一种饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料的制作方法

1.本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料。


背景技术：

2.随着生活水平的发展，饮用水的水质越来越受到人们关注。饮用水输送设备所用材料中含有的成分对饮用水造成有害物污染是一个不可忽视的问题。铜合金是以纯铜为基体，加入一种或多种元素所构成的合金材料。由于铜的切削、拉伸等性能的优良，被广泛应用到各种行业中，特别适于饮用水系统中阀门、管件及其各种零配件生产。黄铜合金因其具有特殊的抑菌杀菌性能，耐腐蚀性能良好、拉伸切削性能良好以及可再生回收等特点，被广泛应用于水龙头、阀门、管接件等输配水设备，尤其是铅黄铜因其优异的易切削性广泛范围最广，但在使用过程中，金属铅易从黄铜基体中溶出而进入水体，导致饮用水中铅含量超标。出于安全和健康的考虑，饮用水输送设备必须使用无铅铜合金材料，合金材料中的pb元素含量必须小于国家规定的标准。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有饮用水输送设备用铜合金材料的不足，提供一种饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料，该合金材料铅含量极低，与饮用水接触环保无害，具有良好的抗氧化性能、耐腐蚀性能以及切削机加工性能。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
4.一种饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料，其组成元素及质量百分比为：cu为55～68％、sn为0.1～0.3％、bi为0.4～1.0％、b为0.01～0.1％、se为0.02～0.15％、p为0.06～0.08％、mn为0.1～0.5％、al为0.1～0.5％、mg为0.05～0.5％，余量为zn和不可避免的杂质。
5.进一步地，其组成元素及质量百分比为：cu为58～65％、sn为0.1～0.2％、bi为0.6～0.8％、b为0.01～0.05％、se为0.05～0.1％、p为0.06～0.08％、mn为0.2～0.35％、al为0.1～0.3％、mg为0.1～0.2％，余量为zn和不可避免的杂质。
6.进一步地，其组成元素及质量百分比为：cu为58～60％、sn为0.1～0.12％、bi为0.6～0.8％、b为0.01～0.05％、se为0.05～0.08％、p为0.06～0.08％、mn为0.25～0.3％、al为0.1～0.13％、mg为0.1～0.13％，余量为zn和不可避免的杂质。
7.进一步地，所述合金材料中的sn和bi分别以单质金属的形式作为原料添加。
8.进一步地，所述b以硼铜中间合金的形式作为原料添加，所述硼铜中间合金中b的含量为10％。
9.进一步地，所述p以磷铜中间合金的形式作为原料添加，所述磷铜中间合金中p的含量为13％。
10.进一步地，所述杂质的总量不大于0.12％。
11.进一步地，所述合金材料中铅的质量百分比含量小于0.005％。
12.本发明的饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料中限定金属种类及添加量的原因在于：
13.铋：在合金材料中加入铋能够改善材料的切削性能，铋在250℃与铜产生共晶体，当铋含量为1～2％以内时，在(α+β)相中呈点状分布均匀，切削沫不易断屑，从而铜屑呈细长螺旋状，又因铜屑长时间与刀具大面积接触，切削阻力大，刀具容易发热，会使铜屑颜色出现深黄现象。当铜合金中的铋含量低于0.4％时，材料的切削性能不佳，当铋含量在0.4～1.0％时，铜屑细小，呈针状，铜屑松散材料的切削性能得到改善，材料的脆性降低，所以合金材料中铋含量选择为0.4～1.0％。
14.锡：合金材料的锡能少量地融入到材料的α相及(α+β)相中，起到抑制脱锌和提高材料的耐腐蚀的性能，同时还能够提高材料的耐磨性能，锡含量优选范围在0.1～0.3％。
15.硼铜合金：微量硼的加入能使铜合金的晶粒明显细化，显著提升铜的机械强度和耐腐蚀性能和抗冲蚀能力，硼与锡、铝一起使用时抗脱锌效果更好。当硼含量过多时会以硼化物的形式从铜合金中析出，降低材料的塑性，因此，硼含量优选为0.01～0.1％。
