一种无铅黄铜合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属合金制造技术领域，尤其涉及一种无铅黄铜合金及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铅黄铜由于其优良的特性，如切削性能和耐磨性能，已被广泛应用于各个领域，例 如：五金件、汽车零件、电器接插件、阀门、管接头等。但这类材料中的铅容易以固态或气态 的形式析出，进入环境后不仅不容易被除去，且能不断富集，对环境和人体健康造成威胁， 有研究称，慢性铅中毒对人体造血和神经系统，特别是儿童的肾及其它器官损害较大，所以 世界各国均很重视铅造成的污染和引起的危害，已限制和禁止铅黄铜的使用。因此，环保的 无铅黄铜合金已成为当今世界有色金属研究的热点。
[0003] 近年来，国内外对无铅黄铜进行了大量的研究，并已经取得了一定成果，现阶段研 究主要以铋、硅、镁、锑以及石墨替代铅。其中，铋本身性脆，其熔点比铅低，表面张力亦比铅 小，一般以网状或膜状分布于晶界，故铋易使铜合金产生热脆和冷脆，而铋以薄膜状在晶界 偏聚，严重影响了铋黄铜的力学性能，需要通过添加多种微量元素改变铋的偏析行为，且铋 资源有限，使得铋黄铜合金价格昂贵，故难以被推广应用。硅可改善铜合金的热加工性能， 尤其是低温下的热加工性能。硅含量增加到4%时会出现具有密排六方晶格的Y相，在高 温下具有足够的塑性，在545°C通过共析分解转变为a+0相。但硅黄铜的切削性能只有 铅黄铜性能的70 %~80 %，并且铜含量较高，其价格也比一般黄铜高出很多。有研究表明， 通过熔铸、挤压的方法制备，用镁代替铅黄铜的棒材，其切削性能可以达到铅黄铜性能的 78. 5%，镁，部分固溶于铜，并与铜形成低熔点二元共晶相Cu-Mg和Zn-Mg，弥散分布与基体 中，提高合金切削性能。但镁黄铜在熔炼过程中容易发生氧化、吸气等，使得其镁铅黄铜的 熔炼工艺极为复杂。
[0004] 此外有研究者还进行了以锑代铅的研究，并取得了一定的成果，但近年来对于锑 是否对人体有害也存在争议。石墨具有很好的润滑效果，且石墨质软，容易断裂，切肩尺寸 小，还可减少与刀头的磨损。在黄铜中加入石墨并与其他可以提高强度的合金元素配合使 用，会使黄铜合金在具有良好切削性能的同时，也具有比较优良的力学性能。但由于石墨的 强度低、密度小、容易上浮，同时其熔点高，很难采用普通熔铸方法使其熔入黄铜基体中，需 要采用离心、搅拌等先进的铸造技术，这使得生产工艺复杂，导致生产成本大幅增加。
[0005] 整体来说，国内外对于无铅黄铜的研究还处于探索阶段，在无铅黄铜的推广应用 中还存在许多急需解决的难题，降低成本和提高切削性能并兼顾其抗拉强度和塑性等力学 性能，是无铅黄铜面临的重大问题。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题在于提供一种无铅黄铜合金及其制备方法，具有良好的切 削性能。
[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种无铅黄铜合金，包括以下组分：
[0008]
[0009] 余量为锌和不可避免的杂质。
[0010] 优选的，所述硒的含量为1. 8~2. 9wt%。
[0011] 优选的，所述钛的含量为1. 6~2. 8wt%。
[0012] 优选的，所述钪的含量为0? 05~0? lwt%。
[0013] 优选的，所述钐的含量为0? 05~0? lwt%。
[0014] 优选的，所述钴的含量为0? 2~0? 4wt%。
[0015] 优选的，所述碲的含量为0. 25~0. 4wt%。
[0016] 相应的，本发明还提供一种上述技术方案所述的无铅黄铜合金的制备方法，包括 以下步骤：
[0017] 步骤a)向工频感应炉中加入电解铜，升温进行熔炼；
[0018] 步骤b)向所述工频感应炉中加入锌，搅拌后加入硒和碲，搅拌20~30min ;
[0019] 步骤c)将铝箱包裹的钛加入所述工频感应炉内，搅拌20~30min后加入钪、锰和 铁，继续搅拌20~30min ;
[0020] 步骤d)调整温度至980~1080°C后添加精炼剂并搅拌；
[0021] 步骤e)充分搅拌后，炉前取样分析，确认化学成分；
[0022] 步骤f)向所述工频感应炉中加入钴和钐，搅拌后取样分析，成分调整；
[0023] 步骤g)静置，捞渣，在1000~1050°C下保温后升温至1150~1200°C，出炉浇注， 得到无铅黄铜合金。
[0024] 优选的，步骤a的熔炼温度为1100~1200°C。
