试采用IS06509-1981标准)。
权利要求
1.一种无铅易切削黄铜合金，其特征在干由下列重量百分比的原料制成锌26. O 38. 0%、铋 O. 2 3. 5%、锰 I. O 2. 1%、锡 O. 5 2. 0%、镍 O. 3 2. 0%、稀土镧 O. I O. 4%、杂质 < O. 1%、铜 52. O 71. 6%O
2.一种无铅易切削黄铜合金的制备方法，按权利要求I所述的配方称取原料放入中频熔炼炉，升温除气、除渣静置，熔炼、浇铸，对所获得铜合金进行形变热加工处理，其特征在于 (1)原料选择在添加锌、铋、锰、稀土镧时，采用定制的铜-锌中间合金、铜-铋中间合金、铜-锰中间合金和铜-镧中间合金，其中铜-锌中间合金中锌含量56. 01%、铜-铋中间合金中铋含量19. 91%、铜-锰中间合金中锰含量25. 32%和铜-镧中间合金中镧含量24. 95% ；锡和镍通过回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料添加，所述镀镍锡铜板边角料中锡含量为14. 10%、镍含量为 9. 20% ； (2)熔炼浇铸黄铜合金熔铸采用高频感应加热炉，首先把铜-锰中间合金、纯铜放入炉内加热至1200°C使其熔化，然后放入鱗片石墨作为覆盖剂用以防止氧化，鱗片石墨的覆盖厚度在1-2厘米，再依次添加所述铜-镧中间合金、铜-铋中间合金、镀镍锡铜板、铜-锌中间合金，降温至950°C，待全部熔化，保温10分钟，保温温度为900 950°C，保温期间进行搅拌、扒渣，最后浇铸成型； (3)形变热处理加工首先固溶处理，将铸件放入箱式电阻炉中加热至750°C，保温时间O. 5-1. 5小时；然后热挤压，挤压变形率为30 40% ;退火处理温度600°C，保温时间1-2小时，空气冷却。
全文摘要
本发明涉及一种无铅易切削黄铜合金。其由下列重量百分比的原料制成锌26.0～38.0%、铋0.2～3.5%、锰1.0～2.1%、锡0.5～2.0%、镍0.3～2.0%、稀土镧0.1～0.4%、杂质﹤0.1%、铜52.0～71.6%。具体制备方法包括按配方选择称取原料，按顺序放入中频熔炼炉、升温除气、除渣静置、熔炼、浇铸，形变热加工处理。本发明的无铅易切削黄铜合金的显微硬度为130～150HV，抗拉强度大于450MPa，延伸率大于20%；在脱锌腐蚀试验中的脱锌层厚度为150～200μm，远低于铅黄铜合金350～400μm的脱锌层厚度；本发明选择回收的镀镍锡铜板边角料作为原材料，成本低廉，具有节能环保的意义。
文档编号C22C1/03GK102828064SQ20121036678
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者黄新民, 吴玉程, 秦永强, 舒霞, 郑玉春, 韩和兵 申请人:合肥工业大学