16.硒：合金材料中加入硒能够改善材料的机械性能，使材料的结构更加致密，可高速切削，加工的零件表面更光洁，因此，硒含量优选为0.02～0.15％。
17.锰：在铜合金材料中加入锰能够起到脱氧除气和提高合金机械强度的作用，优选含量范围在0.1～0.5％。
18.镁：在合金材料中加入镁能够提高材料的耐腐蚀性和热加工性能，并球化基体提高合金的切削性能。mg含量优选范围为0.05～0.5％。
19.铝：在合金材料中加入铝能够提高合金的耐腐蚀性与热加工性能。对于优选方案，铝含量低于0.1％，对提高合金材料的耐腐蚀性效果不明显；铝含量高于0.5％，热加工过程中易产生“粘模”现象，因此铝含量优选范围为0.1～0.5％。
20.铜磷合金：微量磷的加入能提高铜的流动性以及具有脱氧的作用，磷在铜中主要以(α+cu3p)共晶的形式存在，cu3p化合物具有很高的硬度，能够显著提高合金材料的力学性能，当磷含量低于0.04％，对材料流动性和脱氧效果不明显，超过0.1％对材料的切削性能改善效果不明显，所以磷含量优选范围在0.06～0.08％。
21.铜：合金材料中铜含量越高，α相越多，材料抗腐蚀性和塑性就越好，但是相应的成本升高，材料的切削加工变差；如果铜含量过低，合金材料的塑性变差。
22.与常规的铅黄铜材料相比，本发明具有以下有益效果：
23.本发明提供的无铅环保易切削铜合金材料适用于饮用水输送设备使用，该合金材料环保安全，铅含量极低，具有良好的切削加工性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。本发明通过调整合金材料中的各金属元素的添加量以得到最佳的累积效果，各元素之间相互协同作用，确保合金材料具有优良的切削性能和抗氧化耐腐蚀性能。本发明通过在合金材料中添加0.4～1.0％含量的铋与铜产生共晶体，显著改善材料的切削性能；以磷铜合金的形式添加微量的磷元素，可以提高合金材料的力学性能和切削加工性能；合金材料中添加少量的锡可以提高材料的耐磨性能和抗腐蚀性能；通过加入硼、硒、锰等元素降低铜合金的晶粒细度，提高合金材料的耐腐蚀性和机械强度，磷在黄铜中则起到改善脱锌腐蚀和切削性的作用。
具体实施方式
24.以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，应当理解，以下所述的实施例，仅是本发明的较佳实施例，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及有益效果，仅用于说明和解释本发明，并非用于限定本发明。
25.本发明各实施例中所提供的饮用水输送设备用无铅环保易切削铜合金材料的制备方法为行业内铜合金常规的生产工艺，大致流程为：
26.配料
→
工频感应电炉熔炼(合金化处理，木炭覆盖保护)
→
全连铸φ103mm的铸锭(熔炼温度1100℃～1300℃，浇注时除气)
→
1250吨反向挤压机660～680℃挤压
→
φ23mm
→
φ19mm
→
φ14mm，各组分最终含量均落入配分含量范围；其中，配料过程中用的sn为纯锡锭，bi为纯铋锭；p是以铜磷中间合金的形式加入，b以硼铜中间合金的形式加入，各组分最终含量均落入配分含量范围。
27.对比例中的铅黄铜材料也采用同样的工艺条件加工而成。
28.本发明实施例1～4的无铅环保易切削铜合金材料和对比例1～2的铅黄铜材料的具体成分含量，如表1所示。
29.表1实施例1～4与对比例1～2中合金材料的组分(wt％)
[0030][0031]
将实施例1～4和对比例1～2中的合金材料，分别根据国家标准gb/t228.1
‑
2010进行力学性能测试，结果如表2所示。表2中的切削性能评价的方法通常是固定切削工艺参数，测定切削力与易切削铅黄铜hpb63
‑
3相对比，得到相对切削率。但是实际生产中常根据切削形状大小、排屑顺畅程度、刀具磨损程度来判定材料可切削性能的“好”或“差”。本发明采用的是切屑形态试验方法，主轴转速为1000rpm/min，进给量为0.16mm/rer，吃刀深度为1mm。其中“优”表示切削性能好，“良”表示切削性能良好，“差”表示切削性能差。
[0032]
表2实施例1～4与对比例1～2中的合金材料性能比较
[0033][0034]
通过各项测试数据可以看出，与常规铅黄铜材料hpb58
‑
3和hpb63
‑
3相比，本发明提供的无铅环保易切削铜合金材料具有良好的切削性能和耐腐蚀性能，切削性与铅黄铜hpb63
‑
3材料相当。
[0035]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。