含有陶瓷纳米粒子并具有改进的机械加工性能的黄铜合金的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明设及一种Pb的质量百分比含量最高为0.25%的黄铜合金，W及一种制备该 黄铜合金的方法，其中AhOsW陶瓷纳米粒子的形式存在于合金中，从而带来优越的切削性 能。
【背景技术】
[0002] 黄铜是一种设及许多应用机遇和应用领域的材料。黄铜的基本成分是铜(Cu)和锋 (Zn)。通过添加各种不同的合金材料，比如铅（Pb)、锡（Sn)、铁(Fe)、侣（Al)、儀(Ni)、儘 (Mn)、娃(Si)和/或神(As),黄铜可被赋予独特的性能，从而使黄铜具有许多不同的特征而 用于不同类型的机械加工和成品。黄铜还可W含有錬(Sb)、憐(P)、棚(B)和/或硫(S)。
[0003] 可W W条棒、型材和钢巧的形式将黄铜制成半成品，运些半成品需要进一步精制。 此类成品的样品有螺钉、螺母、供水和卫浴部件、锁具零件、电子元件、装饰品等。最重要的 是，黄铜是一种闭式循环材料，在促进环境保护的车间生产中具有特定的位置。黄铜的回收 是可W带来经济效益的，并且因此几乎80%的原料是W废黄铜的形式存在，运些废黄铜中 的一部分是作为来自工业车间的废料，还有一部分来源于回收企业。
[0004] 根据所谓的"卫生级铜合金成分表"中针对无铅黄铜的规定，获得Pb的0.2%的百 分比。EAS(欧洲认证体系)运项工作于1997年启动并被欧盟委员会批准，而运份化学成分表 是之前EAS(欧洲认证体系）的延伸，于2013年12月旧开始在签署4MS(四成员国）声明的国 家中生效，要求黄铜和其它金属的合金W及与饮用水接触的材料需遵守上述化学成分表中 的规定。4MS声明的目标是要为所有27个欧盟国家建立一项通用的指令。而且，针对黄铜合 金中Pb的含量百分比，在比如USA的其它国家也有的类似的规定。USA和欧洲之间的主要区 别在于美国运一个国家专注于对单独制品中铅的限制(Pb的质量百分比含量平均值最高为 0.25%)，而在欧洲是专注于饮用水本身中的铅的限制。USA饮用水本身中的允许值高于欧 洲，分别为15yg/l和10yg/l[l]。符合上述作为无铅黄铜所限定的需求的黄铜合金样品为 CW51lUDEc〇Brass@[l，2]。
[0005] 针对析出到饮用水中的铅的环保规定，还要求去除材料本身中的铅。上述工作不 仅可W通过各种政府性规定来推进，还可W通过所谓的环境分类系统等在自愿的基础上推 进。比如在瑞典，可W提及建筑材料评估（Byggvambedomningen )，而在Basta贝腰求无 铅合金材料。
[0006] EN编号为CW614N和CW617N的黄铜合金是切削加工和锻造中最常用的两种黄铜合 金[3]，比如运些合金可W应用于供水和卫浴部件、供油和供气部件，W及用于电子工业、机 械工业和汽车工业的多种不同的零件。运两种黄铜合金容易被打磨和抛光，而得到非常高 的表面光洁度。CW614N含有39wt %的化、3wt %的Pb，余量为化，因此成分设计为化化39饥3。 运种CW614N可应用于自动化机械加工，因此又被称为易切削黄铜。CW617N合金应用于热锻 零件。
[0007] 通过在诸如CW614N的黄铜合金中渗入铅，可W增强其机械加工性能。0.2wt%的运 一小部分铅烙解到黄铜合金中W后，由于铅原子比铜原子和锋原子大很多，W及由于运种 原子的尺寸，使得他们阻碍了位错运动。机械加工性能的增强对于切屑折断尤为重要。其余 的铅原子形成了铅-铜相，并在晶界析出。在切削过程中，铅-铜相在切削区中普遍的溫度下 烙化，烙态金属在切削工艺中起到了润滑作用。铅含量降低到〇.2wt% W下，通常认为黄铜 合金的机械加工性能被严重破坏。
[0008] 通过切削加工，在晶界析出的部分铅-铜相构成了工件的部分表面。由于低强度和 高延性，因此相对于剩余部分的表面，铅-铜相更容易延展，其也可W呈液态。运种表面常见 于水龙头等与饮用水接触的产品/元件。在运种情况下，铅容易析出到饮用水中，从而对我 们的健康产生有害影响。
[0009] 另一方面，通过晶间腐蚀[4]，容易发生黄铜脱锋，并且因此暴露出剩余的晶粒结 构。既然运些晶粒也可W与水接触，因此添加少量化对于黄铜合金的性能是有利的。