[0025] 优选的，所述精炼剂包括以下成分：
[0026] 萤石、冰晶石、硼砂、二氧化硅、氧化铜、氟硅酸钠和钛白粉。
[0027] 本发明提供了一种无铅黄铜合金及其制备方法，包括以下组分：铜、硒、钛、铝、钪、 钐、钴、碲、锰、铁、余量为锌和不可避免的杂质。与现有技术相比，所述硒与铜、锌、碲元素生 成一种脆性的金属间化合物相，可视为合金基体中产生了微小的空间，从而割断了基体的 连续性，成为应力集中源，产生了所谓的"切口效应"，从而构成许多弱化微区，提高了合金 的切削性能；钛和铝共同作用，在黄铜中具有变质处理的功能，细化组织和晶粒，提高其塑 性而硬度不会有所降低；钪和铝共同作用，提高合金的稳定性；钴和钐的加入，提高了黄铜 合金的流动性，从而提高合金的机械加工性能尤其改善了切削加工性。实验结果表明，本发 明制备的黄铜无铅具有良好的切削性能，并具有良好的抗拉强度和塑性等力学性能。
【具体实施方式】
[0028] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是 应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。
[0029] 本发明实施例公开了一种无铅黄铜合金，包括以下组分：
[0030]
[0031] 余量为锌和不可避免的杂质。
[0032] 按照本发明，由于相对越高的铜含量可以得到a相较多的黄铜合金，其材料的耐 腐蚀性和塑性较好，但是合金材料的强度、硬度反而会下降，热加工性能变差，因此，为了兼 顾材料的热加工性能，抗腐蚀性能和力学性能，采用的铜含量为54. 2~68. 4wt %，优选为 57. 2 ~68. 4wt %，更优选为 57. 2 ~65. 4wt %。
[0033] 所述硒与铜、锌、碲元素生成一种脆性的金属间化合物相，可视为合金基体中产生 微小的空间，从而割断了基体的连续性，成为应力集中源，产生所谓的"切口效应"，从而构 成许多弱化微区，提高合金的切削性能。另外，硒元素对人类来说也是重要的营养元素，在 医学上可以起到抗癌的作用；硒是具有抗氧化作用的微量元素，可以清除体内的过氧化物， 保护细胞和组织免受过氧化物的侵害，提高人体的免疫力和抗衰老的能力；硒是部分有毒 重金属元素（隔、铅）的天然解毒剂，因此即使黄铜合金中有微量的不可避免的有毒重金属 杂质，硒也可以将其的危害大大降低。按照本发明，所述硒的含量优选为1. 8~2. 9wt%，更 优选为1. 8~2. 8wt %。
[0034] 所述的钛元素在黄铜中具有变质处理的功能，在黄铜合金中，Ti和Cu形成的化 合物主要有Ti2Cu3、TiCu和Ti2Cu，上述化合物均具有较高的结晶点，在990°C左右可以结 晶，可作为非自发形核，从而细化组织和晶粒。因为硒元素流动性差，且硒黄铜合金的塑 性较差，所以在本发明中用Ti作为变质剂来调节硒黄铜合金的组织形貌。在本发明中 Ti以K2TiF 6B式加入，加入时用铝箱包裹，在铜液高温下发生如下的反应：3K 2TiF6+13Al =3TiAl3+4AlF3+6KF，3K 2TiF6+4Al = 3Ti+4AlF3+6KF，Ti+3Cu = Cu3Ti，分别形成 TiAl3和 Cu3Ti，可作为非自发的形核质点。所述钛的含量优选为1. 6~2. 8wt %时，组织由未变质时 长板条树枝状变为短片状，并伴有等轴晶的倾向，组织细化的效果最好，力学性能最高，强 度和塑性的指标均有显著的增加。
[0035] 所述的铝主要和上述钛一起相互作用，如果单独的铝会使硬度提高而降低塑性， 与钛搭配相互作用会提高其塑性而硬度不会有所降低。此外铝可以在合金的表面形成A1 203 膜，提高合金的耐腐蚀性能和表面的光洁度。另外，在熔炼的过程中，A1的加入还可以减少 Zn的蒸发，当铝的使用量超过0. 4wt%时，合金的流动性明显增加，本发明所述铝的含量优 选为 0? 4 ~0? 7wt %。
[0036] 所述钪是一种稀土元素，可强烈地细化合金材料的铸态组织，并使重结晶退火后 的a、0相的相对量及结晶形貌发生变化，且与可铅等元素形成颗粒状杂质，改善合金材 料中杂质的分布，并改善合金的物理性质及加工性质。在本发明中，钪和铝共同作用，钪和 铝会形成很多化合物如ScA13,ScA12, ScAl等，由于Sc在所有稀土元素中原子半径是最小 的，主要的合金质点ScA13熔点高且与A1的距离较近，因此在结晶过程中容易形成过饱和 的固溶体，在加热和挤压过程中容易析出共格的ScA13质点，因而能强烈抑制再结晶过程和 提高合金的稳定性。按照本发明，所述钪的含量优选为〇. 05~0. lwt%，更优选为0. 05~ 0. 08