[0010] 但是，若晶界处无铅-铜相，则会降低铜合金的机械加工性能。机械加工面临的主 要困难包括：
[0011] 1.不利于断屑和切屑控制；
[0012] 2.切屑宽度增大，并且切屑向两侦贿宽，如图1所示；
[001引 3.生成毛刺；
[0014] 4.在切削工具的前刀面造成刃口积屑(BUE)，随后导致在工件表面产生刃口积屑；
[0015] 5.切削力显著增大；
[0016] 6.由于沿切屑厚度方向的较高的切削力，导致颤振倾向明显增强，如图2所示。
[0017] 鉴于上述原因，迫切需要一种改进的黄铜合金，能够在显著减少铅Pb添加的同时 而不影响黄铜合金的机械加工性能。
[001引发明目的
[0019] 本发明的目的在于提供黄铜合金，其具有与所谓的Pb的质量百分比含量约为3% 的"易切削黄铜"等同或类似的切削性能。
[0020] 本发明的另一个目的在于，使黄铜合金中Pb的质量百分比最大为0.25% ( W质量 百分比计，±0.02%)，优选地，饥的质量百分比含量不超过0.20%，在晶界处不存在铅，仅 有部分铅烙解。因此，所述黄铜合金可W符合美国和欧盟针对无铅黄铜的规定。
[0021] 本发明的目的还在于生产一种黄铜合金，所述合金具有与诸如CW511L和 EcoBrass?的其它无铅黄铜类似或增强的切削性能。
【发明内容】
[0022] 正如独立权利要求所界定的那样，本发明满足上述目的，而且克服了上述的切削 困难的问题。本发明所述的合适的实施例由从属权利要求来界定。
[0023] 本发明设及一种黄铜合金W及生产该黄铜合金的方法，其中氧化侣(Al2〇3) W陶瓷 纳米粒子的形式存在于所述合金中。运些陶瓷纳米粒子为不可变形的粒子，即硬质点夹杂 使运种合金成为专业切削的优先选择。
[0024] 根据本发明的一个优选实施例，W质量百分比计，所述黄铜合金含有61.5-64.2% 的 Cu、35.6-37.4% 的 211、0.100-0.250%的口13、0-0.15%的43和0.04-0.1%的^203,41203的 含量优选为0.04-0.06%，其中AI2O3W陶瓷纳米粒子的形式存在于所述合金中。
[0025] 根据本发明的一个优选实施例，W质量百分比计，所述黄铜合金含有61.5-63.5% 的 Cu、35.6-37.4% 的化、0.100-0.250%的？6、0-0.15%的511、0-0.15%的化、0-1%(优选为 0-0.05% 或 0.45-0.7%)的41、0-0.149%的化、0-0.15%的胞、0-0.03%的81、0-0.15%的 As、0-0.02%的P、0-0.02%的Sb、0-0.0007%的巧P0.04-0.06%的Al203，其中Al203W陶瓷 纳米粒子的形式存在于所述合金中。诸如5]1^6、41、化、]/[]1、5;[和/或43的合金添加剂可^改 进黄铜合金的耐腐蚀性，强度，耐磨性和/或抗拉强度。
[0026] 根据本发明的一个优选实施例，W质量百分比计，所述黄铜合金含有63.0%的化、 36.6 %的化、0.2 %的Pb、0.1 %的As、0.0005 %的B和0.05 %的Al2〇3。合金添加剂As可提供脱 锋保护。质量百分比为0.2%的较小含量的Pb,使得所述黄铜合金能够满足无铅黄铜的定 义。
[0027] 根据本发明的一个优选实施例，W质量百分比计，所述黄铜合金含有63.1%的化、 36.7 %的化、0.145 %的饥、0.04 %的As和0.05 %的Al2〇3。合金添加剂As可提供脱锋保护。质 量百分比为0.145%的较小含量的化，使得所述黄铜合金能够满足无铅黄铜的定义。
[0028] 根据本发明的一个优选实施例，所述黄铜合金含有基本为球状的Al2〇3纳米粒子。 因此，基本为球状的Al2〇3纳米粒子，与分布在第二切削区和第=切削区的变形工件材料晶 粒的形状类似。此外，球状A12化纳米粒子具有不影响工具寿命的优点，而有棱角的纳米粒子 能产生对工具的磨蚀作用，并且极大缩短工具的寿命。
[0029] 根据本发明的一个优选实施例，所述黄铜合金含有的Al2〇3纳米粒子为人工制品。 运种人造的Al2〇3陶瓷纳米粒子，即人工制品，可有效地控制Al2〇3的重量和形状，从而对切 削技术有利。
[0030] 根据本发明的一个优选实施例，所述黄铜合金含有的Al2〇3纳米粒子的直径范围介 于IOO-1000